激波管與激波風(fēng)洞的研制1)

—俞鴻儒院士訪談錄

？ 張珩旭^{* 2}）白欣^* 3)趙玉杰^{* 4)}

*（首都師范大學(xué) 物理系，北京，100048）

[caption id="attachment_1317" align="aligncenter" width="300"] 2012年10月22日張珩旭（右）與受訪人俞鴻儒院士在力學(xué)所辦公室的合影[/caption]
俞鴻儒（1928—），氣體動力學(xué)家。1956年，中科院公開招收研究生，俞鴻儒報(bào)考了力學(xué)研究所流體力學(xué)專業(yè)研究生并順利被錄取，導(dǎo)師為錢偉長先生，入學(xué)后轉(zhuǎn)交剛回國的郭永懷先生指導(dǎo)，俞鴻儒從此開始了在中科院力學(xué)所幾十年研究工作。在高超聲速、高焓流動實(shí)驗(yàn)研究方面獲得多項(xiàng)重要研究成果，為國家安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了貢獻(xiàn)。
激波管是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)產(chǎn)生激波的設(shè)備，20世紀(jì)50年代成為研究發(fā)展的熱點(diǎn)。俞先生作為我國最早研究激波管和激波風(fēng)洞的科學(xué)家，為我們講述了我國大型激波風(fēng)洞的研制歷程。
本文是在對俞鴻儒院士采訪的基礎(chǔ)上整理而成。
訪談時(shí)間：2012年10月22日、12月23日、2013年1月22日
訪談地點(diǎn)：中科院力學(xué)所俞鴻儒院士辦公室、俞鴻儒院士家中
1？ 接觸激波管和激波風(fēng)洞
問：當(dāng)時(shí)怎樣接觸到這一課題？
俞：我來力學(xué)所后感到所長和導(dǎo)師非常重視做實(shí)驗(yàn)。郭先生告訴我們，他自己沒有實(shí)驗(yàn)工作經(jīng)驗(yàn)，所里其他科學(xué)家也是這樣。開展實(shí)驗(yàn)工作需要物質(zhì)條件支持，當(dāng)前所里條件很差，以后會好起來。但國家經(jīng)濟(jì)還不發(fā)達(dá)，在相當(dāng)長的時(shí)間里，不可能達(dá)到發(fā)達(dá)國家的水平。你們不可能也不應(yīng)該照葫蘆畫瓢模仿別人，一定要盡力去發(fā)展適合國情的實(shí)驗(yàn)方法。
1958年初，錢學(xué)森和郭永懷兩所長決定成立第八個研究組——激波管組，做氣體方面的實(shí)驗(yàn)工作[1]。這個組與已成立的組有明顯的不同，之前的組長都是科學(xué)家，研究組的名稱是學(xué)科名稱。而這個組以實(shí)驗(yàn)裝置命名，指定我擔(dān)任組長，在郭先生指導(dǎo)下工作。
問：那您們開始怎樣開展實(shí)驗(yàn)工作呢？
俞：做實(shí)驗(yàn)首先要創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)條件：建造實(shí)驗(yàn)裝置并配備測量儀器。郭先生沒有讓我們仿造馬上就可以使用的裝置。在超高速流動實(shí)驗(yàn)方面，他認(rèn)為：“大型高超聲速風(fēng)洞將來是必需的。我國經(jīng)濟(jì)和技術(shù)基礎(chǔ)差，難以仿效發(fā)達(dá)國家依靠大型常規(guī)高超聲速風(fēng)洞的辦法。何況常規(guī)風(fēng)洞加熱達(dá)到的高溫受限，難以模擬超高速飛行器周圍的高溫繞流。”激波管能產(chǎn)生高溫和高壓氣體且費(fèi)用低廉，他讓我探索在國內(nèi)條件下研制激波風(fēng)洞的方法。郭先生預(yù)計(jì)做這項(xiàng)工作難度相當(dāng)大，為此他為我們營造寬松的工作環(huán)境：一是無需制定進(jìn)度計(jì)劃，只要求持續(xù)不斷的有正面或反面的進(jìn)展；再就是想怎么干就什么干，把想法和結(jié)果告訴他就可以。
張：研究課題的條件如何？
