用整个三峡水电站的功率吹出一阵风，这座地球上最强的风洞有什么用？ | 韩桂来

中科院格致论道讲坛

2024-12-27 17:00发布于北京中科院格致论道讲坛官方账号

用一句时髦的话讲，

钱学森在那个时候挖了一个大坑，

现在全世界的人都在往坑里跳。

韩桂来 · 中国科学院力学研究所研究员

格致论道第30期 | 2018年9月20日成都

大家好，我是韩桂来，来自中国科学院力学研究所。

▲人类最早的飞行器是中国的风筝和火箭

最早的飞行器出现在中国，比如风筝和火箭，但是后来我们掉队了。真正的飞行器是什么时间出现的呢？

▲莱特兄弟和“飞行者”1号

从科学的角度来讲，真正的飞行器出现在1903年——莱特兄弟的“飞行者1号”。其实它的飞行距离很短，只有200多米，但是它带来的意义是非常重大的。

莱特兄弟事先做了大量的科学研究，不仅仅是经验上的诊断，最终靠飞行技术实现飞机飞行。

▲风洞

这是最早的风洞，基于这样的风洞，20世纪还出现了哪些飞行器？

30年代的绝大多数飞机都处于亚声速阶段。到了40年代，超声速的战斗机就已经诞生了，包括我们现在讲的战斗机划代：一代、二代、三代，其中最基本的标准就是能够实现超声速的飞行。

到了60年代，超声速的客机已经诞生，它已经飞到21世纪了。我们可能会问，21世纪到底会飞什么东西？我们现在站在21世纪的前20年，那么21世纪后面的80年，甚至100年、200年、500年后，又会飞哪些东西？

▲钱学森定义了高超声速飞行（hypersonic）

1946年，学界的鼻祖钱学森先生提出了一个“高超声速飞行”的概念（hypersonic），这个概念距今已经70多年。用一句时髦的话讲，钱学森在那个时候挖了一个大坑，现在全世界的人都在往坑里跳。

▲德国V-2火箭

为什么这么说？因为很多国家都在造高超声速飞机。德国的V-2火箭是我们现在认为最早的高超声速飞行器.

▲ X-15航天飞机（左）

高超声速飞机X-43（右）

一直到后来的X-15航天飞机、高超声速飞行器X-43。

▲高超声速滑翔飞行器HTV-2（左）

高超声速飞行器X-51（右）

再到高超声速滑翔飞行器HTV-2和高超声速飞行器X-51。

▲空天战斗机X-37B

包括炒得最火的空天战斗机X-37B。

未来宇航的竞争制高点

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我们将来要研究什么样的飞行器？我觉得新世纪宇航竞争制高点有两个：第一个是高超声速飞机，它能够实现1-2小时的全球到达，即它可以消除时差的概念。

例如，从东半球到西半球有12个小时的时差，飞机飞过去也要12个小时，如果早上8点钟出发，到对方那边还是早上8点钟，我们的身体会很难受。如果能在1-2小时之内到达，时差对我们来说就不是问题了。

第二是空天飞机，这也可能是我这辈子研究的终极目标之一。它能够实现水平起降，从地面起飞，通过两级或多级入轨，送到太空中的轨道，能够实现天地往返。

我认为这是将来高超声速飞行器发展的终极目标，如果它能配合现在的火箭设计进行航天发射，发射成本会下降90％以上，这将是一个划时代的发明。

研究这些飞行器需要一些工具，就像我们平时学习需要书、本、笔、纸等。目前研究飞行器最可靠的手段还是风洞，所以每一个飞行器在真正定型之前，都会在风洞里进行上万次的吹风。

▲一代风洞与一代飞行器

飞行器在天上飞的时候，空气是不动的；然而在地面上做实验时，没有办法实现它飞行的过程，我们就把飞行器固定在一处，用一股高速的气流去作用飞行器，模拟它在天上飞的过程。

通过图片大家能看到，飞行器周围有特殊的流场结构。我研究的内容是Hypersonic（高超音速）和Hypervelocity（超高速）。Hypersonic的一般定义是马赫五以上的飞行，Hypervelocity就是超高速飞行，指5km/s以上的飞行。

