劉云峰：翱翔在科研的天空

本刊記者 楊 嬌

劉云峰：翱翔在科研的天空

本刊記者 楊 嬌

劉云峰

飛翔，鳥類最美的姿態(tài)。

飛行，千百來年人類最深切的渴望。

自1903年萊特兄弟發(fā)明人類歷史上第一架飛機(jī)以來，人類執(zhí)著于追求飛得更高更快更遠(yuǎn)，高超聲速飛行器也因此應(yīng)運(yùn)而生。這種飛行速度超過5倍音速的飛行器在滿足國家重大戰(zhàn)略需求的同時(shí)也面臨著技術(shù)突破這一難題，而難題的關(guān)鍵在于地面試驗(yàn)裝備能力的提升。

中國科學(xué)院力學(xué)研究所針對(duì)這一問題迎難而上，于2012年建成了世界最大的激波風(fēng)洞——JF12風(fēng)洞，該團(tuán)隊(duì)發(fā)展的復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞高精度測量技術(shù)不僅提升了極端條件下的測量精準(zhǔn)度，還創(chuàng)建了國際新高度，由此獲得美國航空航天學(xué)會(huì)2016年度地面試驗(yàn)獎(jiǎng)，2016年國家科學(xué)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，在高溫氣體動(dòng)力學(xué)前沿問題探索中發(fā)揮著不可替代的作用。而高溫氣體動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劉云峰副研究員，從項(xiàng)目立項(xiàng)開始，便參加了風(fēng)洞的論證、設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和驗(yàn)收工作，作為這個(gè)項(xiàng)目的主要成員之一，他在獲得不少科研成果的同時(shí)將繼續(xù)在這片天空里自由翱翔。

靶點(diǎn)式研究

在錢學(xué)森“上天、入地、下?！钡闹笇?dǎo)藍(lán)圖下，我國航天事業(yè)飛速發(fā)展。新一代高超飛行器由于其飛行馬赫數(shù)高，會(huì)發(fā)生分子振動(dòng)能激發(fā)過程，從而對(duì)飛行器的氣動(dòng)力特性產(chǎn)生影響，所以依靠地面風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究兩種方法來研究其影響變得極其重要。其中數(shù)值模擬不僅研究難點(diǎn)大，而且必須經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，于是風(fēng)洞試驗(yàn)研究就成了主要的突破口。

現(xiàn)在地面試驗(yàn)設(shè)備主要是四種風(fēng)洞，激波風(fēng)洞以達(dá)到純凈空氣、總焓、全尺度三個(gè)指標(biāo)優(yōu)勝其他三種風(fēng)洞，但一般的激波風(fēng)洞氣動(dòng)力測量存在試驗(yàn)時(shí)間短、無法找到天平信號(hào)規(guī)律性的問題。劉云峰所在的力學(xué)所之前研制的JF-8A激波風(fēng)洞信號(hào)就存在類似的問題：沒有規(guī)律，重復(fù)性差。解決這樣問題的常規(guī)做法是依靠慣性力補(bǔ)償方法，但是劉云峰及其所在的團(tuán)隊(duì)決定另辟蹊徑，不采用慣性力補(bǔ)償技術(shù)方案，而是通過增加試驗(yàn)時(shí)間來獲得更有周期規(guī)律的天平信號(hào)。

愛因斯坦曾說“在一個(gè)崇高的目標(biāo)支持下，不停地工作，即使慢，也一定會(huì)獲得成功”。劉云峰及其團(tuán)隊(duì)從2008年到2012年，用了4年時(shí)間建成被國際上稱為“高超巨龍”的長265米、有效試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到100ms的JF12高超聲速激波風(fēng)洞，該激波風(fēng)洞實(shí)現(xiàn)了馬赫數(shù)5～9、高度25～50km，范圍地面試驗(yàn)由“模擬”到“復(fù)現(xiàn)”的跨越。

