30年代大多数飞机都处于亚声速阶段 ， 40年代 ， 诞生了超声速的战斗机 ， 到了1946年 ， 钱学森提出了“高超声速飞行”的概念 ， 推动了很多国家如今都在造高超声速飞机 。 同时 ， 新世纪宇航竞争有两个制高点：首先是高超声速飞机 ， 它能够消除时差的概念 ， 其次是空天飞机 ， 它帮助我们实现天地往返 。 我们要研究什么样的飞行器？地面飞行实验有哪些要求？
出品：格致论道讲坛
以下内容为中国科学院力学研究所副研究员韩桂来演讲实录：
大家好 ， 我叫韩桂来 ， 来自中国科学院力学研究所 。
最早的飞行器出现在中国 ， 比如风筝和火箭 ， 但是后来我们掉队了 。 真正的飞行器是什么时间出现的呢？
【风洞试验|世界最强风洞，目标瞄准秒速10千米超高速飞行器】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 ， 只有200多米 ， 但是它带来的意义是非常重大的 。
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 ， 最终靠飞行技术实现飞机飞行 。
上图是最早的风洞 ， 基于这样的风洞 ， 20世纪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）
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和高超声速飞行器X-51 ， 包括现在炒得最火的空天战斗机X-37B 。
德国V-2火箭
X-15航天飞机（左）和 高超声速飞机X-43（右）
高超声速滑翔飞行器HTV-2（左）和高超声速飞行器X-51（右）
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 ， 即它可以消除时差的概念 。
例如 ， 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 ， 如果早上8点钟出发 ， 到对方那边还是早上8点钟 ， 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 。
第二是空天飞机 ， 这也可能是我这辈子研究的终极目标之一 。 它能够实现水平起降 ， 从地面起飞 ， 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 。 目前研究飞行器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 ， 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
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相互作用 ， 在不同的高度和速度下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 ， 达到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 ， 温度会在短时间内迅速提升 。 温度达到2000摄氏度以后 ， 氧分子就会变成氧原子 ， 甚至变成离子 ， 氮分子会变成氮原子 ， 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 。
例如 ， 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 ， 你就没有办法游泳 ， 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-16膨胀风洞实验
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 ， 说明温度已经非常高 。
目前这些研究内容已经超出了经典气体动力学理论的范畴 ， 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进行实验 。
地面实验的苛刻要求
地面飞行实验有很多方面的要求 ， 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 ， 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 。 我们正在想办法解决这三个方面的问题 。
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 。
JF-22超高速高焓风洞
有了这两个风洞 ， 马赫5以上的飞行可以实现全覆盖 ， 一直到飞出大气层 ， 我们都可以开展相应的地面实验 。
如何来实现地面实验？首先要有足够的驱动功率 ， 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 ， 实验时间一定要足够长 。 在我们的风洞出现之前 ， 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 。 还有日本的HIEST ， 它的实验时间是2毫秒 。
我们的实验时间是多少呢？100毫秒 ， 正常工作时间大概是130毫秒 。 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
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 。 在分离实验两级入轨时 ， 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 。
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 。
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 ， 美国人不可能承认我们比他们更先进 。 最后我们获奖说明中国真的领先了 ， 得到了国际上的认可 。
饮水思源
数典不能忘祖 ， 所以要讲我们从哪来 ， 我们要到哪里去 。
在国际宇航领域 ， 我们的前辈钱学森和郭永怀 ， 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 ， 两位都是我国“两弹一星”的元勋 。
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 。
照片中的俞鸿儒院士是钱先生和郭先生的研究生 ， 他是我们的精神领袖 ， 今年已经90岁了 。 从1958年他进入力学所 ， 就开始研究激波管和激波风洞 ， 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 。 在这20-30年之后 ， 我们可能还会有更多更先进的技术诞生 。
照片中还有一位姜宗林老师 ， 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
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 ， 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 ， 意味着我们是最先进的 。 在上图中 ， 越是靠右、靠上的部分 ， 意味着性能和指标越先进 。
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 。 “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 。 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 。 谢谢大家！
“格致论道” ， 原称“SELF格致论道” ， 是中国科学院全力推出的科学文化讲坛 ， 由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办 ， 中国科普博览承办 。 致力于非凡思想的跨界传播 ， 旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展 。 获取更多信息 。 本文出品自“格致论道讲坛”公众号（SELFtalks） ， 转载请注明公众号出处 ， 未经授权不得转载 。
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