行走于世界高超声速复现风洞技术的最前沿

——访中国科学院高温气体动力学国家重点实验室姜宗林研究员

　2016年6月15日(华盛顿时间2016年6月14日)，美国航空航天学会(AIAA)把2016年度地面试验奖(AIAA Ground Testing Award 2016)颁发给中国科学院力学研究所姜宗林研究员，这是该奖项设立41年以来中国学者首次获奖，也是亚洲科学家首次获奖，标志着中国在航空航天基础研究方面取得了世界瞩目的创新成就。

　据悉，美国航空航天学会是世界上最负盛名的国际性学术机构，每年举办着学术水平最高，影响力最大，代表数量最多的系列国际学术会议。AIAA地面试验奖项设立于1975年，旨在表彰国际航空航天领域在飞行模拟、推进试验、气动试验等方面取得杰出技术成就的科学家。美国航空航天学会特别设立地面试验奖体现了对该领域基础研究的高度重视，该奖每年评选一次，在AIAA Aviation Forum的年度大会上颁发。

　AIAA地面试验奖设立41年来，在高超声速风洞技术方面仅有三名学者入选。一位是澳大利亚学者Stalker教授，因发明自由活塞驱动高焓激波风洞技术获得1993年度奖。自由活塞技术奠定了国际高超声速高焓流动实验研究基础。2011年的获奖者是国际著名高超声速研究中心(CUBRC)的首席科学家Holden博士，以发展加热轻气体驱动技术并研制成功国际先进的LENS系列风洞而闻名世界。2016年姜宗林及其团队以创立高超声速复现风洞技术，研制成功JF12复现风洞而荣获该大奖。

风洞主体全貌

成功始于热情：把个人兴趣和国家需求结合

《科技 摘 》：气体动力学是一门高深复杂的科学，相比其他科学它显得枯燥乏味，请问当初是什么原因让您对气体动力学如此感兴趣的?您从事气体动力学研究，一干就是三十多年，您是如何在该领域一直保持旺盛热情的?

　姜宗林：这是一种缘分，也是一种机遇。生于50、60年代的两代人，都是看着《闪闪的红星》长大的，有一种英雄情结;喜欢读的是《十万个为什么》，特别崇尚科学探索精神。 化大革命以后，国家恢复高考，追随父辈的足迹，我走进了哈尔滨船舶工程学院。这里曾经是“哈军工”的海军系，科技强军梦想的起源地。从此通过船舶动力工程系的基础课学习，结识了气体动力学，而没有学船舶设计相关的水动力学，这是一种缘份。1985年硕士毕业后，没有进入专门造船的六机部，而是被分配到航天部北京空气动力学研究所(原称701所)工作，直接地接触到了气体动力学前沿研究及其航空航天应用。记得当时探索飞行器隐身技术，开展S型进气道的研究工作，还是满有兴趣的。

　1990年，我到北京大学攻读博士学位，师从我国著名科学家周培源院士，选择研究激波和湍流的数值模拟理论，这个题目现在依然是气动学科前沿。1994年，受日本东北大学高山教授邀请，到日本东北大学流体力学研究所任教，开始从事激波动力学的研究。当时高山先生提倡“牛头鸡尾”的精神，就是要像牛一样去吞吃新东西，留给鸡群尾随去捡未尽物。

　1999年底，中科院力学所俞鸿儒院士通过“百人计划”引进回国，使自己有幸能够加入到钱学森和郭永怀创立的研究团队，从事高温气体动力学方面的研究工作。高温气动是一门前沿学科，是新一代航空航天技术的基础。NASA的高温气体动力学专家Park 教授说过：高温气动就像一个天 学的“黑洞”，投入多，产出少。但是，高温气动的进展能够推动高超声速技术的发展，而这种高新技术的成功对于国际社会的影响是革命性的，或者可以说是颠覆性的。

　我从事气体动力学相关研究已经三十多年，虽然工作单位有所变动，但是研究方向一直都属于气体动力学领域。气体动力学相比其他力学学科，从“场”的观点看问题，完全不同于“质点”动力学，一直沿用日常传统的观察方法。因此它具有更多的理论分析和数学推导，也显得非常抽象。但是，气体动力学与人们的生活息息相关，涉及到许多的国家支柱产业，比如说航空与航天，能源与动力，大气与环境等。

　随着对气体动力学认识的逐步深入，自己也渐渐明白应该把个人兴趣和国家需求结合起来，既可以推动气体动力学学科发展，提高对物理现象的认知，也可以解决国家航空航天发展面临的难题，提升飞行器研制的技术水平。这样的研究工作是一种非常有意义的事情。就像登山运动员一样，他可以登上许多无人攀登的山峰，创造许多首次纪录，但是珠穆朗玛峰才是真正登山运动员心中的唯一。这也许是三十多年来保持足够的热情从事气体动力学研究的原因吧。

攻坚克难 孜孜以求 伟大发明 世界瞩目

《科技 摘 》：JF12复现风洞的研制是一项伟大的发明，在研发该项技术中有没有遇到过哪些困难，是如何克服的?

