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21世紀將是高超聲速空天飛行的世紀，先進的空天飛行器速度超過5000公里/小時甚至達到10000公里/小時，能夠不斷提高人類“進入空間”、“探索空間”和“利用空間”的能力，成為各國之間科技競爭的熱點和國家實力的象征。

正所謂“一代風洞、一代飛行器”，風洞是空天飛行器研究的最可靠的實驗手段，因此這場角逐的基礎就是擁有先進的地面實驗風洞。面對這場角逐，中國是絕對不能缺席、不能落后的。

目前中國擁有兩座世界領(lǐng)先的超級風洞，而在它們的背后，凝結(jié)了中科院力學所幾代人的心血。

中國的兩座超級風洞

2008年，“國家重大科研裝備研制”項目支持了 “復現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風洞（JF12復現(xiàn)風洞）”的研制，旨在建立飛行高度25-50公里、飛行速度1.5-3公里/秒、氣流總溫1500-3500度、噴管出口直徑2.5米的復現(xiàn)高超聲速飛行條件實驗能力。著名空氣動力學家張涵信院士曾評價為“創(chuàng)新理論、成功實踐、中國制造、國際領(lǐng)先”。2016年，JF12復現(xiàn)風洞項目負責人姜宗林獲得美國航空航天學會“地面試驗獎”，標志著該風洞達到世界領(lǐng)先水平，并得到國際同行廣泛認可。

2018年，國家自然科學基金委員會“國家重大科研儀器研制”項目立項支持“爆轟驅(qū)動超高速高焓激波風洞（JF22超高速風洞）”研制，旨在建立飛行高度40-80公里、飛行速度3-10公里/秒、氣流總溫3000-10000度、噴管出口直徑2.5米的超高速高焓流動試驗研究能力。

這兩座超級風洞的建設，將為共同國家構(gòu)建全面覆蓋高超聲速飛行走廊的“地面飛行”氣動實驗平臺，推動高超聲速與高溫氣體動力學學科發(fā)展，大幅提升我國先進高超聲速空天飛行器的研發(fā)實力。

上世紀50年代：我國開始高超聲速研究

1946年，錢學森先生定義了高超聲速飛行（一般指馬赫數(shù)大于5）。1950年，錢學森在美國受到不公正待遇，并被阻止回國；直到1955年，通過國家的大力營救，錢學森才平安回到祖國，籌建中國科學院力學研究所。1956年1月，陳毅副總理批復力學研究所成立，任命錢學森擔任所長；同年，在錢學森的影響下，郭永懷先生回到力學所工作，長期擔任力學所的常務副所長。

錢學森（1911-2009），中科院力學所創(chuàng)始人、首任所長，兩彈一星功勛科學家，提出卡門—錢公式、高超聲速概念等。

郭永懷（1909-1968），中科院力學所常務副所長，兩彈一星功勛科學家，提出上臨界馬赫數(shù)、PLK方法等。

錢學森和郭永懷先生高瞻遠矚，戰(zhàn)略性地部署了我們國家的高超聲速飛行相關(guān)研究。郭永懷先生預見到脈沖型風洞設備的重要性，便支持他的學生俞鴻儒（后來成為中科院院士）開展研究。自此，中科院力學所推動著我國激波管、激波風洞技術(shù)的發(fā)展，并拉開了應用于航天器研制中的序幕，同時逐漸形成一支高溫氣體動力學基礎研究團隊。

這支隊伍面向國家重大需求、面向國際學術(shù)前沿，致力于高超聲速、高溫氣體動力學方面研究。他們淡泊名利，心系國家需求，集智攻關(guān)，潛心探索研究世界難題；他們胸懷激情，背負責任，義無反顧地踏上了這充滿未知的征程。

從0到1的突破

俞鴻儒當時剛滿28歲，考上了錢學森和郭永懷的研究生。作為我國高超聲速研究的第二代科學家，他把一生都投入了風洞之中。在兩位導師的支持下，俞鴻儒選擇了氫氧燃燒驅(qū)動激波管的研究方向，由于氣流品質(zhì)低，易出事故，這種實驗方法在當時并不被國際認可，但是，由于當時國內(nèi)物資匱乏，只能選擇這種成本低廉的辦法，俞鴻儒還是選擇迎難而上。俞鴻儒曾回憶道：“后來我們出了好多次事故，一次最嚴重的事，把實驗室的房子都炸了”。

