未来宇航竞争制高点 高超声速飞机与空天飞机

“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;第二个是空天飞机,这也可能是我这辈子研究的终极目标了。”

从最早的飞行器到“高超声速飞行”

各位朋友大家好,我叫韩桂来,来自中国科学院力学研究所。刚才有老师提到,最早的飞行器出现在中国,比如风筝和火箭,但是我们后来掉队了。那真正的飞行器是什么时间出现的呢?

人类最早的飞行器是中国的风筝和火箭

人类最早的飞行器是中国的风筝和火箭

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,也就200多米,但是它带来的意义是非常重大的。

莱特兄弟和“飞行者”1号

莱特兄弟和“飞行者”1号

因为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,最终把飞机弄起来,靠的是飞行技术。

在这幅图中我们看到的是最早的风洞,基于这样的风洞,20世纪到底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,超声速的客机就已经诞生,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?

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。

钱学森定义了高超声速飞行(hypersonic)

钱学森定义了高超声速飞行(hypersonic)

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,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、高超声速飞行器X-51,包括现在炒得最火的空天战斗机X-37B。

德国V-2火箭

德国V-2火箭

X-15航天飞机;高超声速飞机X-43

X-15航天飞机;高超声速飞机X-43

高超声速滑翔飞行器HTV-2;高超声速飞行器X-51

高超声速滑翔飞行器HTV-2;高超声速飞行器X-51

空天战斗机X-37B

空天战斗机X-37B

未来宇航竞争制高点

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,也就是说它可以消除时差的概念。

比方说,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。也就是说早上8点钟出发,到对方那边还是早上8点钟,这样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。

第二个就是空天飞机,这也可能是我这辈子研究的一个终极目标了。它能够实现水平起降,就是从地面起飞,然后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。对于我们研究飞行器来讲,目前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。

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,然后用一股高速的气流去作用飞行器,模拟它在天上飞的过程。

一代风洞与一代飞行器

一代风洞与一代飞行器

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和Hypervelocity。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很多相互作用,在不同的高度和速度下,它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,有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,温度会在短时间内有很高的提升。在2000摄氏度以后,氧分子就会变成氧原子,甚至会变成离子;氮分子会变成氮原子,会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。

比如说,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,那就没有办法游泳了,你只能沉下去。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

力学所JF-12复现风洞实验

力学所JF-16膨胀风洞实验

力学所JF-16膨胀风洞实验

从图上大家可以看到,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,空气发光说明温度已经非常高了。现在来讲,这些研究内容已经超出了经典气体动力学理论的范畴。

也就是说,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来进行实验。

地面实验的苛刻要求

这样的实验会有很多方面的要求,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,也就是说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。我们要想办法解决这三个方面的问题。

JF-12复现风洞

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。第二个是JF-22复现风洞,它正在建设中,不久后就可以面向大众了。它能够实现3-10km/s的飞行,飞行高度会在40-80km的范围,全都是在大气层之内。

JF-22超高速高焓风洞

JF-22超高速高焓风洞

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

那么如何来实现呢?首先要有足够的驱动功率,也就是马力要足够大。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,就是实验时间一定要足够长。这个技术讲起来很复杂,在这里就给大家罗列几个指标。我们中国人有句话叫“弄斧必到班门”。

在我们这个风洞出现之前,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。还有一个是日本的HIEST,它的实验时间是2毫秒。

那我们的实验时间是多少呢?100毫秒,其实正常工作时间大概是130毫秒,所以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

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。

再有就是分离实验,我刚才提到的两级入轨,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,所以我们是很自豪的。

基于这些工作,我们在国际上有很大的影响力,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。

饮水思源

再插一个题外话,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。因为美国人不可能承认我们比他们更先进。但最后他们还是把奖颁给了我们,这说明我们中国真的领先了,而且得到了国际上的认可。数典不能忘祖,所以要讲我们从哪来,我们要到哪里去。

我们的前辈钱学森和郭永怀,他们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,他们在国际宇航领域都是翘楚,两位都是我国“两弹一星”的元勋。

钱学森的故事,大家可能多多少少都知道一些。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。照片中的这位老者是俞鸿儒院士,他是我们的精神领袖,今年90岁了,他是钱先生和郭先生的研究生。

从1958年他进入力学所,就开始研究激波管,然后研究激波风洞,到今年正好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。但是在这20-30年之后,我们可能还会有更多更先进的技术诞生。

照片中坐在俞先生旁边的姜宗林老师,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

中科院力学所 空天实验室

中科院力学所 空天实验室

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。

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,我们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,就意味着我们是最先进的了。在这幅图中,越是靠右、靠上的部分,就意味着性能和指标越先进。

也就是说,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。

我给大家念一下:“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。所以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。