刘云峰:翱翔在科研的天空

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飞翔，鸟类最美的姿态。

飞行，千百来年人类最深切的渴望。

自1903年莱特兄弟发明人类历史上第一架飞机以来，人类执着于追求飞得更高更快更远，高超声速飞行器也因此应运而生。这种飞行速度超过5倍音速的飞行器在满足国家重大战略需求的同时也面临着技术突破这一难题，而难题的关键在于地面试验装备能力的提升。

中国科学院力学研究所针对这一问题迎难而上，于2012年建成了世界最大的激波风洞――JF12风洞，该团队发展的复现风洞高精度测量技术不仅提升了极端条件下的测量精准度，还创建了国际新高度，由此获得美国航空航天学会2016年度地面试验奖，2016年国家科学技术发明奖二等奖，在高温气体动力学前沿问题探索中发挥着不可替代的作用。而高温气体动力学国家重点实验室的刘云峰副研究员，从项目立项开始，便参加了风洞的论证、设计、安装、调试和验收工作，作为这个项目的主要成员之一，他在获得不少科研成果的同时将继续在这片天空里自由翱翔。

靶点式研究

在钱学森“上天、入地、下海”的指导蓝图下，我国航天事业飞速发展。新一代高超飞行器由于其飞行马赫数高，会发生分子振动能激发过程，从而对飞行器的气动力特性产生影响，所以依靠地面风洞试验和数值模拟研究两种方法来研究其影响变得极其重要。其中数值模拟不仅研究难点大，而且必须经过试验验证，于是风洞试验研究就成了主要的突破口。

现在地面试验设备主要是四种风洞，激波风洞以达到纯净空气、总焓、全尺度三个指标优胜其他三种风洞，但一般的激波风洞气动力测量存在试验时间短、无法找到天平信号规律性的问题。刘云峰所在的力学所之前研制的JF-8A激波风洞信号就存在类似的问题：没有规律，重复性差。解决这样问题的常规做法是依靠惯性力补偿方法，但是刘云峰及其所在的团队决定另辟蹊径，不采用惯性力补偿技术方案，而是通过增加试验时间来获得更有周期规律的天平信号。

爱因斯坦曾说“在一个崇高的目标支持下，不停地工作，即使慢，也一定会获得成功”。刘云峰及其团队从2008年到2012年，用了4年时间建成被国际上称为“高超巨龙”的长265米、有效试验时间达到100ms的JF12高超声速激波风洞，该激波风洞实现了马赫数5～9、高度25～50km，范围地面试验由“模拟”到“复现”的跨越。

艰难困苦玉汝于成，每一项成功背后都有着不为人知的艰辛和困难，JF12高超声速激波风洞也一样，它存在有效试验时间短、气源稳定时间也短，膜片起爆困难，测量数据不精确等问题，刘云峰和团队针对这些问题进行了靶点式研究，首先要保证在有效试验时间内启动激波不进入试验段，因为一进入试验段，试验就结束，对于特殊的JF12风洞，他们根据激波耗散原理，提出了E型布置的真空罐：其次刘云峰及其团队又提出了缝合运行技术，通过改变驱动气体组分，调节驱动气体物性参数和声速，实现声阻抗匹配，使气源稳定时间增加了10倍。

在解决了“两大时间”难题后，刘云峰和团队把研究点放在了膜片的起爆问题上：JF12风洞不仅点火质量低、理论曲线不达标：而且存在破膜的难题。这样的双重问题并没有难住他们，相反被迎刃而解。他们在反复试验和研究的基础上找到了解决之道：采用球形膜，启用多级放大直接起爆技术。

工欲善其事，必先利其器。要想获得高精度的测量数据，就需要对JF12测力系统进行优化。在优化前，任何一套模型，具有相匹配的天平和模型支撑系统是保障。JF12风洞目前有三支不同尺寸、不同量程的杆式天平，刘云峰和团队首先设计出模型支撑系统，其载荷为5吨，提高了支撑刚度：然后对天平进行优化设计，在优化时考虑了模型支撑机构、重量、大小以及支杆、天平等多种因素，保证天平的最低自振频率的同时提高灵敏度，为了进一步提高灵敏度，他们还开展了数学方法研究，将不同频率的信号进行分离。

