未來宇航競爭制高點(diǎn) 高超聲速飛機(jī)與空天飛機(jī)

“我覺得新世紀(jì)宇航競爭制高點(diǎn)有兩個：第一個是高超聲速飛機(jī);第二個是空天飛機(jī)，這也可能是我這輩子研究的終極目標(biāo)了。”

從最早的飛行器到“高超聲速飛行”

各位朋友大家好，我叫韓桂來，來自中國科學(xué)院力學(xué)研究所。剛才有老師提到，最早的飛行器出現(xiàn)在中國，比如風(fēng)箏和火箭，但是我們后來掉隊(duì)了。那真正的飛行器是什么時間出現(xiàn)的呢?

人類最早的飛行器是中國的風(fēng)箏和火箭

從科學(xué)的角度來講，真正的飛行器出現(xiàn)在1903年——萊特兄弟的“飛行者1號”。其實(shí)它的飛行距離很短，也就200多米，但是它帶來的意義是非常重大的。

萊特兄弟和“飛行者”1號

因?yàn)槿R特兄弟事先做了大量的科學(xué)研究，不僅僅是經(jīng)驗(yàn)上的診斷，最終把飛機(jī)弄起來，靠的是飛行技術(shù)。

在這幅圖中我們看到的是最早的風(fēng)洞，基于這樣的風(fēng)洞，20世紀(jì)到底還出現(xiàn)了哪些飛行器?30年代的絕大多數(shù)飛機(jī)都處于亞聲速階段。

到了40年代，超聲速的戰(zhàn)斗機(jī)就已經(jīng)誕生了，包括我們現(xiàn)在講的戰(zhàn)斗機(jī)劃代：一代、二代、三代，其中最基本的標(biāo)準(zhǔn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)超聲速的飛行。

到了60年代，超聲速的客機(jī)就已經(jīng)誕生，它已經(jīng)飛到21世紀(jì)了。我們可能會問，21世紀(jì)到底會飛什么東西?我們現(xiàn)在站在21世紀(jì)的前20年，那么21世紀(jì)后面的80年，甚至100年、200年、500年后，又會飛哪些東西?

1946年，學(xué)界的鼻祖錢學(xué)森先生提出了一個“高超聲速飛行”的概念(hypersonic)，這個概念距今已經(jīng)70多年。用一句時髦的話講，錢學(xué)森在那個時候挖了一個大坑，現(xiàn)在全世界的人都在往坑里跳。

錢學(xué)森定義了高超聲速飛行(hypersonic)

為什么這么說?因?yàn)楹芏鄧叶荚谠旄叱曀亠w機(jī)。德國的V-2火箭是我們現(xiàn)在認(rèn)為最早的高超聲速飛行器，一直到后來的X-15航天飛機(jī)，高超聲速飛行器X-43、高超聲速滑翔飛行器HTV-2、高超聲速飛行器X-51，包括現(xiàn)在炒得最火的空天戰(zhàn)斗機(jī)X-37B。

德國V-2火箭

X-15航天飛機(jī);高超聲速飛機(jī)X-43

高超聲速滑翔飛行器HTV-2;高超聲速飛行器X-51

空天戰(zhàn)斗機(jī)X-37B

未來宇航競爭制高點(diǎn)

我們將來要研究什么樣的飛行器?我覺得新世紀(jì)宇航競爭制高點(diǎn)有兩個：第一個是高超聲速飛機(jī)，它能夠?qū)崿F(xiàn)1-2小時的全球到達(dá)，也就是說它可以消除時差的概念。

比方說，從東半球到西半球有12個小時的時差，飛機(jī)飛過去也要12個小時。也就是說早上8點(diǎn)鐘出發(fā)，到對方那邊還是早上8點(diǎn)鐘，這樣我們的身體會很難受。如果能在1-2小時之內(nèi)到達(dá)，時差對我們來說就不是問題了。

第二個就是空天飛機(jī)，這也可能是我這輩子研究的一個終極目標(biāo)了。它能夠?qū)崿F(xiàn)水平起降，就是從地面起飛，然后通過兩級或多級入軌，送到太空中的軌道，能夠?qū)崿F(xiàn)天地往返。

我認(rèn)為這是將來高超聲速飛行器發(fā)展的終極目標(biāo)，如果它能配合現(xiàn)在的火箭設(shè)計(jì)進(jìn)行航天發(fā)射，發(fā)射成本會下降90%以上，這將是一個劃時代的發(fā)明。