飞行器在飞行过程中会跟空气产生相互作用，在不同的高度和速度下会体现出不同的效应。这是一对欢喜冤家，简单来讲就是高速引起高温。飞行器飞得越快，周围的空气温度就会越高，高到难以想象的程度，达到几千甚至上万摄氏度。

飞行器周围的温度和速度的平方成正比，随着飞行器速度提高，温度会在短时间内迅速提升。温度达到2000摄氏度以后，氧分子就会变成氧原子，甚至变成离子，氮分子会变成氮原子，出现一些很复杂的情况，这时候空气不再是我们呼吸的空气了。

例如，有些同学在游泳池里游泳可以游得很好，但是到大海里去游，可能就要喝海水了。再过分一点，如果把你扔到沼泽里，你就没有办法游泳，只能沉下去。我们研究的飞行器就好比要在沼泽里游泳。

▲力学所JF-12复现风洞实验

飞行器的飞行速度从2km/s提高到到10km/s的时候，飞行器周围的空气发光了，说明温度已经非常高。

▲力学所JF-16膨胀风洞实验

目前这些研究内容已经超出了经典气体动力学理论的范畴，我们把空气的组分、时间、化学反应等因素都加进来后，它颠覆了传统相似模拟的准则。传统风洞没有办法做这样的实验，或者说它做出来的实验会跟实际飞行偏差很大。

我们希望能实现地面的飞行实验，需要在地面上建造一个和天上一样或者接近的飞行环境进行实验。

地面实验的苛刻要求

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地面飞行实验有很多方面的要求，总结起来大概有三条。

第一，风洞的马力一定要够大，因为气流的速度很快，已经到了每秒几千米的程度。第二，实验时间要足够长，模拟飞行器在天上飞的过程，要飞出足够远的距离，这样才能获得有效数据。第三，要做相应的测量，而且测量的精度一定要足够高。我们正在想办法解决这三个方面的问题。

▲JF-12复现风洞

下面给大家介绍两款风洞。第一个是JF-12复现风洞，它能够实现1.5-3km/s的飞行，飞行高度在25-50km的范围。

▲JF-22超高速高焓风洞

第二个是JF-22复现风洞，它能够实现3-10km/s的飞行，飞行高度会在40-80km的范围。

有了这两个风洞，马赫5以上的飞行可以实现全覆盖，一直到飞出大气层，我们都可以开展相应的地面实验。

如何来实现地面实验？首先要有足够的驱动功率，马力要足够大。目前利用我们力学所独创的爆轰技术进行驱动，这是燃烧的一种极限形式，它的速度是家用燃气灶灶头速度的1亿倍以上，化学能的释放速度非常快。

它变革了国际上主流的机械压缩模式，因此是一个全新的方式，采用反向爆轰驱动的JF-12复现风洞，有效驱动功率可以达到3000兆瓦。

3000兆瓦是什么概念？我国葛洲坝水利枢纽所有的装机容量是2700兆瓦，所以在风洞工作的那一瞬间，把葛洲坝水利枢纽所有的电都用上，也是不够的。

JF-22复现风洞用的是正向爆轰驱动，它的驱动功率提升了5倍以上，大概是15000兆瓦。三峡的装机容量是22000兆瓦，所以在JF-22工作的那一瞬间，总功率跟三峡是可比的。

整体来讲，这两款风洞的功率非常强，比国际上大部分的风洞强出10倍以上。

第二是长实验时间技术，实验时间一定要足够长。在我们的风洞出现之前，国际上非常先进的激波风洞有两个，一个是美国的LENSⅡ，它的实验时间只有30毫秒。还有日本的HIEST，它的实验时间是2毫秒。

我们的实验时间是多少呢？100毫秒，正常工作时间大概是130毫秒。我们在实验时间上比它们长很多，因此飞行器模型就可以做的比它们大，做的实验就可以比它们先进，这决定了我们在国际上的领先地位。

▲应用多基频干扰波系分离技术处理后的气动力信号曲线

第三个方面是测量。飞行器在飞行过程中所受的力有多大？需要多少升力飞行器才不掉下来？需要多少推力才能推着它往前跑？飞行过程中飞行器要克服多少阻力？很多这样的问题都需要测量。

