今年12月，我國航天事業(yè)奠基人錢學(xué)森誕辰112周年之際，站在新落成的長達167米、能復(fù)現(xiàn)每秒10公里超高速飛行速度的超級風洞前，中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究員姜宗林向《中國科學(xué)報》表示：“錢學(xué)森在論述科學(xué)精神時曾說，是不是真正的創(chuàng)新，就看是不是敢于研究別人沒有研究過的科學(xué)前沿問題。我們用這個獨立自主研發(fā)的大國重器支持我國的宇航事業(yè)奔赴星辰大海，正是對錢先生的最好告慰?！?/p>

　　自2018年起，在國家自然科學(xué)基金國家重大科研儀器研制項目（部門推薦）“爆轟驅(qū)動超高速高焓激波風洞”（以下簡稱JF-22超高速風洞）的支持下，姜宗林帶領(lǐng)激波風洞團隊依據(jù)我國獨創(chuàng)的“激波反射型正向爆轟驅(qū)動”方法，把國際上普遍認為“不能用”的正向爆轟變?yōu)椤翱捎谩焙汀昂糜谩钡尿?qū)動能源，成功研制出JF-22超高速風洞。

　　今年5月，該項目完成結(jié)題驗收。驗收專家組一致認為，該風洞在有效實驗時間、總溫、總壓和噴管流場尺寸等綜合性能指標方面處于國際領(lǐng)先水平。

　　前瞻引領(lǐng)，打造大國重器

　　人類有一個航空航天夢，總是想飛得更快、更高、更遠。早在20世紀50年代，錢學(xué)森首先定義了“高超聲速飛行”的概念。未來，新一代飛行器可以達到時行萬里、實現(xiàn)國際出行的早出晚歸。

　　而新一代空天飛行器的研發(fā)離不開重要的科學(xué)裝置——高超聲速風洞。高超聲速風洞通過人工方式產(chǎn)生并控制高速氣流，模擬飛行器周圍氣體的流動情況，獲得飛行器的氣體動力學(xué)特性，相當于在地面上人為建造一個“飛行天空”。

　　飛行器的速度越快，要求風洞產(chǎn)生的“風”越大。科學(xué)家用飛行速度與聲速之比——“馬赫數(shù)”度量飛行速度。在高超聲速飛行中，飛行器巨大的動能將產(chǎn)生強烈的頭部激波和摩擦阻力，把飛行器周圍的空氣加熱到數(shù)千攝氏度甚至上萬攝氏度，引起空氣分子發(fā)生解離、原子電離等復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。

　　“飛行器周邊的空氣起熱化學(xué)反應(yīng)，這類現(xiàn)象超出了傳統(tǒng)氣體動力學(xué)的研究范疇，需要創(chuàng)立新的理論去描述，打造新的風洞去試驗?！苯诹直硎?，“新型空天飛行器研發(fā)的地面試驗需要性能更強大的高超聲速風洞。”

　　基于這一科學(xué)前沿問題和國家航空航天重大需求，2017年底，激波風洞團隊向國家自然科學(xué)基金委員會提出了國家重大科研儀器研制項目申請，并獲得資助。作為科學(xué)基金資助體系的重要組成部分，國家重大科研儀器研制項目重點資助對促進科學(xué)發(fā)展、探索自然規(guī)律和開拓研究領(lǐng)域具有重要作用的原創(chuàng)性科研儀器的研制。

　　2018年全國力學(xué)大會上，中國科學(xué)院院士楊衛(wèi)透露：“正在建設(shè)中的JF-22超高速風洞將為更高速的飛行奠定實驗基礎(chǔ)。”

　　在國家重大科研儀器研制項目的支持下，激波風洞團隊以滿足工程需求為目的，挑戰(zhàn)先進風洞技術(shù)指標的極限，全心投入前所未有的JF-22超高速風洞研制中，于2021年底完成安裝，進入性能調(diào)試階段。

　　2022年4月15日，JF-22超高速風洞完成首次運行實驗。當天是姜宗林的生日，JF-22超高速風洞的成功運行為他送上了一份珍貴禮物。隨著轟的一聲爆轟，控制室中電腦屏幕上的數(shù)據(jù)顯示，實驗結(jié)果達到預(yù)期目標。

　　2023年上半年，JF-22超高速風洞迎來真正意義上的“大考”。該國家重大科研儀器研制項目驗收期間，共進行了5次專家現(xiàn)場測試。首次測試中，實際流場速度高達每秒10.08公里，總溫達1.9萬開爾文（K），總壓達3.3萬多個大氣壓。優(yōu)異的性能參數(shù)令在場專家驚嘆不已。

　　“我們感到很振奮。我把這次測試的實驗記錄寫到了專家與團隊上?！苯诹只貞浾f。

　　JF-22超高速風洞具有尺度大、時間長、總溫和總壓高等特點，能夠復(fù)現(xiàn)40公里至90公里高空、每秒2.5公里至10公里的飛行速度。實測最高速度達每秒10.1公里，如果以實驗室聲速度量，相當于約30倍聲速的飛行條件。

　　“JF-22超高速風洞的綜合性能在世界上還沒有其他風洞可以相比。”姜宗林自信地說。

　　廿年一劍，復(fù)現(xiàn)軌道速度

　　早在60年前，科學(xué)家就開始探索“正向爆轟驅(qū)動”方法，為建造高性能激波風洞做準備。

　　“爆轟”是激波風洞用來驅(qū)動強大氣流的一種方法，即混合的氫氣和氧氣被點燃，燃燒激波在管道內(nèi)以高于聲速的速度傳播。根據(jù)點火位置的不同，驅(qū)動形式分為“正向”和“反向”兩種。和“反向”驅(qū)動相比，正向爆轟可以驅(qū)動產(chǎn)生更大的空氣動量，產(chǎn)生高超聲速飛行條件下的氣流。