研究這些飛行器需要一些工具，就像我們平時學(xué)習(xí)需要書、本、筆、紙等。對于我們研究飛行器來講，目前最可靠的手段還是風(fēng)洞。所以每一個飛行器在真正定型之前，都會在風(fēng)洞里進(jìn)行上萬次的吹風(fēng)。

飛行器在天上飛的時候，空氣是不動的;然而在地面上做實(shí)驗(yàn)時，沒有辦法實(shí)現(xiàn)它飛行的過程，我們就把飛行器固定在一處，然后用一股高速的氣流去作用飛行器，模擬它在天上飛的過程。

一代風(fēng)洞與一代飛行器

通過圖片大家能看到飛行器周圍有特殊的流場結(jié)構(gòu)。我研究的內(nèi)容是Hypersonic和Hypervelocity。Hypersonic的一般定義是馬赫五以上的飛行，Hypervelocity就是超高速飛行，指5km/s以上的飛行。

飛行器在飛行過程中會跟空氣產(chǎn)生很多相互作用，在不同的高度和速度下，它會體現(xiàn)出不同的效應(yīng)。這是一對歡喜冤家，簡單來講就是高速引起高溫。飛行器飛得越快，周圍的空氣溫度就會越高，高到難以想象的程度，有幾千甚至上萬攝氏度。

飛行器周圍的溫度和速度的平方成正比，隨著飛行器速度提高，溫度會在短時間內(nèi)有很高的提升。在2000攝氏度以后，氧分子就會變成氧原子，甚至?xí)兂呻x子;氮分子會變成氮原子，會出現(xiàn)一些很復(fù)雜的情況。這時候空氣不再是我們呼吸的空氣了。

比如說，有些同學(xué)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。再過分一點(diǎn)，如果把你扔到沼澤里，那就沒有辦法游泳了，你只能沉下去。我們研究的飛行器就好比要在沼澤里游泳。

力學(xué)所JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

力學(xué)所JF-16膨脹風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

從圖上大家可以看到，飛行器的飛行速度從2km/s提高到到10km/s的時候，飛行器周圍的空氣發(fā)光了，空氣發(fā)光說明溫度已經(jīng)非常高了。現(xiàn)在來講，這些研究內(nèi)容已經(jīng)超出了經(jīng)典氣體動力學(xué)理論的范疇。

也就是說，我們把空氣的組分、時間、化學(xué)反應(yīng)等因素都加進(jìn)來后，它顛覆了傳統(tǒng)相似模擬的準(zhǔn)則。傳統(tǒng)風(fēng)洞沒有辦法做這樣的實(shí)驗(yàn)，或者說它做出來的實(shí)驗(yàn)會跟實(shí)際飛行偏差很大。我們希望能實(shí)現(xiàn)地面的飛行實(shí)驗(yàn)，需要在地面上建造一個和天上一樣或者接近的飛行環(huán)境來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

地面實(shí)驗(yàn)的苛刻要求

這樣的實(shí)驗(yàn)會有很多方面的要求，總結(jié)起來大概有三條：第一，風(fēng)洞的馬力一定要夠大，因?yàn)闅饬鞯乃俣群芸欤呀?jīng)到了每秒幾千米的程度。第二，實(shí)驗(yàn)時間要足夠長，也就是說模擬飛行器在天上飛的過程，要飛出足夠遠(yuǎn)的距離，這樣才能獲得有效數(shù)據(jù)。第三，要做相應(yīng)的測量，而且測量的精度一定要足夠高。我們要想辦法解決這三個方面的問題。

JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞

下面給大家介紹兩款風(fēng)洞，第一個是JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞，它能夠?qū)崿F(xiàn)1.5-3km/s的飛行，飛行高度在25-50km的范圍。第二個是JF-22復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞，它正在建設(shè)中，不久后就可以面向大眾了。它能夠?qū)崿F(xiàn)3-10km/s的飛行，飛行高度會在40-80km的范圍，全都是在大氣層之內(nèi)。

JF-22超高速高焓風(fēng)洞

有了這兩個風(fēng)洞，馬赫5以上的飛行就可以實(shí)現(xiàn)全覆蓋了，一直到飛出大氣層，我們都可以開展相應(yīng)的地面實(shí)驗(yàn)。