刘云峰对JF12风洞的研究将令他获得长足的发展，也让他深切地感受到科研的乐趣、新技术力量的无穷，而这些硕果的取得其实得益于辛苦漫长的十年科研路――积累、吸收、碰撞、合作的路。

十年科研路

弗罗斯特在《未选择的路》中说“林子里有两条路，我选择了行人稀少的那一条，它改变了我的一生。”对于科研工作者来说，他们走的路人迹罕至，艰辛异常，却也乐在其中。刘云峰便是其中一位。

高中时代的刘云峰心无旁骛，1989年以优异的成绩考到哈尔滨工业大学工程热物理专业，但此时的他对于以后的路并不明晰，不过他爱看书、对有学问的人心怀崇敬，凭着一股冲劲于1993年考到第701研究所的空气动力学专业。从那以后，他开始着迷这个“有点儿意思”的专业，毕业后便在高超声速研究室工作。工作4年后，以“理论知识还需加强”为念考到北京大学的流体力学攻读博士。博士期间，刘云峰便开始研究爆炸的极限状态――爆轰运动，最终首次发现了爆轰运动的定量公式。

2006年，刘云峰结束在日本的博士后研究，到中国科学院力学研究所的高温气体动力学重点实验室工作，只因为他想做“创新且有用的科研”。提到大名鼎鼎的中科院力学所，科学界几乎无人不知。在中国力学研究飞速发展的进程中，先后走出了钱学森、钱伟长等功勋卓著的科学家。“成长沐浴”在这样的科研单位里，刘云峰深受老一辈科学家的影响。他喜欢这样优秀的团队，并且时常感念俞鸿儒院士、姜宗林主任的重用栽培，也时刻铭记俞鸿儒院士所讲的“科研一定要为国家所用”这样的理念。秉持这样的理念，刘云峰一干就是十年，在高温气体动力学重点实验室将近4000天的日子里，他正是站在巨人的肩膀上致力创新，不懈探索、刻苦追求，才有了而今的成果。

在高温气体动力学重点实验室，他首先开展了气动力标模实验研究。研究结果证明：在没有真实气体效应的100～130ms试验时间内，气动力测量结果与常规高超声速风洞的测力结果一致，重复性精度误差小于2%。紧接着，他用底部直径525mm的10度尖锥标模进行了较长时间的试验，他通过试验发现：在流场起动的前30ms内，底部流场不稳定且天平信号没有规律性。但是在接下淼100ms内，信号振动非常有规律，出现多个周期，理论研究和试验结果共同促进了JF12风洞的发展。

值得一提的是，刘云峰还通过与其他团队共同协作，取得了包括JF12流场参数在内的多项成果：他和杨明基教授团队开展了流场TDLAS测量研究工作，结果发现用程序计算得到的结果与试验测量结果吻合较好：和十一院的毕志献研究员合作设计出大量程盒式天平等。一个人走得更快，一群人走得更远。刘云峰深谙此意，所以他将不遗余力通过协作来拓展自己的事业。

十年科研路，理论研究或实际操作会有许多阻碍，也包括风洞建立之初的恶劣自然环境，但是刘云峰在跨越阻碍之后并没有停步，他说：“科研是无止境的，以前是建风洞，现在是用风洞做研究：怎么提高风洞的性能、驱动力特点、精度等”。对于接下来的路，他有了清晰规划：在JF12长试验时间激波风洞上开展模型测力研究和测压研究，通过对比理想气体与空气发生真实气体效应后气动力系数和力矩系数，研究其中的关键物理规律，为新一代高超声速飞行器的研发提供预先研究和技术储备。项目将采取以试验研究为重点，结合数值模拟和理论分析相结合的研究方法，以获得准确的试验数据。

科研之外，刘云峰也和姜宗林主任一起培养学生。教导学生，他严格又开明，除了会对学生的论文逐字逐句地审读以外，还会以开阔的眼界告诫学生“创新要趁早”，创新意识的萌芽最好在博士期间，因为他认为：“项目的实施难度小于项目提出的难度。”

静水流深，做科研，需要一颗静下来的心。刘云峰直言自己是喜静不喜动的人，年少时的成绩优异，年长科研获得的成果，这都是他从静中得来的，伴随着JF12风洞走过十年科研路的他，将继续在自己安静的天空里翱翔，为科研贡献自己的力量。