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先进飞行器的摇篮

发布日期: 2016- 12- 27 文章来源:

姜宗林,北京大学理学博士,中国科学院力学研究所研究员,成为我国高温气体动力学领域的学术带头人,利用十几年的时间,凝聚了一支具有国际影响力的科研团队,逐步把一个部门实验室建设成为国家重点实验室。

担任国际激波研究学会(ISWI)理事长,曾承担国家自然科学基金重大研究计划、重点项目、国家重大科研装备研制项目、国家重大专项项目等二十余项科研项目;曾担任国家自然科学基金、国家863高技术项目、973计划、杰出青年等评审专家。在国内外相关学术刊物上发表学术论文160多篇,获得发明专利授权十余项。

姜宗林不但是我国高温气体动力学的一位领军人,而且一直战斗在科研教育的第一线,在理论、计算和实验等方面都亲力亲为。在JF12复现激波风洞研制过程中,经常深夜奔走在家和65公里外的怀柔钱学森空天实验基地之间。即使在因积劳成疾住院期间,他仍然通过电话、邮件等方式指导科研团队和研究生的科研工作。姜宗林的工作获得多方面的褒奖:2014年获得中国力学科技进步一等奖、中国侨界贡献奖、全国优秀科技工作者,2015年获得中科院优秀指导教师奖、朱李月华优秀教师奖、中科院“优秀共产党员”,2016年获得美国航空航天学会地面试验奖(AIAA Ground Testing Award)、国家技术发明二等奖和中科院杰出科技成就奖。

赵伟,毕业于清华大学工程力学,中国科学院力学研究所博士、研究员,JF12项目工程组副组长。现任高温气动国家重点实验室副主任,兼任党支部书记。在JF12项目启动之初,他负责小型缩比模型风洞的建设和验证任务,当时已经是2006年的11月,为尽快验证新风洞的技术可行性,他用一个月完成了模型风洞的建设方案、图纸设计到器件订购。经过紧张的部件加工、改制,短短两个月后,长21米的模型风洞建设完成,创造了装备建设的高效记录。随后开展的模型风洞验证试验,获得了理想的实验结果,为新风洞的立项奠定了重要的基础。JF12建设过程中,他负责风洞设计方案的具体实施,他协调项目组的设计人员,认真审核实施方案的具体细节,对存疑的方案多方征求意见,反复讨论,确保了风洞设计的顺利完成。记得当时管体支撑方案存在较大争议,由于主管体近100米长,净重超过200吨,需确保管体开闭中保持0.2mm的高精度的配合间隙,且行走无卡阻。当时对是否需要加装弹性支撑结构争议较大,他自己动手给出了4种加装弹性支承的设计方案供讨论,从技术路线和可行性上否定了加装弹性支撑的设计思路,确保了风洞整体机械设计的顺利进行。设备加工期间,他长年奔波于包头(设备总包方)、山东、沈阳,为部件的加工进度和加工质量与加工方交涉协调,虽然经常与加工方为一个技术指标吵得面红耳赤,但由于大家坦诚相待,后期他们都成了要好的合作伙伴。2010年2月设备安装初期,怀柔基地的条件十分艰苦,寒冬腊月,为确保大型部件的吊装和运输,实验室南北的门暂时未安,寒风凛冽中,他租用两辆百吨吊车,带领安装人员冒着严寒,现场坚持三天三夜,完成了长30米竖罐以及15米横罐近百吨巨型试验段和真空仓的吊装。为保证安装进度和装配质量,他长期坚守在怀柔现场,现场绘制数以百计的零件图纸,现场安排机加零件,极大地提高了安装进度,确保了安装质量。在怀柔现场,他和团队当时常常披星戴月,早出晚归,劳动强度极大,常常睡在怀柔办公室,曾有人在他的办公室墙上数了98只打死的蚊子。在他的影响下,团队上下一心,没有怨言,圆满地完成了风洞的总体安装调试。进入风洞气动调试的关键环节,爆轰段管体容积大,爆轰气体量惊人,安全是头等大事。他在抓紧安全常识的同时,常常身体力行地示范关键的操作规程。一次试验,已充完98瓶氢气,但膜片未破,潜在风险巨大,现场十分紧张。关键时刻,他果断地补充氮气,压破了膜片,取得了关键数据,随后他安排清场,仅留一位帮手,去危险区域,亲自操作手动阀门,放空了管道高压氢气,排除了隐患。还有一次混合气体点火意外未爆,又是他仅带帮手,亲自操作阀门放空高压混合气体,排除了安全隐患。展现了作为领队党员,大无畏的奉献精神。