1958年，歷經(jīng)數(shù)次實驗的失敗，俞鴻儒最終成功研制出了我國第一代激波管，這讓中國人在風洞研究領(lǐng)域，實現(xiàn)了從0到1的突破。1962-1964年，先后研制成JF4直通型激波風洞和JF4A反射型激波風洞；4年后，JF8激波風洞問世，性能參數(shù)達到國際水平；上世紀九十年代，建成氫氧爆轟驅(qū)動高焓激波風洞（JF10），成為國際首座成功運行的爆轟驅(qū)動激波風洞，為我國高超聲速風洞的研究奠定了堅實的基礎，而俞鴻儒也從風華正茂的年輕人變成年近七旬的長者。1999年，俞鴻儒院士將姜宗林引進回國，加入這支由錢學森和郭永懷創(chuàng)立、歷經(jīng)半個世紀的科研團隊。

俞鴻儒院士

JF8A高超聲速激波風洞/炮風洞

JF10氫氧爆轟驅(qū)動高焓激波風洞

激波風洞團隊主要成員合影

高超聲速“地面飛行”實驗 只有中國能做

業(yè)內(nèi)常言“一代風洞、一代飛行器”，風洞是飛行器的“搖籃”，飛行器研發(fā)必須經(jīng)過成千上萬次的風洞試驗，對空氣動力學參數(shù)進行考證和改進。

臨近空間飛行器和天地往返飛行器速度范圍覆蓋了1.5-10公里/秒、飛行高度20-80公里，幾乎涵蓋了整個大氣層。對應于這樣的飛行條件，飛行器周圍的空氣不再是一成不變的雙原子理想介質(zhì)，空氣分子微團發(fā)生了復雜的熱化學過程，包括分子振動激發(fā)、解離與復合、電離等現(xiàn)象，顛覆了傳統(tǒng)風洞實驗相似模擬準則。因此，地面實驗裝置必須具備能夠反映“高超聲速流動獨有的熱化學反應機制”的能力，使得地面設備的實驗條件與飛行條件接近或者一致，即實現(xiàn)“地面飛行”實驗。

“地面飛行”實驗六十年研發(fā)步履艱難，主要根源為傳統(tǒng)高超聲速風洞驅(qū)動功率小、實驗時間短、測量精度低，從而導致流動參數(shù)失真、氣體介質(zhì)特性失真和實驗模型幾何尺度失真。因此，“地面飛行”實驗難度極大，可謂難于上青天。

目前，國際上僅有中國的JF12復現(xiàn)風洞（已建）和JF22超高速風洞（在建）具備高超聲速“地面飛行”實驗的能力。JF12復現(xiàn)風洞已經(jīng)北京懷柔美麗的雁棲湖畔建成，構(gòu)成了“錢學森國家工程科學實驗基地”的重要部分，是中國科學院北京懷柔科教產(chǎn)業(yè)園的第一個落戶啟動的項目。2016年，該產(chǎn)業(yè)園已經(jīng)在國家層面升級成為世界級原始創(chuàng)新戰(zhàn)略高地——懷柔科學城。

JF12復現(xiàn)風洞總長265米，是迄今世界上最大、性能最先進的激波風洞，成就了我國自主研制大型、先進科研裝備的先例，開創(chuàng)了我國大型氣動實驗裝備建設由仿制向創(chuàng)新研制轉(zhuǎn)變的新紀元：（1）提出大功率激波風洞爆轟驅(qū)動技術(shù)，變革了國際主流機械壓縮模式；（2）提出長實驗時間激波風洞技術(shù)，有效實驗時間提升一個量級；（3）提出復現(xiàn)風洞高精度測量技術(shù)，大幅度提升極端條件下測量精準度。

JF12復現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風洞

苦盡甘來、成績斐然

在姜宗林研究員的帶領(lǐng)下，JF12復現(xiàn)風洞經(jīng)過4年建設，于2012年5月順利通過驗收，驗收委員會一致認為，該風洞同時實現(xiàn)了四項關(guān)鍵技術(shù)指標，整體性能處于國際領(lǐng)先水平。2015年，中國空氣動力學會組織的鑒定委員會認為，該風洞實驗狀態(tài)從“模擬”到“復現(xiàn)”的跨越，攻克了60年來久攻未破的世界難題，代表了國際高超聲速風洞技術(shù)的領(lǐng)先水平，對于新世紀宇航技術(shù)發(fā)展具有開創(chuàng)性影響。

JF12復現(xiàn)風洞已成功應用于兩個國家重大專項和航天部門多個型號的重大特種試驗，對專項關(guān)鍵技術(shù)突破、新型號研發(fā)和氣動規(guī)律認知發(fā)揮了不可替代的關(guān)鍵作用，在推動我國高超聲速學科發(fā)展和避免飛行試驗風險方面產(chǎn)生了重大社會效益，得到了相關(guān)單位的高度評價。