俞：我們經(jīng)費(fèi)很少，人員也不多。建造完JF4、JF4A、JF8(僅本體)三座激波風(fēng)洞，儀器設(shè)備全部支出不到30萬。高超聲速風(fēng)洞的噴管一般采用不銹鋼制造，造價(jià)比較貴。我們經(jīng)過分析和實(shí)驗(yàn)考核后改用優(yōu)質(zhì)鑄鐵制造噴管，由于材料費(fèi)便宜和加工容易，造價(jià)可降低一個量級。那時(shí)候機(jī)械加工收費(fèi)也很低。我們使用土辦法做的東西很巧，當(dāng)然也不是一下子做到的，是在實(shí)踐過程中遭遇挫折后逐步改進(jìn)得到的。50年代國內(nèi)電子儀器水平很差，要在毫秒級時(shí)間間隔內(nèi)觀察和測量非常困難。國外尤其是美國的條件好，他們開展工作比較方便，而我們做實(shí)驗(yàn)非常艱難。
2？ 激波風(fēng)洞的破膜問題
問：您為什么一開始就舍棄了激波管的破膜機(jī)構(gòu)，采用氣壓直接破膜，這個想法的由來是怎樣的？
俞：激波管主要的結(jié)構(gòu)就是兩段管子，一段高壓管一段低壓管，兩者之間的膜一破產(chǎn)生激波，這個膜和破膜技術(shù)是關(guān)鍵。最初想按國外通用的方案設(shè)計(jì)破膜機(jī)構(gòu)，就是在膜的上游安置一個三棱的刺錐，將膜撕開；缺點(diǎn)是容易漏氣以及刺膜機(jī)構(gòu)干擾驅(qū)動氣體流場。在錢學(xué)森先生的鼓勵下我改用氣壓直接破膜。因?yàn)槟ぴ趦蛇厷怏w壓差作用下，當(dāng)膜快破了，刺膜才能將膜完全打開。否則刺膜只會形成一個小洞。既然如此，何不使用氣壓直接破膜[2]？
問：氣壓直接破膜有沒有其他問題呢？
俞：破膜機(jī)構(gòu)破膜時(shí)破膜壓力易于精確控制。氣壓直接破膜時(shí)，破膜壓力決定于膜片強(qiáng)度，驅(qū)動氣體壓力會不會有高有低呢？我們就做上百次破膜試驗(yàn)，考察破膜壓力散布有多大？開始時(shí)破膜壓力散布比較大。當(dāng)時(shí)的膜片是用模具沖出來的，由于鋁板中間厚兩邊薄，使沖出來的膜片厚薄不一。膜片有效厚度不易測準(zhǔn)，便改用天平稱重，按重量將膜片分組使用。分組后破膜壓力散布可控制在百分之一以內(nèi)，問題就解決了。氣壓直接破膜還有個問題，氣壓是慢慢升高的，等待破膜的這段時(shí)間，操作人員心情緊張。后來美國柯耐爾大學(xué)航空實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了雙膜法。氣壓直接破膜法就很少使用了。
3 氫氧燃燒和爆轟驅(qū)動技術(shù)
問：決定激波管和激波風(fēng)洞性能的核心技術(shù)是什么？
俞：激波管產(chǎn)生的氣流速度高、溫度高、壓力也高，提供何種能源即驅(qū)動方法是關(guān)鍵。氫氧燃燒驅(qū)動具有驅(qū)動能力強(qiáng)和費(fèi)用省的特點(diǎn)，五十年代初就受到各國普遍的重視。不過國外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：一是危險(xiǎn)，二是產(chǎn)生的試驗(yàn)氣流的品質(zhì)差。因此當(dāng)時(shí)已基本上停止使用而改為耗氣量大以及技術(shù)裝備復(fù)雜的高壓氦或氫驅(qū)動。我們當(dāng)時(shí)條件很差，氫氧燃燒驅(qū)動要求最低，只能采用氫氧燃燒驅(qū)動。當(dāng)時(shí)甚至連氫氣也難找到，后來獲悉電子管廠用氫氣焊接，請他們將富余出來的給我們一些做實(shí)驗(yàn)。
問：最初研究這種驅(qū)動技術(shù)常出事故，您是如何徹底弄清事故原因的？
俞：一開始做實(shí)驗(yàn)之前就知道不安全，因?yàn)閲獬隽撕芏嗍鹿?。按手冊上?jì)算，封閉容器內(nèi)氫氧燃燒產(chǎn)生的壓力不會超過初始值的十倍。實(shí)驗(yàn)用氫氧混合比超過手冊上的爆轟極限，理應(yīng)不會出現(xiàn)爆轟，即便出現(xiàn)了爆轟其峰值壓力也不到二十倍。而管體強(qiáng)度遠(yuǎn)超過上述數(shù)值，為什么還會出事故？為此我們探求出現(xiàn)高壓的各種可能性，其中有一種情況會產(chǎn)生極高的壓力，就是當(dāng)燃燒快接近完全時(shí)，管內(nèi)氣壓已經(jīng)升高數(shù)倍，這時(shí)出現(xiàn)了爆轟，爆轟波又在端面上反射，反射區(qū)峰壓可達(dá)初始值的幾百倍。每次事故爆裂處都在管體尾部，與我們所做的分析相符。手冊上的爆轟極限是初壓為大氣壓條件下測出的，初壓增大，爆轟極限也擴(kuò)大。根據(jù)這些認(rèn)識我們采取防范措施，到現(xiàn)在已經(jīng)幾十年了，再沒有發(fā)生嚴(yán)重事故。