由于卸爆段口径大,金属膜片经高压、高速的爆轰波冲击后,成为高速碎片对设备的损害极大,为尽快解决这一问题,他与设备操作人员一起,反复探索,最终采用薄膜夹多孔板的方式解决了这一问题,确保了风洞的安全运行。高氮含量下氢氧混合气体的混合和起爆是JF12激波风洞的关键技术,特别是在400毫米大口径管体内的起爆特性,直接影响到风洞的设计性能和技术参数。在反复的试验中,他大胆尝试加长点火管,并在点火管上开设独立的氢氧补充气路,使点火区域局部接近氢氧当量比,解决了高氮含量下氢氧混合气体的起爆难题。为使风洞尽快为国家重大工程任务服务,他面对挑战,勇挑重担。一次JF12进行某项航天重大试验任务,前无经验积累,外无参考借鉴,他与任务方多次协调,反复确定试验的每个细节,在试验现场,担任现场总指挥,直到倒计时150分钟的首发试验成功的那一刹那,才放下多日悬着的心。凭着高度的责任心和专业素养,他也因此受到了任务方的高度评价。现在他依然为JF12风洞的建设和应用奋战在科研一线。

刘云峰,中国科学院力学研究所高级工程师,2006年回国,随即加入俞鸿儒院士和姜宗林研究员带领的国际领先的激波风洞科研团队中,并将激波风洞研发和利用作为他自己为之奋斗的事业,转眼间已经坚持了整整十年,将自己最美好的十年奉献给了JF12。当JF12项目正处于理论论证阶段,他还是新手,在俞鸿儒先生和姜宗林研究员的教导下,很快成长为项目的核心人员。他认为,从工作中学到的知识对他是非常重要的,但是从两位科学家身上学到的踏踏实实做人认认真真做事的人生道理更加弥足珍贵。十年来,他从项目的理论论证、设计加工、安装调试、项目验收以及后面的气动力热试验,JF12的每一项工作都有他的身影,参加了几乎所有的试验工作,对JF12的每一个环节都如数家珍。在最艰苦的时间里,他和同事们一周多次开车往返于怀柔基地开展试验研究,确保项目顺利进行。刘云峰提出具有消波新概念的真空系统布局E型结构,完成JF12复现风洞的真空系统结构设计,在有限装备长度内使得风洞真空系统取得了延长实验时间的最大效果。在复现风洞试验应用试验项目中,他负责高超声速气动力方面的研究,对JF12气动力试验能力和精度的标定,在复杂外形飞行器的气动力特性和高温气体效应对气动力影响规律的认知方面做出重要贡献。这十年满载的是他对JF12的热爱和对科学研究的尊重,从不计较个人得失。在他眼里,JF12激波风洞不是一堆钢铁,而是一条“有血有肉的生命”。JF12项目建设虽然结束了,但是在JF12上面开展的国际领先的科研探索研究工作才刚刚开始,他还要继续坚持沿着这条路走下去,期待在JF12上获得更加重要的科研成果。

王春,是本项目研制过程中的团队骨干之一。他是理论分析、数值模拟和实验设计方面的多面手,又因为善于解决疑难问题和挑战新任务,又被称为研究团队中的“救火队长”。

激波管运行的二次波作用机理是本项目设计论证阶段的关键理论问题之一。“小驱动”激波管的二次波到底是压缩波还是激波?在已有的激波管理论中一直是一个悬而未决的问题,已有理论分析和实验研究显示了完全迥异的结果。该问题对于本项目“小驱动”激波风洞设计至关重要,直接影响风洞试验时间能否达到100ms,能否满足设计指标的要求。王春博士通过理论分析和计算流动力学模拟,发现在“小驱动”激波管中,二次波表现为激波串与边界层的相互作用,它既不是单一的激波也不是压缩波,削弱和延缓了二次波对风洞驻室参数平稳性的影响。这一研究成果一方面解释了长期以来理论和实验结果之间差异问题,一方面为本风洞的方案设计提供了理论依据。

 在项目研制过程中,王春主要负责风洞试验段的设计和研制工作。风洞的试验段是风洞试验和测试的重要位置,向来被称为风洞的“基准”和“窗口”。其特点是一旦风洞试验段设计和安装方案确定下来,风洞其它部件的安装都以它为基准,后期风洞实验的模型安装和测试工作都在这里进行,且长期使用不宜改动改造。王春在风洞试验段的设计和研制过程中提出了多个新设计概念,圆满完成了设计和研制任务。