另外还需要考虑气动热，飞行器在飞行过程中是会烧掉的。因此我们要知道飞行器表面哪个地方最热？热到什么程度？这些都需要做精确的测量。在分离实验两级入轨时，第一级跟第二级之间的分离都需要进行实验研究。

还有一方面是更先进的发动机。把发动机跟飞行器组装到一起，放到风洞里去实验，我们在世界上都达到了最先进的水平。我们用这些风洞做了很多工作，也奠定了我们在国际上的地位。

基于这些技术，我再告诉大家一件很振奋的事情。这些风洞是国际上最先进的，是我们中国人自己做出来的，而且是目前世界风洞史上最辉煌的一笔。

基于这些工作，我们在国际上获得了很大的影响力，也拿到了很多奖项和荣誉，包括美国航空航天学会的地面实验奖、中国国家技术发明奖、中国科学院杰出科技成就奖、中华总工会“工人先锋号”等。

2016年我们拿到了美国航空航天学会的地面试验奖，这个奖项设立于1975年，但这次是中国人第一次拿奖，也是亚洲人第一次拿奖。

在拿到这个奖之前，俞鸿儒院士说，我们被提名就已经很伟大了，但不太可能拿奖，美国人不可能承认我们比他们更先进。最后我们获奖说明中国真的领先了，得到了国际上的认可。

饮水思源

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数典不能忘祖，所以要讲我们从哪来，我们要到哪里去。

在国际宇航领域，我们的前辈钱学森和郭永怀，曾分别是力学所的所长和常务副所长，都是我们力学所早期的先锋人物，两位都是我国“两弹一星”的元勋。

1955年，我们国家营救钱学森回国，他在9月踏上了中国的土地。1956年1月，陈毅副总理亲自批示，我们的力学所成立，距今已经60多年了。

1956年，在钱学森先生的影响之下，郭永怀先生回到了祖国，他们俩一起经营了力学所。

照片中的俞鸿儒院士是钱先生和郭先生的研究生，他是我们的精神领袖。从1958年他进入力学所，就开始研究激波管和激波风洞，到2018年正好60年。

中国人讲“十年磨一剑”，而我们用60年的时间磨了“两把剑”。这“两把剑”都将是国际上最先进的，大概可以领先20-30年。在这20-30年之后，我们可能还会有更多更先进的技术诞生。

照片中还有一位姜宗林老师，就是我的导师，也是我们团队的负责人，他带领我们打造出了这样一个空天实验室。

创新是我们的使命

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实验室位于北京怀柔的雁栖湖畔，是一个非常漂亮的地方。我们在风洞里工作，风洞的总长是265米，是目前国际上规模最大、性能指标最先进的激波风洞。

▲中科院力学所空天实验室

我们有这样一把好的剑，将来也一定可以篆刻出更辉煌的篇章，可以研制出更先进的飞行器。其实，国际上大大小小的风洞有很多座，我今天在这里罗列了一些国际上最典型的、最先进的风洞。

当然所谓的最先进，都是指我们这两座风洞出现之前，这两座风洞一出现，意味着我们是最先进的。在上图中，越是靠右、靠上的部分，意味着性能和指标越先进。

我们的两座风洞可以跟国际上所有先进的风洞去PK，重点在于我们的规模比他们大，我们能够实现地面飞行实验，目前全世界只有这两座风洞可以实现这样的实验条件。

我们在雁栖湖畔，像大雁一样飞过，雁过而栖，踏石留印。那块土地上布满了鹅卵石，我们希望能在鹅卵石上刻下我们的名字，把我们所做的事情都留在那个地方。

有一位同仁总结了我们团队的发展历程，诠释了我们团队发展的历史，以及对创新的理解。

“创新是历史的使命，更是家国的情怀；创新是向传统致敬，更是深厚积淀之后的爆发；创新是个体灿烂的智慧，更是团队默默无闻的奉献；创新是殉道者般的坚持，更是春暖花开的浪漫。”从结果来看，我们确实很浪漫，因为我们是代表中国人走在国际的最前列。

很多人问我在这个团队中的工作经历和感悟。我想说：我是一滴水，但我愿意流进江河，汇进湖海，只求领略这壮阔的波澜。我希望我以及我们今后的这些人，能够在祖国的大环境里，为国家做出更多的贡献。

谢谢大家！

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