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。

飛行，千百來年人類最深切的渴望。

自1903年萊特兄弟發明人類歷史上第一架飛機以來，人類執著于追求飛得更高更快更遠，高超聲速飛行器也因此應運而生。這種飛行速度超過5倍音速的飛行器在滿足國家重大戰略需求的同時也面臨著技術突破這一難題，而難題的關鍵在于地面試驗裝備能力的提升。

中國科學院力學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洞——JF12風洞，該團隊發展的復現風洞高精度測量技術不僅提升了極端條件下的測量精準度，還創建了國際新高度，由此獲得美國航空航天學會2016年度地面試驗獎，2016年國家科學技術發明獎二等獎，在高溫氣體動力學前沿問題探索中發揮著不可替代的作用。而高溫氣體動力學國家重點實驗室的劉云峰副研究員，從項目立項開始，便參加了風洞的論證、設計、安裝、調試和驗收工作，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在這片天空里自由翱翔。

靶點式研究

在錢學森“上天、入地、下海”的指導藍圖下，我國航天事業飛速發展。新一代高超飛行器由于其飛行馬赫數高，會發生分子振動能激發過程，從而對飛行器的氣動力特性產生影響，所以依靠地面風洞試驗和數值模擬研究兩種方法來研究其影響變得極其重要。其中數值模擬不僅研究難點大，而且必須經過試驗驗證，于是風洞試驗研究就成了主要的突破口。

現在地面試驗設備主要是四種風洞，激波風洞以達到純凈空氣、總焓、全尺度三個指標優勝其他三種風洞，但一般的激波風洞氣動力測量存在試驗時間短、無法找到天平信號規律性的問題。劉云峰所在的力學所之前研制的JF-8A激波風洞信號就存在類似的問題：沒有規律，重復性差。解決這樣問題的常規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方案，而是通過增加試驗時間來獲得更有周期規律的天平信號。

愛因斯坦曾說“在一個崇高的目標支持下，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高超聲速激波風洞，該激波風洞實現了馬赫數5～9、高度25～50km，范圍地面試驗由“模擬”到“復現”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高超聲速激波風洞也一樣，它存在有效試驗時間短、氣源穩定時間也短，膜片起爆困難，測量數據不精確等問題，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啟動激波不進入試驗段，因為一進入試驗段，試驗就結束，對于特殊的JF12風洞，他們根據激波耗散原理，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，通過改變驅動氣體組分，調節驅動氣體物性參數和聲速，實現聲阻抗匹配，使氣源穩定時間增加了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風洞不僅點火質量低、理論曲線不達標；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。他們在反復試驗和研究的基礎上找到了解決之道：采用球形膜，啟用多級放大直接起爆技術。

工欲善其事，必先利其器。要想獲得高精度的測量數據，就需要對JF12測力系統進行優化。在優化前，任何一套模型，具有相匹配的天平和模型支撐系統是保障。JF12風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計出模型支撐系統，其載荷為5噸，提高了支撐剛度；然后對天平進行優化設計，在優化時考慮了模型支撐機構、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，他們還開展了數學方法研究，將不同頻率的信號進行分離。

劉云峰對JF12風洞的研究將令他獲得長足的發展，也讓他深切地感受到科研的樂趣、新技術力量的無窮，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年以優異的成績考到哈爾濱工業大學工程熱物理專業，但此時的他對于以后的路并不明晰，不過他愛看書、對有學問的人心懷崇敬，憑著一股沖勁于1993年考到第701研究所的空氣動力學專業。從那以后，他開始著迷這個“有點兒意思”的專業，畢業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”為念考到北京大學的流體力學攻讀博士。博士期間，劉云峰便開始研究爆炸的極限狀態——爆轟運動，最終首次發現了爆轟運動的定量公式。

2006年，劉云峰結束在日本的博士后研究，到中國科學院力學研究所的高溫氣體動力學重點實驗室工作，只因為他想做“創新且有用的科研”。提到大名鼎鼎的中科院力學所，科學界幾乎無人不知。在中國力學研究飛速發展的進程中，先后走出了錢學森、錢偉長等功勛卓著的科學家。“成長沐浴”在這樣的科研單位里，劉云峰深受老一輩科學家的影響。他喜歡這樣優秀的團隊，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。

在高溫氣體動力學重點實驗室，他首先開展了氣動力標模實驗研究。研究結果證明：在沒有真實氣體效應的100～130ms試驗時間內，氣動力測量結果與常規高超聲速風洞的測力結果一致，重復性精度誤差小于2%。緊接著，他用底部直徑Φ525mm的10度尖錐標模進行了較長時間的試驗，他通過試驗發現：在流場起動的前30ms內，底部流場不穩定且天平信號沒有規律性。但是在接下來的100ms內，信號振動非常有規律，出現多個周期，理論研究和試驗結果共同促進了JF12風洞的發展。

值得一提的是，劉云峰還通過與其他團隊共同協作，取得了包括JF12流場參數在內的多項成果：他和楊明基教授團隊開展了流場TDLAS測量研究工作，結果發現用程序計算得到的結果與試驗測量結果吻合較好；和十一院的畢志獻研究員合作設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作來拓展自己的事業。

十年科研路，理論研究或實際操作會有許多阻礙，也包括風洞建立之初的惡劣自然環境，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，以前是建風洞，現在是用風洞做研究：怎么提高風洞的性能、驅動力特點、精度等”。對于接下來的路，他有了清晰規劃：在JF12長試驗時間激波風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生真實氣體效應后氣動力系數和力矩系數，研究其中的關鍵物理規律，為新一代高超聲速飛行器的研發提供預先研究和技術儲備。項目將采取以試驗研究為重點，結合數值模擬和理論分析相結合的研究方法，以獲得準確的試驗數據。

科研之外，劉云峰也和姜宗林主任一起培養學生。教導學生，他嚴格又開明，除了會對學生的論文逐字逐句地審讀以外，還會以開闊的眼界告誡學生“創新要趁早”，創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風洞走過十年科研路的他，將繼續在自己安靜的天空里翱翔，為科研貢獻自己的力量。