JF-12风洞验收后,王春作为项目负责人承担了若干挑战性的科研任务,包括激波风洞超燃冲压发动机实验、XXX保护罩分离和XXX舱翼分离特种实验。这些风洞实验要求标准高、难度大,且未有成功经验可以借鉴。王春不畏困难、迎难而上,带领研究队伍攻克和解决一些技术难关,完成了这些具有挑战性的实验任务。通过地面风洞实验,帮助型号部门发现了现有模型的设计缺陷,避免了飞行试验的失败,并为型号设计获取了第一手重要试验数据。这些研究工作大大拓展了激波风洞的应用范围,为后续研究工作积累了宝贵的经验。

 

力学所激波风洞团队始于1956年建立的激波管技术组,至今已有60年的历史,目前有固定成员20余人,是高温气体动力学国家重点实验室的一支重要力量,汇集了俞鸿儒院士、姜宗林研究员、赵伟研究员等一批在学术界具有影响力的科学家。2000年以来,激波风洞团队重点攻关复现风洞实验技术,通过自主创新,打造一座中国人自己的激波风洞,提升我国高超声速飞行器的研发水平。2008年,《复现高超声速飞行条件的激波风洞》获得国家财政部和中国科学院联合支持,成为“国家重大科研装备研制项目”的首批试点项目,作为落实国家中长期科学技术发展规划纲要的措施之一,探索国家资金直接支持重大科研装备建设的新途径。

2009年6月,北京市人民政府和中国科学院签署协议,共建中国科学院北京怀柔科教产业园,第一个项目就是钱学森工程科学实验基地,而其中的第一个重大装备就是复现高超声速飞行条件的激波风洞JF12。当时设备研制和房屋建设同步进行,条件比较艰苦。研究团队需要在没有暖气、没有水电、没有食堂、更没有网络的条件下进行设计、加工、建造、安装调试。研究和施工人员用盒饭支撑了两年的安装调试,取得“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”的漂亮答卷!设备建成之初,第一次进行点火试验时,项目负责人姜宗林非常紧张,因为该装备属世界首创,没有经验可循,虽然此前已经从理论上经过严格的论证,但谁也不能保证实际爆轰会产生怎样的结果。

2012年5月14日,JF12风洞通过验收。专家委员会一致认为,该项目面向国家重大科技项目和学科基础研究需求,利用中科院力学所独创的反向爆轰驱动方法及一系列激波风洞创新技术,研制成功了国际首座可复现25—40公里高空、马赫数5—9飞行条件、喷管出口直径2.5米/1.5米、试验气体为洁净空气、试验时间超过100毫秒的超大型高超声速激波风洞,整体性能处于国际领先水平。该风洞具有高超声速飞行器试验的地面复现能力,为我国重大工程项目的关键技术突破和高温气体动力学基础研究提供了不可替代的试验手段。

复现风洞理论和技术解决了困扰高超声速地面试验六十年的世界难题,实现了风洞试验状态从流动“模拟”到“复现”的跨越,引领了国际先进风洞实验技术的发展。中国空气动力学学会前理事长、著名空气动力学家张涵信院士参观JF12激波风洞后,在留言簿上写下感言:“创新理论,成功实践,中国制造,世界领先”。

美国宇航(Aerospace America)期刊分别于2008年和2015年对研究团队的风洞技术进行国际进展综述报道。团队负责人姜宗林受邀在29届国际激波会议(ISSW29)、美国宇航学会科技会议(AIAA SciTech 2014)等国际会议上介绍JF12复现风洞的长实验时间技术。美国国防部在提交国会的年度报告中连续三年重点关注JF12的研究进展。

研究团队先后获得中国力学科技进步一等奖(2014)、钱学森力学奖(2015)、2016年度美国航空航天学会地面试验奖 (AIAA Ground testing Award for 2016)、国家技术发明二等奖(2016)和中国科学院杰出科技成就奖(2016)等科技奖项。

团队的学术骨干在国际学术机构担任重要职务,提升了我国在国际宇航领域的影响。团队集体培养的四十多名博士生和硕士生已经成为我国宇航技术相关单位的青年科研力量。基于JF12复现风洞的空天飞行器实验室成为“钱学森国家工程科学实验基地”的主要组成部分,并支撑了国家重大专项两个分中心的建设和发展。

 

获奖项目:复现高超声速飞行条件激波风洞实验技术

主要完成人:姜宗林(中国科学院力学研究所),赵伟(中国科学院力学研究所),刘云峰(中国科学院力学研究所),王春(中国科学院力学研究所),李进平(中国科学院力学研究所),俞鸿儒(中国科学院力学研究所)

 

 

 


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