那么如何來實(shí)現(xiàn)呢?首先要有足夠的驅(qū)動功率，也就是馬力要足夠大。目前利用我們力學(xué)所獨(dú)創(chuàng)的爆轟技術(shù)進(jìn)行驅(qū)動，這是燃燒的一種極限形式，它的速度是家用燃?xì)庠钤铑^速度的1億倍以上，化學(xué)能的釋放速度非常快。

它變革了國際上主流的機(jī)械壓縮模式，因此是一個全新的方式。采用反向爆轟驅(qū)動的JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞，有效驅(qū)動功率可以達(dá)到3000兆瓦。3000兆瓦是什么概念?我國葛洲壩水利樞紐所有的裝機(jī)容量是2700兆瓦，所以在風(fēng)洞工作的那一瞬間，把葛洲壩水利樞紐所有的電都用上，也是不夠的。

JF-22復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞用的是正向爆轟驅(qū)動，它的驅(qū)動功率提升了5倍以上，大概是15000兆瓦。三峽的裝機(jī)容量是22000兆瓦，所以在JF-22工作的那一瞬間，總功率跟三峽是可比的。整體來講，這兩款風(fēng)洞的功率非常強(qiáng)，比國際上大部分的風(fēng)洞強(qiáng)出10倍以上。

第二是長實(shí)驗(yàn)時間技術(shù)，就是實(shí)驗(yàn)時間一定要足夠長。這個技術(shù)講起來很復(fù)雜，在這里就給大家羅列幾個指標(biāo)。我們中國人有句話叫“弄斧必到班門”。

在我們這個風(fēng)洞出現(xiàn)之前，國際上非常先進(jìn)的激波風(fēng)洞有兩個，一個是美國的LENSⅡ，它的實(shí)驗(yàn)時間只有30毫秒。還有一個是日本的HIEST，它的實(shí)驗(yàn)時間是2毫秒。

那我們的實(shí)驗(yàn)時間是多少呢?100毫秒，其實(shí)正常工作時間大概是130毫秒，所以我們在實(shí)驗(yàn)時間上比它們長很多，因此飛行器模型就可以做的比它們大，做的實(shí)驗(yàn)就可以比它們先進(jìn)，這決定了我們在國際上的領(lǐng)先地位。

應(yīng)用多基頻干擾波系分離技術(shù)處理后的氣動力信號曲線

第三個方面是測量。飛行器在飛行過程中所受的力有多大?需要多少升力飛行器才不掉下來?需要多少推力才能推著它往前跑?飛行過程中飛行器要克服多少阻力?很多這樣的問題都需要測量。

另外還需要考慮氣動熱，飛行器在飛行過程中是會燒掉的。因此我們要知道飛行器表面哪個地方最熱?熱到什么程度?這些都需要做精確的測量。

再有就是分離實(shí)驗(yàn)，我剛才提到的兩級入軌，第一級跟第二級之間的分離都需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

還有一方面是更先進(jìn)的發(fā)動機(jī)。把發(fā)動機(jī)跟飛行器組裝到一起，放到風(fēng)洞里去實(shí)驗(yàn)，我們在世界上都達(dá)到了最先進(jìn)的水平。我們用這些風(fēng)洞做了很多工作，也奠定了我們在國際上的地位。

基于這些技術(shù)，我再告訴大家一件很振奮的事情。這些風(fēng)洞是國際上最先進(jìn)的，是我們中國人自己做出來的，而且是目前世界風(fēng)洞史上最輝煌的一筆，所以我們是很自豪的。

基于這些工作，我們在國際上有很大的影響力，也拿到了很多獎項(xiàng)和榮譽(yù)，包括美國航空航天學(xué)會的地面實(shí)驗(yàn)獎、中國國家技術(shù)發(fā)明獎、中國科學(xué)院杰出科技成就獎、中華總工會“工人先鋒號”等。

飲水思源

再插一個題外話，2016年我們拿到了美國航空航天學(xué)會的地面試驗(yàn)獎。這個獎項(xiàng)設(shè)立于1975年，但這次是中國人第一次拿獎，也是亞洲人第一次拿獎。

在拿到這個獎之前，俞鴻儒院士說，我們被提名就已經(jīng)很偉大了，但不太可能拿獎。因?yàn)槊绹瞬豢赡艹姓J(rèn)我們比他們更先進(jìn)。但最后他們還是把獎頒給了我們，這說明我們中國真的領(lǐng)先了，而且得到了國際上的認(rèn)可。數(shù)典不能忘祖，所以要講我們從哪來，我們要到哪里去。

