首個(gè)“中國風(fēng)洞”誕生始末：托起空天飛機(jī)的“巨龍”

JF-12激波風(fēng)洞

位于北京近郊的錢學(xué)森工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地的空天飛行器實(shí)驗(yàn)室，靜靜地盤踞著一條誕生不久的“巨龍”，國外同行稱之為“Hyper-Dragon”（意為超級(jí)巨龍）。這條長260多米的中國“巨龍”，便是第一個(gè)完全由中國人自主研發(fā)、目前在國際上最先進(jìn)的高超聲速風(fēng)洞，名叫JF-12。

JF-12作為眾多“JF系列”風(fēng)洞中的一個(gè)，為什么如此特別？那要先從它的定位講起。

說起風(fēng)洞，普通人或許對(duì)它還有些陌生。但在空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，它卻是最常用、最有效的實(shí)驗(yàn)工具。風(fēng)洞是在地面上模擬飛行器空中的飛行狀態(tài)，研究高速氣流與飛行器相互作用的規(guī)律，提供飛行器設(shè)計(jì)需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的裝備。風(fēng)洞是航空航天飛行器的“搖籃”，一架先進(jìn)飛行器不在風(fēng)洞里做幾千上萬次試驗(yàn)研究，是絕對(duì)飛不上天的。可以說風(fēng)洞代表了一個(gè)國家在航空航天領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的能力與水平。

區(qū)分不同類型風(fēng)洞最主要的一個(gè)指標(biāo)為“馬赫”數(shù)，即能夠達(dá)到幾倍的聲速。一般來講，民用飛機(jī)的速度約為0.8馬赫（0.8倍聲速），最先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)的飛行速度為2～3馬赫。而JF-12激波風(fēng)洞，馬赫數(shù)為5~9，并復(fù)現(xiàn)了總溫、總壓。也就是說，它研究的是被錢學(xué)森定義為“高超聲速”的飛行條件。

先進(jìn)風(fēng)洞的缺乏，制約著高超聲速飛行器的研發(fā)。對(duì)于世界各國來說都是如此。

自主創(chuàng)新，全面超越

目前世界上常用的高超聲速風(fēng)洞有兩類。一類是以日本的HIEST風(fēng)洞為代表的自由活塞驅(qū)動(dòng)風(fēng)洞，另一類是加熱輕氣體驅(qū)動(dòng)的風(fēng)洞，如美國的LENS風(fēng)洞。然而這兩種風(fēng)洞依然具有難以根除的“頑疾”：HIEST有著氣流不平穩(wěn)，試驗(yàn)時(shí)間短（僅幾個(gè)毫秒）的致命缺陷；美國LENS系列激波風(fēng)洞代表目前國際最先進(jìn)水平，但它使用大量氫氣或氦氣，成本昂貴且極度危險(xiǎn)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)間和尺度擴(kuò)展等方面也有很大局限性。

在JF-12誕生之前，我國風(fēng)洞建設(shè)基本上走的仍是“跟蹤仿制”路線。不自主創(chuàng)新，又如何去超越？我國的科學(xué)家一直在思考，在風(fēng)洞技術(shù)上，中國能不能走出一條自主創(chuàng)新之路？

這個(gè)機(jī)會(huì)終于來了。在獲得“國家重大科研裝備研制項(xiàng)目”的支持后，“復(fù)現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風(fēng)洞”項(xiàng)目2008年1月正式啟動(dòng)。該項(xiàng)目并不是“盲目上馬”，而是建立在中科院力學(xué)研究所俞鴻儒院士和高溫氣體動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在氫氧爆轟方法50年積累和爆轟驅(qū)動(dòng)風(fēng)洞技術(shù)15年探索的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)上，一直以來都在尋求風(fēng)洞建設(shè)自主創(chuàng)新的科學(xué)家們一致認(rèn)為：時(shí)機(jī)成熟了。

經(jīng)過前后4年多的建設(shè)，2012年5月14日J(rèn)F-12激波風(fēng)洞順利驗(yàn)收。驗(yàn)收委員會(huì)一致認(rèn)為：“該項(xiàng)目利用中科院力學(xué)所獨(dú)創(chuàng)的反向爆轟驅(qū)動(dòng)方法，是國際首座超大型高超聲速激波風(fēng)洞，整體性能處于國際領(lǐng)先水平。”JF-12的主要性能指標(biāo)——馬赫數(shù)5~9，試驗(yàn)時(shí)間100ms，試驗(yàn)氣體為純凈空氣，試驗(yàn)段直徑3.5米，全部超越LENS激波風(fēng)洞。

