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以來，人類執(zhí)著于追求飛得更高更快更遠，高超聲速飛行器也因此應(yīng)運而生。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)鍵在于地面試驗裝備能力的提升。

中國科學(xué)院力學(xué)研究所針對這一問題迎難而上，于2012年建成了世界最大的激波風(fēng)洞——JF12風(fēng)洞，該團隊發(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2016年度地面試驗獎，2016年國家科學(xué)技術(shù)發(fā)明獎二等獎，在高溫氣體動力學(xué)前沿問題探索中發(fā)揮著不可替代的作用。而高溫氣體動力學(xué)國家重點實驗室的劉云峰副研究員，從項目立項開始，便參加了風(fēng)洞的論證、設(shè)計、安裝、調(diào)試和驗收工作，作為這個項目的主要成員之一，他在獲得不少科研成果的同時將繼續(xù)在這片天空里自由翱翔。

靶點式研究

在錢學(xué)森“上天、入地、下海”的指導(dǎo)藍圖下，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，會發(fā)生分子振動能激發(fā)過程，從而對飛行器的氣動力特性產(chǎn)生影響，所以依靠地面風(fēng)洞試驗和數(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大，而且必須經(jīng)過試驗驗證，于是風(fēng)洞試驗研究就成了主要的突破口。

現(xiàn)在地面試驗設(shè)備主要是四種風(fēng)洞，激波風(fēng)洞以達到純凈空氣、總焓、全尺度三個指標(biāo)優(yōu)勝其他三種風(fēng)洞，但一般的激波風(fēng)洞氣動力測量存在試驗時間短、無法找到天平信號規(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償方法，但是劉云峰及其所在的團隊決定另辟蹊徑，不采用慣性力補償技術(shù)方案，而是通過增加試驗時間來獲得更有周期規(guī)律的天平信號。

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

艱難困苦玉汝于成，每一項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，它存在有效試驗時間短、氣源穩(wěn)定時間也短，膜片起爆困難，測量數(shù)據(jù)不精確等問題，劉云峰和團隊針對這些問題進行了靶點式研究，首先要保證在有效試驗時間內(nèi)啟動激波不進入試驗段，因為一進入試驗段，試驗就結(jié)束，對于特殊的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；其次劉云峰及其團隊又提出了縫合運行技術(shù)，通過改變驅(qū)動氣體組分，調(diào)節(jié)驅(qū)動氣體物性參數(shù)和聲速，實現(xiàn)聲阻抗匹配，使氣源穩(wěn)定時間增加了10倍。

在解決了“兩大時間”難題后，劉云峰和團隊把研究點放在了膜片的起爆問題上：JF12風(fēng)洞不僅點火質(zhì)量低、理論曲線不達標(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。他們在反復(fù)試驗和研究的基礎(chǔ)上找到了解決之道：采用球形膜，啟用多級放大直接起爆技術(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JF12測力系統(tǒng)進行優(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，劉云峰和團隊首先設(shè)計出模型支撐系統(tǒng)，其載荷為5噸，提高了支撐剛度；然后對天平進行優(yōu)化設(shè)計，在優(yōu)化時考慮了模型支撐機構(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提高靈敏度，為了進一步提高靈敏度，他們還開展了數(shù)學(xué)方法研究，將不同頻率的信號進行分離。

劉云峰對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。”對于科研工作者來說，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)，但此時的他對于以后的路并不明晰，不過他愛看書、對有學(xué)問的人心懷崇敬，憑著一股沖勁于1993年考到第701研究所的空氣動力學(xué)專業(yè)。從那以后，他開始著迷這個“有點兒意思”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“理論知識還需加強”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)——爆轟運動，最終首次發(fā)現(xiàn)了爆轟運動的定量公式。

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力學(xué)重點實驗室工作，只因為他想做“創(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)秀的團隊，并且時常感念俞鴻儒院士、姜宗林主任的重用栽培，也時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，在高溫氣體動力學(xué)重點實驗室將近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。

在高溫氣體動力學(xué)重點實驗室，他首先開展了氣動力標(biāo)模實驗研究。研究結(jié)果證明：在沒有真實氣體效應(yīng)的100～130ms試驗時間內(nèi)，氣動力測量結(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)模進行了較長時間的試驗，他通過試驗發(fā)現(xiàn)：在流場起動的前30ms內(nèi)，底部流場不穩(wěn)定且天平信號沒有規(guī)律性。但是在接下來的100ms內(nèi)，信號振動非常有規(guī)律，出現(xiàn)多個周期，理論研究和試驗結(jié)果共同促進了JF12風(fēng)洞的發(fā)展。

值得一提的是，劉云峰還通過與其他團隊共同協(xié)作，取得了包括JF12流場參數(shù)在內(nèi)的多項成果：他和楊明基教授團隊開展了流場TDLAS測量研究工作，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用程序計算得到的結(jié)果與試驗測量結(jié)果吻合較好；和十一院的畢志獻研究員合作設(shè)計出大量程盒式天平等。一個人走得更快，一群人走得更遠。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)動力特點、精度等”。對于接下來的路，他有了清晰規(guī)劃：在JF12長試驗時間激波風(fēng)洞上開展模型測力研究和測壓研究，通過對比理想氣體與空氣發(fā)生真實氣體效應(yīng)后氣動力系數(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)儲備。項目將采取以試驗研究為重點，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，除了會對學(xué)生的論文逐字逐句地審讀以外，還會以開闊的眼界告誡學(xué)生“創(chuàng)新要趁早”，創(chuàng)新意識的萌芽最好在博士期間，因為他認為：“項目的實施難度小于項目提出的難度。”

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的人，年少時的成績優(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，為科研貢獻自己的力量。