問：1988年您提出了爆轟驅(qū)動技術(shù)，請您談一下這個技術(shù)的由來？
俞：爆轟驅(qū)動效應(yīng)出現(xiàn)得比較早。1953年，美國科學(xué)家實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了異常，產(chǎn)生的激波強(qiáng)度超常，他們提出了一種解釋。雖然他們是本領(lǐng)域的權(quán)威，但我不理解就沒有接受他們的觀點(diǎn)。1963年我做膜片處點(diǎn)火的氫氧燃燒驅(qū)動實(shí)驗(yàn)時(shí)，也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。我分析后認(rèn)為出現(xiàn)了反向爆轟驅(qū)動。郭先生問我證據(jù)何在？要我實(shí)際判定驅(qū)動段內(nèi)究競是燃燒還是爆轟。當(dāng)時(shí)我們的觀察手段極其缺乏，連測壓傳感器都沒有，只能靠知識來幫忙。燃燒時(shí)火焰陣面?zhèn)鞑ニ俣缺容^慢，燃燒過程中容器各處壓力相同，破膜時(shí)壓力與膜片強(qiáng)度直接相關(guān)。爆轟波以超聲速傳播，波后壓力突然升高，破膜壓力與爆轟氣體初始參數(shù)有關(guān)，而與膜片強(qiáng)度沒有直接關(guān)系。我們據(jù)此將燃燒驅(qū)動與爆轟驅(qū)動區(qū)別開。
國外學(xué)者分析認(rèn)為：在管尾部點(diǎn)火的正向爆轟驅(qū)動能力強(qiáng)于氫氧燃燒驅(qū)動，而反向爆轟驅(qū)動能力弱于氫氧燃燒驅(qū)動。他們重視正向爆轟驅(qū)動。加拿大多倫多大學(xué)航空實(shí)驗(yàn)室開展了前向爆轟驅(qū)動實(shí)驗(yàn)，證實(shí)前向爆轟驅(qū)動能力強(qiáng)于氫氧燃燒驅(qū)動。但是這種爆轟驅(qū)動產(chǎn)生的激波衰減非常厲害，不符合實(shí)用要求。國外對爆轟驅(qū)動的興趣就淡漠了。
我們的實(shí)驗(yàn)在膜片處點(diǎn)火，爆轟波是向上游傳播的，屬于反向爆轟驅(qū)動。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，實(shí)際上反向爆轟驅(qū)動能力仍然強(qiáng)于氫氧燃燒驅(qū)動。得出與理論分析相反的結(jié)果，這是因?yàn)榉治鲋形纯紤]管壁散熱和粘性引起的能量耗散所致。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果引導(dǎo)我們向正確的方向發(fā)展。但反向爆轟驅(qū)動時(shí)，驅(qū)動管尾部壓力非常高，此問題不解決，難以投入實(shí)用。不久文化大革命開始，不可能再開展這類研究了。但問題留在我心中并未遺忘，不時(shí)反復(fù)思考，終于構(gòu)思出在驅(qū)動段尾部串接一段卸爆管來消除爆轟波在驅(qū)動段內(nèi)產(chǎn)生的反射高壓想法。1988年德國Groenig教授請我去合作研究，利用這一機(jī)會在那里做實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證上述設(shè)想是否可行。1989年上半年，結(jié)合其他的實(shí)驗(yàn)工作，在北京考察了爆轟波和Taylor波后氣體的特性，采用“JF8”激波風(fēng)洞被驅(qū)動段做爆轟管，驅(qū)動段做卸爆管，多次實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性極佳[3]。1992年將階段結(jié)果發(fā)表后引起國際同行的關(guān)注，被國際的同行所了解[4]。
問：爆轟驅(qū)動技術(shù)有什么特點(diǎn)？
俞：爆轟驅(qū)動和燃燒驅(qū)動相比，驅(qū)動能力強(qiáng)，重復(fù)性好，試驗(yàn)氣流品質(zhì)更高。爆轟有固體爆轟，也有氣體爆轟。氣體爆轟比固體爆轟在某些方面還要危險(xiǎn)，外國人不太愿意干，我們條件差應(yīng)該干。其實(shí)爆轟驅(qū)動表面上危險(xiǎn)，實(shí)際上比氫氧燃燒驅(qū)動安全。