艱難困苦玉汝于成，每一項(xiàng)成功背后都有著不為人知的艱辛和困難，JF12高超聲速激波風(fēng)洞也一樣，它存在有效試驗(yàn)時(shí)間短、氣源穩(wěn)定時(shí)間也短，膜片起爆困難，測量數(shù)據(jù)不精確等問題，劉云峰和團(tuán)隊(duì)針對(duì)這些問題進(jìn)行了靶點(diǎn)式研究，首先要保證在有效試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)激波不進(jìn)入試驗(yàn)段，因?yàn)橐贿M(jìn)入試驗(yàn)段，試驗(yàn)就結(jié)束，對(duì)于特殊的JF12風(fēng)洞，他們根據(jù)激波耗散原理，提出了E型布置的真空罐；其次劉云峰及其團(tuán)隊(duì)又提出了縫合運(yùn)行技術(shù)，通過改變驅(qū)動(dòng)氣體組分，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)氣體物性參數(shù)和聲速，實(shí)現(xiàn)聲阻抗匹配，使氣源穩(wěn)定時(shí)間增加了10倍。

在解決了“兩大時(shí)間”難題后，劉云峰和團(tuán)隊(duì)把研究點(diǎn)放在了膜片的起爆問題上：JF12風(fēng)洞不僅點(diǎn)火質(zhì)量低、理論曲線不達(dá)標(biāo)；而且存在破膜的難題。這樣的雙重問題并沒有難住他們，相反被迎刃而解。他們?cè)诜磸?fù)試驗(yàn)和研究的基礎(chǔ)上找到了解決之道：采用球形膜，啟用多級(jí)放大直接起爆技術(shù)。

工欲善其事，必先利其器。要想獲得高精度的測量數(shù)據(jù)，就需要對(duì)JF12測力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。在優(yōu)化前，任何一套模型，具有相匹配的天平和模型支撐系統(tǒng)是保障。JF12風(fēng)洞目前有三支不同尺寸、不同量程的桿式天平，劉云峰和團(tuán)隊(duì)首先設(shè)計(jì)出模型支撐系統(tǒng)，其載荷為5噸，提高了支撐剛度；然后對(duì)天平進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在優(yōu)化時(shí)考慮了模型支撐機(jī)構(gòu)、重量、大小以及支桿、天平等多種因素，保證天平的最低自振頻率的同時(shí)提高靈敏度，為了進(jìn)一步提高靈敏度，他們還開展了數(shù)學(xué)方法研究，將不同頻率的信號(hào)進(jìn)行分離。

劉云峰對(duì)JF12風(fēng)洞的研究將令他獲得長足的發(fā)展，也讓他深切地感受到科研的樂趣、新技術(shù)力量的無窮，而這些碩果的取得其實(shí)得益于辛苦漫長的十年科研路——積累、吸收、碰撞、合作的路。

十年科研路

弗羅斯特在《未選擇的路》中說“林子里有兩條路，我選擇了行人稀少的那一條，它改變了我的一生?！睂?duì)于科研工作者來說，他們走的路人跡罕至，艱辛異常，卻也樂在其中。劉云峰便是其中一位。

高中時(shí)代的劉云峰心無旁騖，1989年以優(yōu)異的成績考到哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程熱物理專業(yè)，但此時(shí)的他對(duì)于以后的路并不明晰，不過他愛看書、對(duì)有學(xué)問的人心懷崇敬，憑著一股沖勁于1993年考到第701研究所的空氣動(dòng)力學(xué)專業(yè)。從那以后，他開始著迷這個(gè)“有點(diǎn)兒意思”的專業(yè)，畢業(yè)后便在高超聲速研究室工作。工作4年后，以“理論知識(shí)還需加強(qiáng)”為念考到北京大學(xué)的流體力學(xué)攻讀博士。博士期間，劉云峰便開始研究爆炸的極限狀態(tài)——爆轟運(yùn)動(dòng)，最終首次發(fā)現(xiàn)了爆轟運(yùn)動(dòng)的定量公式。