　姜宗林：由于研究的技术是前所未有的，确实遇到了很多困难和挑战。我们这个团队差不多从2000年就开始探索复现风洞技术了。到了2006年，复现风洞的理论与主要技术逐渐成熟。所以，能够在2008年获得“国家重大科研装备研制项目”支持，并开始建设，是有坚实基础的。2012年，JF12复现风洞通过国家项目验收，并投入使用。前前后后，这个团队经过了十六年的艰苦努力，正应验了中国人常说的“十年磨一剑”。如果再加上俞鸿儒先生四十年的科研积累，就可以明白这样一个过程究竟有多少磨难了!

　如果从国际风洞技术发展的瓶颈来看，JF12复现风洞必须要解决三大问题：风洞驱动功率小、实验时间短、测量精度低。六十年的研究经历表明，这每一个问题都是“卡脖子”的事，十分棘手，更何况要同时解决三方面的问题呢。咱们一个一个说吧。

　(1)大功率驱动技术问题：一架高性能的飞行器需要配上一个强劲的发动机，否则飞行速度总是上不去。JF12复现风洞就是地面上创造一股具有飞行速度的高超声速气流，并且气流的直径尺度要达到满足飞行器实验的需求。可以简单估算一下实验气流对应的输出功率。例如建立30km高空、马赫数8、直径2.5m的实验气流，风洞的输出功率超过600MW，要求驱动功率则超过3000MW，甚至超过了葛洲坝电站的装机容量(2700MW)，更超出了国际主流的机械压缩驱动技术极限一两个量级。

　我们选择采用独创的爆轰驱动技术解决大功率驱动的问题。爆轰是可燃混合气的爆炸性燃烧，能量释放极快，破坏力极大，如煤矿瓦斯爆炸、粉尘爆炸等，是工业生产中的“洪水猛兽”，唯恐避之不及。我们提出了一套理论与技术，解决了爆轰起爆、高品质气源生成、爆轰控制和安全应用等难题，实现了风洞驱动能力的可控与可调，使得风洞能够具备提供25-50km高空、马赫数5-9、直径2.5m高超声速实验流场的复现能力。我们创立的大功率爆轰驱动技术，应用化学能替代机械能驱动模式，实现了风洞驱动能力的量级提升，建立了高超声速风洞的新型驱动模式。

　(2)实验时间短问题：就好比让短跑冠军以百米冲刺的速度跑一万米，其难度不言而喻。激波风洞最具有复现高超声速飞行条件的潜力，但有效实验时间极短，国际最大的自由活塞驱动激波风洞(日本HIEST)有效实验时间仅为2-3ms，最先进的加热压缩轻气体驱动激波风洞(美国LENS II)有效实验时间也只有30ms。而钱学森曾指出，超声速燃烧研究需要100ms有效实验时间。

　我们通过复杂波系传播及相互作用规律的研究，提出了长实验时间激波风洞技术，包括：爆轰驱动激波风洞缝合运行方法，突破限制实验时间的主要瓶颈;真空系统起动激波反射干扰控制，通过巧妙设计真空罐的形状起到耗散起动激波，推迟其反射干扰;激波/边界层干涉试验气体污染抑制技术，通过特殊技术结构延迟驱动气体污染实验气流，使得有效实验时间提高60%。延长有效实验时间一直是激波风洞技术的国际前沿，我们提出长实验时间激波风洞技术使得复现风洞有效实验时间达到130ms，比传统激波风洞实验时间提升了一个量级。

　我们提出了高频响、大量程测力系统一体化设计技术，解决整个测力系统与风洞特性的匹配问题，研制高精度测力天平，使得测力精度提高一个量级;提出多基频干扰信号的波系适配分离技术，精确分离出了各个分量的不同干扰，实现了试验数据的高精度处理;提出高精度热电偶技术，时间分辨率达到1毫秒(传统的2~4毫秒)，测量精度提高一倍，并可重复使用。

《科技 摘 》：创立高超声速复现风洞技术，研制成功JF12复现风洞而荣获2016年度美国航空航天学会地面试验大奖，这是一项在国际上非常了不起的奖项，请谈一谈您当时获奖的心得。