爆轟驅(qū)動技術(shù)不是模仿而是自己開創(chuàng)出來的，并獲得國外同行廣泛的認(rèn)可。雖然算不上重大成果，但這類非跟蹤工作我們很稀缺。80年代末我提出消除反射高壓的方法，開辟了反向爆轟驅(qū)動實(shí)用的途徑。隨后又提出雙爆轟驅(qū)動段消除跟隨在爆轟陣面后的Taylor稀疏波，使驅(qū)動能力更強(qiáng)的正向爆轟驅(qū)動也具有實(shí)用性。相比反向爆轟驅(qū)動，正向爆轟驅(qū)動能力強(qiáng)得多，但是由于跟隨在爆轟波后的Taylor膨脹波不斷追上入射激波，使得激波強(qiáng)度隨傳播距離和時(shí)間增加而嚴(yán)重衰減，產(chǎn)生的試驗(yàn)氣流品質(zhì)難以滿足氣動試驗(yàn)的要求。為克服這一障礙，近些年我構(gòu)思出雙爆轟驅(qū)動段方案，實(shí)驗(yàn)中在主爆轟段上游，增加反向爆轟驅(qū)動段，能夠完全消除Taylor膨脹波[5]。
4 自主研發(fā)激波風(fēng)洞測試儀器
問：激波管和激波風(fēng)洞的圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、設(shè)備儀器的安裝您都親自參與的？
俞：是的。我在同濟(jì)大學(xué)讀數(shù)學(xué)，在大連工學(xué)院學(xué)機(jī)械工程，會機(jī)械設(shè)計(jì)。早期的圖紙也是我自己畫的。為了省錢，激波管和激波風(fēng)洞也是我們自已動手安裝。好多測量儀器，也自己改造，甚至研制。我們自制儀器很簡單，但實(shí)用可靠。
激波管和激波風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)間很短促，因此各項(xiàng)操作的間隔時(shí)間要很準(zhǔn)確。六十年代初市場上還沒有數(shù)字延遲器產(chǎn)品，我們自己動手將實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字記時(shí)器改造為記時(shí)和延遲兩用，延時(shí)精度為1微秒，擴(kuò)展了數(shù)字計(jì)時(shí)器的功效并在實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮了重要的作用。我們通過改造，解決了當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)的急需。問題是這樣的：膜破時(shí)產(chǎn)生激波，試驗(yàn)時(shí)間只有幾毫秒，如何在這樣短的時(shí)間間隔內(nèi)啟動測量儀器測出數(shù)據(jù)，同步非常重要。那時(shí)候主要用電阻電容延時(shí)器，延時(shí)誤差大，做實(shí)驗(yàn)常常測不到數(shù)據(jù)。我們自己改制成的“數(shù)字延時(shí)器”發(fā)揮了重要作用。還有一些事也是當(dāng)時(shí)條件所迫，比如示波器壞了，弄出去修，經(jīng)常修完就不好用了。后來自己學(xué)著修。還有當(dāng)時(shí)經(jīng)費(fèi)不夠，示波器里面各種各樣的放大器也常接出來單獨(dú)使用。
紋影儀是流場觀察必需的儀器。由于經(jīng)費(fèi)缺乏，1962年先從別的實(shí)驗(yàn)室借了臺58-II型錐光紋影儀，增加了同步閃光系統(tǒng)，使其滿足激波風(fēng)洞使用要求。在使用中搞明白了儀器工作原理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室風(fēng)洞設(shè)備的具體情況，1964年在光機(jī)所協(xié)助加工光學(xué)部件基礎(chǔ)上，自制成直徑240毫米平行光閃光紋影儀。反射鏡是拋物面的，閃光光源的電容是無感的，火花是由氬弧射流導(dǎo)引的，這在當(dāng)時(shí)確有技術(shù)領(lǐng)先的一面。由于自巳設(shè)計(jì)配置，花費(fèi)也非常低。這臺紋影儀的某些部件一直沿用到90年代中后期。隨后，馬家歡等人又研制成模型自由飛測量系統(tǒng)。
激波管和激波風(fēng)洞特別適合氣動加熱率測量，開展這項(xiàng)工作的核心為薄膜電阻溫度計(jì)。當(dāng)時(shí)國際上普遍采用一種特制的鉑漿制造薄膜，由于禁運(yùn)，我們無法得到這種材料。便致用蒸發(fā)濺射制造薄膜，雖然麻煩但形成的薄膜品質(zhì)更高。