2006年，劉云峰結(jié)束在日本的博士后研究，到中國科學(xué)院力學(xué)研究所的高溫氣體動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作，只因?yàn)樗胱觥皠?chuàng)新且有用的科研”。提到大名鼎鼎的中科院力學(xué)所，科學(xué)界幾乎無人不知。在中國力學(xué)研究飛速發(fā)展的進(jìn)程中，先后走出了錢學(xué)森、錢偉長等功勛卓著的科學(xué)家。“成長沐浴”在這樣的科研單位里，劉云峰深受老一輩科學(xué)家的影響。他喜歡這樣優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)，并且時(shí)常感念俞鴻儒院士、姜宗林主任的重用栽培，也時(shí)刻銘記俞鴻儒院士所講的“科研一定要為國家所用”這樣的理念。秉持這樣的理念，劉云峰一干就是十年，在高溫氣體動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室將近4000天的日子里，他正是站在巨人的肩膀上致力創(chuàng)新，不懈探索、刻苦追求，才有了而今的成果。

在高溫氣體動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，他首先開展了氣動(dòng)力標(biāo)模實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果證明：在沒有真實(shí)氣體效應(yīng)的100～130ms試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，氣動(dòng)力測量結(jié)果與常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的測力結(jié)果一致，重復(fù)性精度誤差小于2%。緊接著，他用底部直徑Φ525mm的10度尖錐標(biāo)模進(jìn)行了較長時(shí)間的試驗(yàn)，他通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在流場起動(dòng)的前30ms內(nèi)，底部流場不穩(wěn)定且天平信號(hào)沒有規(guī)律性。但是在接下來的100ms內(nèi)，信號(hào)振動(dòng)非常有規(guī)律，出現(xiàn)多個(gè)周期，理論研究和試驗(yàn)結(jié)果共同促進(jìn)了JF12風(fēng)洞的發(fā)展。

值得一提的是，劉云峰還通過與其他團(tuán)隊(duì)共同協(xié)作，取得了包括JF12流場參數(shù)在內(nèi)的多項(xiàng)成果：他和楊明基教授團(tuán)隊(duì)開展了流場TDLAS測量研究工作，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用程序計(jì)算得到的結(jié)果與試驗(yàn)測量結(jié)果吻合較好；和十一院的畢志獻(xiàn)研究員合作設(shè)計(jì)出大量程盒式天平等。一個(gè)人走得更快，一群人走得更遠(yuǎn)。劉云峰深諳此意，所以他將不遺余力通過協(xié)作來拓展自己的事業(yè)。

十年科研路，理論研究或?qū)嶋H操作會(huì)有許多阻礙，也包括風(fēng)洞建立之初的惡劣自然環(huán)境，但是劉云峰在跨越阻礙之后并沒有停步，他說：“科研是無止境的，以前是建風(fēng)洞，現(xiàn)在是用風(fēng)洞做研究：怎么提高風(fēng)洞的性能、驅(qū)動(dòng)力特點(diǎn)、精度等”。對(duì)于接下來的路，他有了清晰規(guī)劃：在JF12長試驗(yàn)時(shí)間激波風(fēng)洞上開展模型測力研究和測壓研究，通過對(duì)比理想氣體與空氣發(fā)生真實(shí)氣體效應(yīng)后氣動(dòng)力系數(shù)和力矩系數(shù)，研究其中的關(guān)鍵物理規(guī)律，為新一代高超聲速飛行器的研發(fā)提供預(yù)先研究和技術(shù)儲(chǔ)備。項(xiàng)目將采取以試驗(yàn)研究為重點(diǎn)，結(jié)合數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的研究方法，以獲得準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

科研之外，劉云峰也和姜宗林主任一起培養(yǎng)學(xué)生。教導(dǎo)學(xué)生，他嚴(yán)格又開明，除了會(huì)對(duì)學(xué)生的論文逐字逐句地審讀以外，還會(huì)以開闊的眼界告誡學(xué)生“創(chuàng)新要趁早”，創(chuàng)新意識(shí)的萌芽最好在博士期間，因?yàn)樗J(rèn)為：“項(xiàng)目的實(shí)施難度小于項(xiàng)目提出的難度?！?/p>

靜水流深，做科研，需要一顆靜下來的心。劉云峰直言自己是喜靜不喜動(dòng)的人，年少時(shí)的成績優(yōu)異，年長科研獲得的成果，這都是他從靜中得來的，伴隨著JF12風(fēng)洞走過十年科研路的他，將繼續(xù)在自己安靜的天空里翱翔，為科研貢獻(xiàn)自己的力量。