中國制造，世界艷羨

JF-12激波風(fēng)洞的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，中科院力學(xué)所高溫氣體動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、研究員姜宗林介紹，“JF12風(fēng)洞265米的‘身長’使其能夠提供更長的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，高超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)需要的實(shí)驗(yàn)時(shí)間至少需要60到70毫秒，我們已經(jīng)能做到100毫秒，國外的相關(guān)風(fēng)洞大約為30毫秒。我們的噴管直徑可達(dá)2.5米，實(shí)驗(yàn)艙直徑3.5米，都明顯優(yōu)于國外同類風(fēng)洞。JF12風(fēng)洞里的‘風(fēng)’，速度最高可達(dá)9馬赫，溫度可達(dá)3000攝氏度左右。而9馬赫意味著，從北京到紐約的飛行時(shí)間，可以由現(xiàn)在的14小時(shí)縮短到2小時(shí)。”

中國科學(xué)院院士、我國空氣動(dòng)力學(xué)家張涵信院士參觀JF12激波風(fēng)洞后有感而發(fā)，概括為十六個(gè)字：“創(chuàng)新理論、成功實(shí)踐、中國制造、世界領(lǐng)先”。

JF-12這條“巨龍”甫一出世，便吸引了國內(nèi)外高超聲速科技研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。國際著名的激波物理學(xué)者Takayama教授曾寫信給姜宗林，稱贊道：“據(jù)我所知，這個(gè)設(shè)備是國際唯一的。”并表示希望風(fēng)洞對(duì)國際基礎(chǔ)研究開放。

目前，JF-12風(fēng)洞已應(yīng)用于國家重大專項(xiàng)以及相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)研究。該風(fēng)洞建成一年來，姜宗林等研制人員多次受邀到國際學(xué)術(shù)交流大會(huì)作報(bào)告，向世界介紹“中國風(fēng)洞”。

財(cái)力不足，智慧彌補(bǔ)

JF-12的建設(shè)費(fèi)用僅為4600萬。如何用這么少的錢，建設(shè)出如此大型、國際領(lǐng)先的科研設(shè)備？姜宗林微笑著總結(jié)了一句話：“我們用智慧彌補(bǔ)國家財(cái)力的不足”。他舉例說，比如僅一項(xiàng)“三個(gè)喉道匹配一個(gè)噴管”的獨(dú)創(chuàng)設(shè)計(jì)，就能節(jié)省上百萬的科研費(fèi)用。

不僅是工程造價(jià)低，JF-12風(fēng)洞每次的運(yùn)行費(fèi)用也非常便宜——還不到5000人民幣。在外國同行看來，這簡直是“難以置信”。

兩年盒飯，一次成功

談到設(shè)備研制，姜宗林自豪地表示，JF-12研制中的關(guān)鍵思想、解決方案、材料、器件……這些“都是我們自己的”。他還告訴記者，風(fēng)洞建設(shè)過程中所有的圖紙都是團(tuán)隊(duì)自己畫好，然后再拿出去加工的。

“有多少問題，就有幾多創(chuàng)意，辦法總比問題多！”姜宗林總結(jié)了JF-12建設(shè)的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，更回味了“夏熱冬冷，兩年盒飯”的幾度辛苦。“從學(xué)術(shù)成果，到工程方案，突破了五項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)”，并最終取得了“一次安裝到位、一次調(diào)試成功，一次驗(yàn)收合格，一次獲得試驗(yàn)結(jié)果”的完美成果。

作為我國自主研制的大型科研裝備，JF-12風(fēng)洞“十大分系統(tǒng)”涉及來自不同的加工廠家，從機(jī)械到電子、從真空到高壓，分門別類大大小小成千上萬個(gè)零部件。也許只有經(jīng)歷過的人才會(huì)知道，能夠做到“一次成功”究竟有多么不易。

正因如此，姜宗林在研制總結(jié)報(bào)告的末頁寫下了這樣的感慨：“歷時(shí)四年，JF-12激波風(fēng)洞從概念驗(yàn)證、風(fēng)洞設(shè)計(jì)、部件加工、系統(tǒng)安裝、整體調(diào)試、性能試驗(yàn)到現(xiàn)場測試，項(xiàng)目組幾多坎坷，幾多艱辛，終于不辱使命，完成任務(wù)！”

不知道花了多少納稅人的錢