問：在自制薄膜電阻溫度計(jì)的時(shí)候，當(dāng)時(shí)沒有條件使用國際上的特制商品鉑漿制造金屬薄膜，采用真空濺射工藝，請問這種工藝怎樣制成當(dāng)時(shí)研究所需薄膜電阻溫度計(jì)？
俞：薄膜電阻溫度計(jì)是自己制作的，到現(xiàn)在為止也是自己做。因?yàn)樾阅懿粔蚍€(wěn)定，很難成為商品。我們選定首先發(fā)展瞬態(tài)表面熱流率測量技術(shù)。當(dāng)時(shí)國外都采用特制的鉑漿制造金屬薄膜：就是把白金溶化后刷在玻璃底座上，再經(jīng)過烘烤，金屬膜便制成了。我們無法得到這種材料，只好采用真空濺射工藝。這種工藝是將白金放在真空里面，在高電勢差條件下，讓白金的分子濺射在底座上形成薄膜。用這種方法制作電阻溫度計(jì)工藝比較麻煩，但膜厚可控，均勻性好，品質(zhì)更好。
電阻溫度計(jì)輸出的信號，需要數(shù)值計(jì)算才能得到表面熱流率，我們自主研制成熱電模擬網(wǎng)絡(luò)，從而可以實(shí)時(shí)測出表面熱流率。為滿足各種需求，我們接著又在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研制成耐沖刷的快速反應(yīng)銅箔量熱計(jì)和小尺寸同軸熱電偶。以后我們的經(jīng)驗(yàn)推廣到國內(nèi)有關(guān)單位，90年代我將這種制造工藝介紹給德國亞琛激波實(shí)驗(yàn)室，他們現(xiàn)在將自己制成的傳感器賣給許多實(shí)驗(yàn)室使用。
問：這個濺射的工藝有什么特點(diǎn)呢？
俞：最突出的特點(diǎn)在于薄，因?yàn)樽龅倪@個薄膜，分子是一個一個打上去的。薄膜電阻溫度計(jì)開辟了激波管和激波風(fēng)洞在氣動加熱環(huán)境測量應(yīng)用的途徑。但多年使用過程中也發(fā)現(xiàn)一些問題。最近幾年我建議做點(diǎn)改進(jìn)工作，或者創(chuàng)制另一種新傳感器替代它。

The Development Process of the Shock Tube and Shock Tunnel

—Interview with Yu Hongru Academician

Zhang Hengxu^*, Bai Xin^*, Zhao Yujie^*

？* (Department of Physics, Capital Normal University, Beijing 100048, China)

Abstract: The shock tube is the devices to produce the shock waves in the laboratory; the shock tunnel has a wide range of applications in aerodynamics. Yu Hongru academician is one of the earliest scientists who research the shock tube and shock tunnel in China, articipate in and presided over the shock tube with the development process of shock tunnel. In this article, through interviews to sort out the research process of shock tube in rupture automatically, Hydrogen combustion and detonation driver, and introduced the design and instrument modification in the development process of the shock tunnel.
Key words: Yu Hongru, shock tube, Shock tunnel, high-temperature gas dynamics

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