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【人民网】首个“中国风洞”诞生始末:托起空天飞机的“巨龙”
发布时间:2013-08-06 来源:人民网 赵竹青 【字号:  

JF-12激波风洞(赵竹青 摄)

JF-12激波风洞(赵竹青 摄)

位于北京近郊的钱学森工程科学实验基地的空天飞行器实验室,静静地盘踞着一条诞生不久的“巨龙”,国外同行称之为“Hyper-Dragon”(意为超级巨龙)。这条长260多米的中国“巨龙”,便是第一个完全由中国人自主研发、目前在国际上最先进的高超声速风洞,名叫JF-12。

JF-12作为众多“JF系列”风洞中的一个,为什么如此特别?那要先从它的定位讲起。

说起风洞,普通人或许对它还有些陌生。但在空气动力学领域,它却是最常用、最有效的实验工具。风洞是在地面上模拟飞行器空中的飞行状态,研究高速气流与飞行器相互作用的规律,提供飞行器设计需要的基础数据的装备。风洞是航空航天飞行器的“摇篮”,一架先进飞行器不在风洞里做几千上万次试验研究,是绝对飞不上天的。可以说风洞代表了一个国家在航空航天领域基础研究的能力与水平。

区分不同类型风洞最主要的一个指标为“马赫”数,即能够达到几倍的声速。一般来讲,民用飞机的速度约为0.8马赫(0.8倍声速),最先进的战斗机的飞行速度为2~3马赫。而JF-12激波风洞,马赫数为5~9,并复现了总温、总压。也就是说,它研究的是被钱学森定义为“高超声速”的飞行条件。

先进风洞的缺乏,制约着高超声速飞行器的研发。对于世界各国来说都是如此。

自主创新,全面超越

目前世界上常用的高超声速风洞有两类。一类是以日本的HIEST风洞为代表的自由活塞驱动风洞,另一类是加热轻气体驱动的风洞,如美国的LENS风洞。然而这两种风洞依然具有难以根除的“顽疾”:HIEST有着气流不平稳,试验时间短(仅几个毫秒)的致命缺陷;美国LENS系列激波风洞代表目前国际最先进水平,但它使用大量氢气或氦气,成本昂贵且极度危险,在实验时间和尺度扩展等方面也有很大局限性。

在JF-12诞生之前,我国风洞建设基本上走的仍是“跟踪仿制”路线。不自主创新,又如何去超越?我国的科学家一直在思考,在风洞技术上,中国能不能走出一条自主创新之路?

这个机会终于来了。在获得“国家重大科研装备研制项目”的支持后,“复现高超声速飞行条件激波风洞”项目2008年1月正式启动。该项目并不是“盲目上马”,而是建立在中科院力学研究所俞鸿儒院士和高温气体动力学国家重点实验室在氢氧爆轰方法50年积累和爆轰驱动风洞技术15年探索的坚实基础上,一直以来都在寻求风洞建设自主创新的科学家们一致认为:时机成熟了。

经过前后4年多的建设,2012年5月14日JF-12激波风洞顺利验收。验收委员会一致认为:“该项目利用中科院力学所独创的反向爆轰驱动方法,是国际首座超大型高超声速激波风洞,整体性能处于国际领先水平。”JF-12的主要性能指标——马赫数5~9,试验时间100ms,试验气体为纯净空气,试验段直径3.5米,全部超越LENS激波风洞。

中国制造,世界艳羡

JF-12激波风洞的项目负责人,中科院力学所高温气体动力学国家重点实验室主任、研究员姜宗林介绍,“JF12风洞265米的‘身长’使其能够提供更长的实验时间,高超声速发动机需要的实验时间至少需要60到70毫秒,我们已经能做到100毫秒,国外的相关风洞大约为30毫秒。我们的喷管直径可达2.5米,实验舱直径3.5米,都明显优于国外同类风洞。JF12风洞里的‘风’,速度最高可达9马赫,温度可达3000摄氏度左右。而9马赫意味着,从北京到纽约的飞行时间,可以由现在的14小时缩短到2小时。”

中国科学院院士、我国空气动力学家张涵信院士参观JF12激波风洞后有感而发,概括为十六个字:“创新理论、成功实践、中国制造、世界领先”。

JF-12这条“巨龙”甫一出世,便吸引了国内外高超声速科技研究领域的广泛关注。国际著名的激波物理学者Takayama教授曾写信给姜宗林,称赞道:“据我所知,这个设备是国际唯一的。”并表示希望风洞对国际基础研究开放。

目前,JF-12风洞已应用于国家重大专项以及相关基础科学研究。该风洞建成一年来,姜宗林等研制人员多次受邀到国际学术交流大会作报告,向世界介绍“中国风洞”。

财力不足,智慧弥补

JF-12的建设费用仅为4600万。如何用这么少的钱,建设出如此大型、国际领先的科研设备?姜宗林微笑着总结了一句话:“我们用智慧弥补国家财力的不足”。他举例说,比如仅一项“三个喉道匹配一个喷管”的独创设计,就能节省上百万的科研费用。

不仅是工程造价低,JF-12风洞每次的运行费用也非常便宜——还不到5000人民币。在外国同行看来,这简直是“难以置信”。

两年盒饭,一次成功

谈到设备研制,姜宗林自豪地表示,JF-12研制中的关键思想、解决方案、材料、器件……这些“都是我们自己的”。他还告诉记者,风洞建设过程中所有的图纸都是团队自己画好,然后再拿出去加工的。

“有多少问题,就有几多创意,办法总比问题多!”姜宗林总结了JF-12建设的点点滴滴,更回味了“夏热冬冷,两年盒饭”的几度辛苦。“从学术成果,到工程方案,突破了五项关键技术”,并最终取得了“一次安装到位、一次调试成功,一次验收合格,一次获得试验结果”的完美成果。

作为我国自主研制的大型科研装备,JF-12风洞“十大分系统”涉及来自不同的加工厂家,从机械到电子、从真空到高压,分门别类大大小小成千上万个零部件。也许只有经历过的人才会知道,能够做到“一次成功”究竟有多么不易。

正因如此,姜宗林在研制总结报告的末页写下了这样的感慨:“历时四年,JF-12激波风洞从概念验证、风洞设计、部件加工、系统安装、整体调试、性能试验到现场测试,项目组几多坎坷,几多艰辛,终于不辱使命,完成任务!”

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