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前沿拓展：

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你知道嗎？作為新世紀宇航競爭制高點的高超聲速飛機，它所依托的“高超聲速飛行”的理念是由錢學森先生提出，并造就了接下來70年之內的各式各樣的超聲速飛機。那么，高超聲速飛機的運行原理是什么？“高超聲速飛行”的理念又給我國航空事業的發展帶來了怎樣的影響呢？

出品："SELF格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

以下內容為中國科學院力學研究所韓桂來演講實錄：

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，來自中國科學院力學研究所。剛才有老師提到，最早的飛行器出現在中國，比如風箏和火箭，但是我們后來掉隊了。那真正的飛行器是什么時間出現的呢？

人類最早的飛行器是中國的風箏和火箭

從科學的角度來講，真正的飛行器出現在1903年——萊特兄弟的“飛行者1號”。其實它的飛行距離很短，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

因為萊特兄弟事先做了大量的科學研究，不僅僅是經驗上的診斷，最終把飛機弄起來，靠的是飛行技術。

在這幅圖中我們看到的是最早的風洞，基于這樣的風洞，20世紀到底還出現了哪些飛行器？30年代的絕大多數飛機都處于亞聲速階段。

到了40年代，超聲速的戰斗機就已經誕生了，包括我們現在講的戰斗機劃代：一代、二代、三代，其中最基本的標準就是能夠實現超聲速的飛行。

到了60年代，超聲速的客機就已經誕生，它已經飛到21世紀了。我們可能會問，21世紀到底會飛什么東西？我們現在站在21世紀的前20年，那么21世紀后面的80年，甚至100年、200年、500年后，又會飛哪些東西？

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

錢學森定義了高超聲速飛行（hypersonic）

為什么這么說？因為很多國家都在造高超聲速飛機。德國的V-2火箭是我們現在認為最早的高超聲速飛行器，一直到后來的X-15航天飛機，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，包括現在炒得最火的空天戰斗機X-37B。

德國V-2火箭

X-15航天飛機；高超聲速飛機X-43

高超聲速滑翔飛行器HTV-2；高超聲速飛行器X-51

空天戰斗機X-37B

未來宇航競爭制高點

我們將來要研究什么樣的飛行器？我覺得新世紀宇航競爭制高點有兩個：第一個是高超聲速飛機，它能夠實現1-2小時的全球到達，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，飛機飛過去也要12個小時。也就是說早上8點鐘出發，到對方那邊還是早上8點鐘，這樣我們的身體會很難受。如果能在1-2小時之內到達，時差對我們來說就不是問題了。

第二個就是空天飛機，這也可能是我這輩子研究的一個終極目標了。它能夠實現水平起降，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，能夠實現天地往返。

我認為這是將來高超聲速飛行器發展的終極目標，如果它能配合現在的火箭設計進行航天發射，發射成本會下降90％以上，這將是一個劃時代的發明。

研究這些飛行器需要一些工具，就像我們平時學習需要書、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洞。所以每一個飛行器在真正定型之前，都會在風洞里進行上萬次的吹風。

飛行器在天上飛的時候，空氣是不動的；然而在地面上做實驗時，沒有辦法實現它飛行的過程，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構。我研究的內容是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生很多相互作用，在不同的高度和速度下，它會體現出不同的效應。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，甚至會變成離子；氮分子會變成氮原子，會出現一些很復雜的情況。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，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。

力學所JF-12復現風洞實驗

力學所JF-16膨脹風洞實驗

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光了，空氣發光說明溫度已經非常高了。現在來講，這些研究內容已經超出了經典氣體動力學理論的范疇。

也就是說，我們把空氣的組分、時間、化學反應等因素都加進來后，它顛覆了傳統相似模擬的準則。傳統風洞沒有辦法做這樣的實驗，或者說它做出來的實驗會跟實際飛行偏差很大。我們希望能實現地面的飛行實驗，需要在地面上建造一個和天上一樣或者接近的飛行環境來進行實驗。

地面實驗的苛刻要求

這樣的實驗會有很多方面的要求，總結起來大概有三條：第一，風洞的馬力一定要夠大，因為氣流的速度很快，已經到了每秒幾千米的程度。第二，實驗時間要足夠長，也就是說模擬飛行器在天上飛的過程，要飛出足夠遠的距離，這樣才能獲得有效數據。第三，要做相應的測量，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復現風洞

下面給大家介紹兩款風洞，第一個是JF-12復現風洞，它能夠實現1.5-3km/s的飛行，飛行高度在25-50km的范圍。第二個是JF-22復現風洞，它正在建設中，不久后就可以面向大眾了。它能夠實現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。