　姜宗林：说起获奖，还是有一段趣事。美国航空航天学会地面试验奖是世界范围海选的，有专家推荐，专门的委员会考评，被推荐人是不参与的。当初得知我们被提名为候选人时，俞鸿儒先生就对我说：“能被提名已经很好了，说明我们有了和别人拼比的实力了;至于能不能拿奖，就不要抱太大的希望了!美国航空航天技术世界领先，是绝不会轻易认可我们先进的。”所以，当美国航空航天学会发来获奖的贺信时，我们都是喜出望外，异常地兴奋，俞先生也非常地激动。

　1946年，钱学森提出了“高超声速”的概念，至今已有70年了。高超声速技术已经成为国际航空航天领域的必然发展趋势，对人类社会发展、国际战略格局转变和航空航天技术提升将产生革命性影响。但是，高超声速飞行伴有的独特热化学反应过程，是在经典气体动力学再耦合上化学反应动力学。正是这种化学反应过程的出现，改变了气体流动的本质，颠覆了传统风洞实验相似模拟准则，要求发展能够复现飞行条件的风洞实验技术。高超声速60年研发步履维艰，缺乏复现风洞实验技术是高超声速气动领域研究的“瓶颈”。所以，复现风洞技术的研究是一个重要性和前沿性兼备的课题。

　其实，美国航空航天学会一直非常关注我们团队的研究进展。它旗下有一本综合性的期刊杂志《美国宇航》(Aerospace America)，每年11月份都要做一个国际宇航领域的进展综述 告。在2008年和2015年，他们已经对我们的爆轰驱动方法、长实验时间激波风洞技术和高精度测量技术等进行了跟踪 道。另外，2014年初，我受邀在AIAA SciTech 2014会议上做大会邀请 告，首次系统阐述了复现高超声速飞行条件激波风洞的理论与技术。2015年初，美国LENS系列风洞首席科学家Holden院士在AIAA SciTech 2015国际会议上评价JF12复现风洞长实验时间的先进性，并展示以延长实验时间为目的改进LENS-II风洞的成果。而LENS-II风洞是世界上最先进的高超声速风洞，Holden院士获得了2011年度的美国航空航天学会地面试验奖，被认为是美国宇航界的第一“牛人”。

　2016年3月，美国航空航天学会正式公布了地面试验奖的获奖人，实际上这是对我们高温气动团队工作的评价。他们在颁奖词中写道“For skillful leadership in conceiving, developing and successful commissioning of the world’s largest shock tunnel capable of true hypersonic flight simulation”。其中几个非常有意义的关键词是“引领作用”、“世界最大激波风洞”、“实现真实高超飞行条件的模拟”。这是对我们团队创立的复现风洞技术的肯定，他们还认为复现风洞技术建立了大型高超声速风洞的新高度。美国航空航天地面实验奖最初设立于1975年，每年在世界范围内评选一位获奖科学家，旨在表彰国际航空航天领域在飞行模拟、推进试验、气动试验等方面取得卓越成就(Outstanding achievement)。此次获奖是首次授予我国科学家，也是亚洲科学家的首次。

　2015年10月，中国空气动力学会对JF12复现风洞进行成果鉴定认为：我们团队提出了爆轰驱动和长实验时间激波风洞理论，研制成功国际首座可复现飞行条件的超大型高超声速风洞，实现风洞实验状态从“模拟”到“复现”的跨越，攻克了60年来久攻未破的世界难题，代表了国际高超声速风洞技术的领先水平，是世界上首次发明，对于新世纪宇航技术发展具有开创性影响。我国空气动力学学会撰 如是说：JF12复现风洞是张涵信荣誉理事长倡导的“创新理论，成功实践，中国制造，世界领先”的发展先进空气动力学装备的典范，获得该奖也是中国空气动力学界的荣誉。

注重团队建设 助推力学发展

《科技 摘 》：您不仅是一位科学家，也是团队的负责人，您在培养人才、带团队方面有哪些成熟的经验给我们分享?

　姜宗林：JF12激波风洞的研究团队在中国科学院的体制下确实是一个比较大的群体了，由三个课题组组成。俞鸿儒院士指定我来担任队长，自己担任技术顾问。高温气动激波团队由近20个科研人员组成，是一个典型的“老中青”三结合的团队。老一代的科学家是钱学森先生建立的科研团队的成员;中年一代是 化大革命后我国培养的科研人员;而年轻科研人员则是70后和80后的，比例达到45%。能够形成这样的团队，得益于国家重点实验室在激波领域十几年来的磨炼与培育。