我們的前輩錢學(xué)森和郭永懷，他們曾分別是力學(xué)所的所長和常務(wù)副所長，都是我們力學(xué)所早期的先鋒人物，他們在國際宇航領(lǐng)域都是翹楚，兩位都是我國“兩彈一星”的元勛。

錢學(xué)森的故事，大家可能多多少少都知道一些。1955年，我們國家營救錢學(xué)森回國，他在9月踏上了中國的土地。1956年1月，陳毅副總理親自批示，我們的力學(xué)所成立，距今已經(jīng)60多年了。

1956年，在錢學(xué)森先生的影響之下，郭永懷先生回到了祖國，他們倆一起經(jīng)營了力學(xué)所。照片中的這位老者是俞鴻儒院士，他是我們的精神領(lǐng)袖，今年90歲了，他是錢先生和郭先生的研究生。

從1958年他進(jìn)入力學(xué)所，就開始研究激波管，然后研究激波風(fēng)洞，到今年正好60年。中國人講“十年磨一劍”，而我們用60年的時間磨了“兩把劍”。這“兩把劍”都將是國際上最先進(jìn)的，大概可以領(lǐng)先20-30年。但是在這20-30年之后，我們可能還會有更多更先進(jìn)的技術(shù)誕生。

照片中坐在俞先生旁邊的姜宗林老師，就是我的導(dǎo)師，也是我們團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人，他帶領(lǐng)我們打造出了這樣一個空天實(shí)驗(yàn)室。

創(chuàng)新是我們的使命

中科院力學(xué)所 空天實(shí)驗(yàn)室

實(shí)驗(yàn)室位于北京懷柔的雁棲湖畔，是一個非常漂亮的地方。我們在風(fēng)洞里工作，風(fēng)洞的總長是265米，是目前國際上規(guī)模最大、性能指標(biāo)最先進(jìn)的激波風(fēng)洞。

我們有這樣一把好的劍，將來也一定可以篆刻出更輝煌的篇章，我們可以研制出更先進(jìn)的飛行器。其實(shí)，國際上大大小小的風(fēng)洞有很多座，我今天在這里羅列了一些國際上最典型的、最先進(jìn)的風(fēng)洞。

當(dāng)然所謂的最先進(jìn)，都是指我們這兩座風(fēng)洞出現(xiàn)之前，這兩座風(fēng)洞一出現(xiàn)，就意味著我們是最先進(jìn)的了。在這幅圖中，越是靠右、靠上的部分，就意味著性能和指標(biāo)越先進(jìn)。

也就是說，我們的兩座風(fēng)洞可以跟國際上所有先進(jìn)的風(fēng)洞去PK，重點(diǎn)在于我們的規(guī)模比他們大，我們能夠?qū)崿F(xiàn)地面飛行實(shí)驗(yàn)，目前全世界只有這兩座風(fēng)洞可以實(shí)現(xiàn)這樣的實(shí)驗(yàn)條件。

我們在雁棲湖畔，像大雁一樣飛過，雁過而棲，踏石留印。那塊土地上布滿了鵝卵石，我們希望能在鵝卵石上刻下我們的名字，把我們所做的事情都留在那個地方。有一位同仁總結(jié)了我們團(tuán)隊(duì)的發(fā)展歷程，詮釋了我們團(tuán)隊(duì)發(fā)展的歷史，以及對創(chuàng)新的理解。

我給大家念一下：“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(tuán)隊(duì)默默無聞的奉獻(xiàn);創(chuàng)新是殉道者般的堅(jiān)持，更是春暖花開的浪漫。”從結(jié)果來看，我們確實(shí)很浪漫，因?yàn)槲覀兪谴碇袊俗咴趪H的最前列。

很多人問我在這個團(tuán)隊(duì)中的工作經(jīng)歷和感悟。我想說：我是一滴水，但我愿意流進(jìn)江河，匯進(jìn)湖海，只求領(lǐng)略這壯闊的波瀾。所以我希望我以及我們今后的這些人，能夠在祖國的大環(huán)境里，為國家做出更多的貢獻(xiàn)。

標(biāo)簽： 宇航 競爭 高超聲速 空天飛機(jī)