2013年以來，美國政府持續(xù)關(guān)注JF12復現(xiàn)風洞，并在報告中指出：中科院力學所開展宇航等領(lǐng)域的科技創(chuàng)新和高技術(shù)集成，研制JF12風洞能夠復現(xiàn)馬赫數(shù)5-9飛行條件，將支撐中國宇航領(lǐng)域民用與軍用部門的研發(fā)。

2015年，《美國宇航》（Aerospace America）年度國際進展綜述，兩篇專題報道分別闡述了JF12復現(xiàn)風洞的研究成果，并評價為的基礎性意義。

2016年，美國航空航天學會授予姜宗林2016年度AIAA Ground Testing Award（地面試驗獎），以表彰其創(chuàng)新地面試驗技術(shù)、引領(lǐng)激波風洞發(fā)展的成就。這是該國際獎項設立41年來中國學者首次獲獎，也是亞洲科學家首次獲獎。

2017年，JF12復現(xiàn)風洞先后獲得“國家技術(shù)發(fā)明二等獎”和“中國科學院杰出科技成就獎”。

2018年，激波風洞團隊榮獲中華總工會“全國工人先鋒號”。

2016年6月，姜宗林研究員獲得美國航空航天學會地面試驗獎

2017年1月，激波風洞團隊獲得“國家技術(shù)發(fā)明二等獎”

2017年1月，激波風洞團隊獲得“中科院杰出科技成就獎”

再次刷新國際高度

針對飛行高度40-80公里、飛行速度3-10公里/秒的飛行，如何在目前的地面實驗研究中復現(xiàn)真實氣體效應和高溫邊界層物理過程，是現(xiàn)有地面高超聲速風洞遇到的關(guān)鍵難題。研制大型的超高速高焓風洞、發(fā)展相應的高焓風洞實驗測量技術(shù)，對于揭示真實氣體效應和高超聲速邊界層發(fā)展機制、認識高超聲速熱化學反應相關(guān)的相似律和尺度率、評估臨近空間飛行器的氣動特性具有非常重要的意義。JF22超高速風洞將與JF12復現(xiàn)風洞，一同構(gòu)建我國全面覆蓋高超聲速飛行走廊的“地面飛行”實驗平臺，推動高超聲速與高溫氣體動力學學科發(fā)展，支撐我國臨近空間高超聲速飛行器的研發(fā)。

中國科學院院士、中國力學學會理事長楊衛(wèi)在文章評價道：“姜宗林先生正在主持建設一個全新的JF22 超高速風洞，思路從反向爆轟轉(zhuǎn)為正向爆轟。這也是國家自然科學基金資助的重大儀器項目，建成后的實驗所覆蓋的馬赫數(shù)可以達到10-25，其實驗溫度、實驗區(qū)域、實驗時間等指標也都不錯。這個正在建設之中的裝置將為更高速的飛行奠定實驗基礎?！?/p>

JF22爆轟驅(qū)動超高速高焓激波風洞（在建）

牢記使命、創(chuàng)新傳承

團隊秉承錢學森和郭永懷所倡導的以國家需求為己任、勇于研究重大國際前沿學科問題的科研理念，在不斷探索中逐步提高，將創(chuàng)新融入日常的工作，并持之以恒地追求，每一個階段的目標的實現(xiàn)都成為領(lǐng)域內(nèi)的里程碑式的進展。

如今，這支團隊又凝聚了一批青年才俊。團結(jié)和協(xié)作是該團隊的核心價值之一，是“老中青”的結(jié)合，是“傳幫帶”的杰作，是能夠不斷提出創(chuàng)新思想并真正實現(xiàn)的源動力。創(chuàng)新是團隊的特色和任務，也是團隊里每一個角色努力的結(jié)果。他們鑄就了高超聲速“地面飛行”實驗的國際新高度，為祖國空氣動力學事業(yè)譜寫了一曲催人奮進的戰(zhàn)歌。

在新中國成立70周年之際，這支隊伍以行動向祖國交付了一份生動的答卷，詮釋了“何為創(chuàng)新、為何創(chuàng)新、為誰創(chuàng)新”：

創(chuàng)新，是歷史的使命，更是家國的情懷；

創(chuàng)新，是向傳統(tǒng)致敬，更是深厚積淀之后的爆發(fā)；

創(chuàng)新，是個體燦爛的智慧，更是團隊默默無聞的奉獻；

創(chuàng)新，是殉道者般的堅持，更是春暖花開的浪漫。

出品：科普中國

制作：姜宗林 韓桂來 （中國科學院力學研究所）

監(jiān)制：中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心