JF-22超高速高焓風洞

有了這兩個風洞，馬赫5以上的飛行就可以實現全覆蓋了，一直到飛出大氣層，我們都可以開展相應的地面實驗。

那么如何來實現呢？首先要有足夠的驅動功率，也就是馬力要足夠大。目前利用我們力學所獨創的爆轟技術進行驅動，這是燃燒的一種極限形式，它的速度是家用燃氣灶灶頭速度的1億倍以上，化學能的釋放速度非常快。

它變革了國際上主流的機械壓縮模式，因此是一個全新的方式。采用反向爆轟驅動的JF-12復現風洞，有效驅動功率可以達到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容量是2700兆瓦，所以在風洞工作的那一瞬間，把葛洲壩水利樞紐所有的電都用上，也是不夠的。

JF-22復現風洞用的是正向爆轟驅動，它的驅動功率提升了5倍以上，大概是15000兆瓦。三峽的裝機容量是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，這兩款風洞的功率非常強，比國際上大部分的風洞強出10倍以上。

第二是長實驗時間技術，就是實驗時間一定要足夠長。這個技術講起來很復雜，在這里就給大家羅列幾個指標。我們中國人有句話叫“弄斧必到班門”。

在我們這個風洞出現之前，國際上非常先進的激波風洞有兩個，一個是美國的LENSⅡ，它的實驗時間只有30毫秒。還有一個是日本的HIEST，它的實驗時間是2毫秒。

那我們的實驗時間是多少呢？100毫秒，其實正常工作時間大概是130毫秒，所以我們在實驗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，做的實驗就可以比它們先進，這決定了我們在國際上的領先地位。

應用多基頻干擾波系分離技術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。

再有就是分離實驗，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行實驗研究。

還有一方面是更先進的發動機。把發動機跟飛行器組裝到一起，放到風洞里去實驗，我們在世界上都達到了最先進的水平。我們用這些風洞做了很多工作，也奠定了我們在國際上的地位。

基于這些技術，我再告訴大家一件很振奮的事情。這些風洞是國際上最先進的，是我們中國人自己做出來的，而且是目前世界風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，也拿到了很多獎項和榮譽，包括美國航空航天學會的地面實驗獎、中國國家技術發明獎、中國科學院杰出科技成就獎、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會的地面試驗獎。這個獎項設立于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，我們被提名就已經很偉大了，但不太可能拿獎。因為美國人不可能承認我們比他們更先進。但最后他們還是把獎頒給了我們，這說明我們中國真的領先了，而且得到了國際上的認可。數典不能忘祖，所以要講我們從哪來，我們要到哪里去。

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

錢學森的故事，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，我們的力學所成立，距今已經60多年了。

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

從1958年他進入力學所，就開始研究激波管，然后研究激波風洞，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的，大概可以領先20-30年。但是在這20-30年之后，我們可能還會有更多更先進的技術誕生。

照片中坐在俞先生旁邊的姜宗林老師，就是我的導師，也是我們團隊的負責人，他帶領我們打造出了這樣一個空天實驗室。

創新是我們的使命

中科院力學所 空天實驗室

實驗室位于北京懷柔的雁棲湖畔，是一個非常漂亮的地方。我們在風洞里工作，風洞的總長是265米，是目前國際上規模最大、性能指標最先進的激波風洞。

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的飛行器。其實，國際上大大小小的風洞有很多座，我今天在這里羅列了一些國際上最典型的、最先進的風洞。

當然所謂的最先進，都是指我們這兩座風洞出現之前，這兩座風洞一出現，就意味著我們是最先進的了。在這幅圖中，越是靠右、靠上的部分，就意味著性能和指標越先進。

也就是說，我們的兩座風洞可以跟國際上所有先進的風洞去PK，重點在于我們的規模比他們大，我們能夠實現地面飛行實驗，目前全世界只有這兩座風洞可以實現這樣的實驗條件。

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。有一位同仁總結了我們團隊的發展歷程，詮釋了我們團隊發展的歷史，以及對創新的理解。

我給大家念一下：“創新是歷史的使命，更是家國的情懷；創新是向傳統致敬，更是深厚積淀之后的爆發；創新是個體燦爛的智慧，更是團隊默默無聞的奉獻；創新是殉道者般的堅持，更是春暖花開的浪漫。”從結果來看，我們確實很浪漫，因為我們是代表中國人走在國際的最前列。

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

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