　这个团队有一个核心的价值观，是从俞鸿儒院士那里传承的科研理念，这就是心系国家需求，敢于挑战世界难题。所以，国家重大科研装备研制项目的需求背景下，他们能够凝聚在一起，踏踏实实，努力奉献。这个团队有一个一致的科研作风，这就是“求实求是”。科学的问题是一个实实在在的事情，来不得半点虚伪和轻浮。这个团队有一个独特的科研精神，这就是要敢于创新，善于创新。俞先生经常告诫大家：只有创新才有突破，否则只有跟在别人后面，永远不可能超越。所以，我常常告诉我们团队的年轻人，一定要敢想敢干，勇于探索，不怕失败。创新工作中的成就是你们的，出了问题的责任由我负。用“厚积薄发”来形容队伍的成长和壮大可能比较贴切。创新性探索研究的成功率是很低的，十个主意有一两个成功就不错了，我们常说办法总比困难多就是这个意思。 JF12复现风洞的成功是建立在大量成功经验和失败教训的基础上的。所以，我认为这个团队的成功在于培育的科研理念、作风和精神。这是最核心的东西，是一种 化。

《科技 摘 》：请问您如今正在研究哪些科研项目?期待达到怎样的预期目标?

　姜宗林：目前，我们承担着高超声速和高温气体动力学领域多个基础性和应用基础性研究课题，主要项目背景都是针对未来人类实现“两个小时内全球旅行”的高超声速飞行器开展的。这包括飞行试验/地面试验数据一致性理论、飞行器气动力/热特性、新型气动热管理概念、飞行器/发动机一体化实验技术和新型高效推进方式等。

　在这些研究工作中，我们强调中科院研究工作的基础性、前瞻性和战略性，我们希望能够对国家工程技术的发展起一个引领、推动和支撑作用。在国家科研团队的序列里，前瞻性基础研究就像大部队行动前侦察兵和扫雷队的工作一样。所以我们的项目都是探索性的，而创新是达到目标的唯一途径。二十世纪中叶，钱学森先生在参加学术会时摆出一个论点，未来借助于火箭，从美国东部到西部可以在20分钟内到达，曾经引起轰动，《纽约时 》为此开了半版。一百年左右，人类先后步入了亚声速时代、超声速时代。高超声速飞行应该是必然的，但是高超声速时代何时才能真正到来，直至今日，我们仍然不能确认。这是一个世界梦，也是一个中国梦，我们会一直为这个梦想而努力前行。

《科技 摘 》：创立高超声速复现风洞技术取得了巨大的成就，未来是否还会继续深入研究该技术?同时您对我国高温气体动力学在未来的发展有什么好的建议?

　姜宗林：高超声速复现风洞技术是对于目前世界风洞实验技术的一种跨越，具有自己完整的理论与技术体系。但是，随着时间的推移和宇航技术研究需求的提升，也必将提出更高的要求。因此，我们必须继续在应用中深入认识这项技术，实现进一步的完善和在工程部门的推广，以便对我国的宇航事业做出更大的贡献。JF12复现风洞技术可以复现高度25-50公里、马赫数5-9的高超声速飞行条件，下一步我们将会把该技术作进一步提升，推广到复现高度40-60公里、马赫数10-20的高超声速飞行，届时我国将成为唯一具备覆盖马赫数5-20范围飞行走廊的复现实验能力的国家。

　高温气体动力学由传统的气体动力学耦合化学反应动力学而发展而来的，主要研究高温所引起的气体流动中发生的各种物理化学变化、能量转移和热量传递及其对宏观流动的影响规律。而高超声速飞行是高温气动涉及的众多学科中的一个重要分支。对于未来的学科发展和应用基础研究，认为有三个方面需要强调：一是要大力发展先进的地面实验技术，解决工程发展中的技术难题，推动国家重大项目发展;二是深入开展高温气动基础理论研究。传统气体动力学理论的积累是使得人类从亚声速时代跨入超声速时代基础，而目前的高超声速流动的理论尚有较大欠缺，亟需在物理机制、数理方法、流动规律等方面的科研积淀;三是培养和稳定高温气体动力学研究队伍。人才是学科发展的根本动力，建立一支稳定的、高水平人才队伍是保证高温气体动力学领域长远发展的基石。

人物简介：

　姜宗林，1955年生，中科院力学所研究员，理学博士、博导，中科院“百人计划”入选者(1999年度)，研究方向包括高温气体动力学、激波与爆轰物理、计算流体力学等，发表学术论 150余篇，现任国际激波学会副理事长、AIAA 燃烧与推进委员会委员、国际激波大会咨询委员会委员、中国空气动力学会副理事长、中国力学学会激波与激波管技术专业委员会主任，Shock Waves、Acta of Mechnica Sinica等期刊编委，曾任第24届国际激波大会主席、高温气体动力学国家重点实验室首任主任。