　　但是，正向爆轟驅(qū)動方式受“稀疏波”的干擾，難以滿足激波風洞的驅(qū)動要求。如何應(yīng)對“稀疏波”的干擾，“用好”正向爆轟驅(qū)動方式，是打造超高速風洞面臨的世界級難題，需要在理論和技術(shù)層面實現(xiàn)突破。

　　2002年，姜宗林團隊從原理上革新，提出并設(shè)計了激波反射型正向爆轟驅(qū)動器。這有效改進了驅(qū)動氣流的平穩(wěn)性，使正向爆轟從“不能用”變成了“能用、好用”的動力源，成為JF-22超高速風洞的核心技術(shù)。

　　從2002年學(xué)術(shù)論文發(fā)表，到2023年JF-22超高速風洞驗收，中國科學(xué)家“二十年磨一劍”，實現(xiàn)了超高速風洞試驗狀態(tài)從流動“模擬”到關(guān)鍵參數(shù)“復(fù)現(xiàn)”的跨越。

　　在北京懷柔錢學(xué)森實驗基地空天實驗中心，《中國科學(xué)報》看到，與JF-22超高速風洞并排的是JF-12復(fù)現(xiàn)風洞，即“復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風洞”。

　　JF-22超高速風洞的研制離不開JF-12復(fù)現(xiàn)風洞積累的經(jīng)驗。2008年，在首批國家重大科研儀器研制項目的支持下，JF-12復(fù)現(xiàn)風洞立項，2012年完成項目驗收，確立了我國在這個研究領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。

　　如今，JF-12復(fù)現(xiàn)風洞經(jīng)歷10年的試驗應(yīng)用，在國家重大任務(wù)、多個型號研制和學(xué)科前沿問題探索中，完成了一系列的重要科學(xué)試驗。激波風洞研究團隊因此獲得了2016年度中國科學(xué)院杰出科技成就獎。

　　如今，這兩座風洞可分別實現(xiàn)每秒1.5公里至3公里和每秒3公里至10公里的實驗條件，共同構(gòu)成覆蓋馬赫數(shù)5~30、飛行高度25~90公里的氣動實驗平臺，使我國成為高超聲速領(lǐng)域唯一具備覆蓋全部“飛行走廊”實驗?zāi)芰Φ膰摇?/p>

　　傳承四代，書寫傳奇故事

　　追溯更早的歷史，JF-22超高速風洞成功的背后，是中國科學(xué)院四代科學(xué)家連續(xù)60多年持續(xù)奮斗，書寫的一段傳承創(chuàng)新、艱苦奮斗的傳奇故事。

　　20世紀50年代中期，錢學(xué)森與“兩彈一星”元勛郭永懷就制定了高超聲速風洞的研究方向，在中國科學(xué)院力學(xué)研究所組建了激波風洞科研團隊。

　　剛剛考上錢學(xué)森和郭永懷研究生的俞鴻儒接過發(fā)展激波管技術(shù)、研制激波風洞的重任。面對基礎(chǔ)技術(shù)不足、科研經(jīng)費短缺的難題，俞鴻儒選擇了當時國際上已經(jīng)棄用的驅(qū)動方式——氫氧燃燒驅(qū)動，但這種方式產(chǎn)生的能量極大、極易發(fā)生爆炸，會帶來嚴重的安全問題。作為我國高超聲速研究的第二代科學(xué)家，俞鴻儒把一生都投入到這項事業(yè)中。

　　經(jīng)過一次又一次的反復(fù)試錯，我國的風洞研究終于“炸”出了一條新路——我國第一代激波管，第一座大型高超聲速風洞JF-8激波風洞，高超聲速風洞JF4B、JF8、JF10等先后問世。

　　1999年，在俞鴻儒的邀請下，從事激波動力學(xué)研究的姜宗林回國，成為第三代“風洞人”?！爱敃r，俞先生告訴我，錢先生和郭先生創(chuàng)立的團隊需要青年人傳承。這個團隊要緊盯國家需求和世界難題?！苯诹终f。

　　“因為國家需要，所以熱愛這份事業(yè)?！苯诹滞瑯訉F隊成員說，“只有把事業(yè)和國家需求聯(lián)系在一起，事業(yè)才有尺度；只有把事業(yè)與世界難題聯(lián)系在一起，事業(yè)才有高度?！彼麕ьI(lǐng)激波風洞團隊秉承“求實求是”的科研理念，傳承了“成功不必在我，功成必定有我”的家國情懷。

　　他們完成了JF-12復(fù)現(xiàn)風洞和JF-22超高速風洞的研制，撰寫了國際首部系統(tǒng)論述超高速激波風洞理論和技術(shù)的英文專著，奠定了中國高超聲速風洞的世界地位。

　　2016年，為表彰姜宗林在世界最大高超聲速激波風洞研究中所作的貢獻，美國航空航天學(xué)會將象征該領(lǐng)域最高榮譽的“地面試驗獎”頒給了他。這是這個獎項成立40多年來首次頒發(fā)給中國科學(xué)家，乃至亞洲科學(xué)家。

　　如今，姜宗林的學(xué)生作為第四代“風洞人”，正在接過前輩科學(xué)家手中的接力棒，為我國在高超聲速風洞領(lǐng)域的研究注入新動力。(甘曉)