激波管与激波风洞的研制1)

—俞鸿儒院士访谈录

？ 张珩旭^{* 2}）白欣^* 3)赵玉杰^{* 4)}

*（首都师范大学 物理系，北京，100048）

[caption id="attachment_1317" align="aligncenter" width="300"] 2012年10月22日张珩旭（右）与受访人俞鸿儒院士在力学所办公室的合影[/caption]
俞鸿儒（1928—），气体动力学家。1956年，中科院公开招收研究生，俞鸿儒报考了力学研究所流体力学专业研究生并顺利被录取，导师为钱伟长先生，入学后转交刚回国的郭永怀先生指导，俞鸿儒从此开始了在中科院力学所几十年研究工作。在高超声速、高焓流动实验研究方面获得多项重要研究成果，为国家安全和经济建设作出了贡献。
激波管是实验室内产生激波的设备，20世纪50年代成为研究发展的热点。俞先生作为我国最早研究激波管和激波风洞的科学家，为我们讲述了我国大型激波风洞的研制历程。
本文是在对俞鸿儒院士采访的基础上整理而成。
访谈时间：2012年10月22日、12月23日、2013年1月22日
访谈地点：中科院力学所俞鸿儒院士办公室、俞鸿儒院士家中
1？ 接触激波管和激波风洞
问：当时怎样接触到这一课题？
俞：我来力学所后感到所长和导师非常重视做实验。郭先生告诉我们，他自己没有实验工作经验，所里其他科学家也是这样。开展实验工作需要物质条件支持，当前所里条件很差，以后会好起来。但国家经济还不发达，在相当长的时间里，不可能达到发达国家的水平。你们不可能也不应该照葫芦画瓢模仿别人，一定要尽力去发展适合国情的实验方法。
1958年初，钱学森和郭永怀两所长决定成立第八个研究组——激波管组，做气体方面的实验工作[1]。这个组与已成立的组有明显的不同，之前的组长都是科学家，研究组的名称是学科名称。而这个组以实验装置命名，指定我担任组长，在郭先生指导下工作。
问：那您们开始怎样开展实验工作呢？
俞：做实验首先要创建实验条件：建造实验装置并配备测量仪器。郭先生没有让我们仿造马上就可以使用的装置。在超高速流动实验方面，他认为：“大型高超声速风洞将来是必需的。我国经济和技术基础差，难以仿效发达国家依靠大型常规高超声速风洞的办法。何况常规风洞加热达到的高温受限，难以模拟超高速飞行器周围的高温绕流。”激波管能产生高温和高压气体且费用低廉，他让我探索在国内条件下研制激波风洞的方法。郭先生预计做这项工作难度相当大，为此他为我们营造宽松的工作环境：一是无需制定进度计划，只要求持续不断的有正面或反面的进展；再就是想怎么干就什么干，把想法和结果告诉他就可以。
张：研究课题的条件如何？
俞：我们经费很少，人员也不多。建造完JF4、JF4A、JF8(仅本体)三座激波风洞，仪器设备全部支出不到30万。高超声速风洞的喷管一般采用不锈钢制造，造价比较贵。我们经过分析和实验考核后改用优质铸铁制造喷管，由于材料费便宜和加工容易，造价可降低一个量级。那时候机械加工收费也很低。我们使用土办法做的东西很巧，当然也不是一下子做到的，是在实践过程中遭遇挫折后逐步改进得到的。50年代国内电子仪器水平很差，要在毫秒级时间间隔内观察和测量非常困难。国外尤其是美国的条件好，他们开展工作比较方便，而我们做实验非常艰难。
2？ 激波风洞的破膜问题
问：您为什么一开始就舍弃了激波管的破膜机构，采用气压直接破膜，这个想法的由来是怎样的？
俞：激波管主要的结构就是两段管子，一段高压管一段低压管，两者之间的膜一破产生激波，这个膜和破膜技术是关键。最初想按国外通用的方案设计破膜机构，就是在膜的上游安置一个三棱的刺锥，将膜撕开；缺点是容易漏气以及刺膜机构干扰驱动气体流场。在钱学森先生的鼓励下我改用气压直接破膜。因为膜在两边气体压差作用下，当膜快破了，刺膜才能将膜完全打开。否则刺膜只会形成一个小洞。既然如此，何不使用气压直接破膜[2]？
问：气压直接破膜有没有其他问题呢？
俞：破膜机构破膜时破膜压力易于精确控制。气压直接破膜时，破膜压力决定于膜片强度，驱动气体压力会不会有高有低呢？我们就做上百次破膜试验，考察破膜压力散布有多大？开始时破膜压力散布比较大。当时的膜片是用模具冲出来的，由于铝板中间厚两边薄，使冲出来的膜片厚薄不一。膜片有效厚度不易测准，便改用天平称重，按重量将膜片分组使用。分组后破膜压力散布可控制在百分之一以内，问题就解决了。气压直接破膜还有个问题，气压是慢慢升高的，等待破膜的这段时间，操作人员心情紧张。后来美国柯耐尔大学航空实验室发明了双膜法。气压直接破膜法就很少使用了。
3 氢氧燃烧和爆轰驱动技术
问：决定激波管和激波风洞性能的核心技术是什么？
俞：激波管产生的气流速度高、温度高、压力也高，提供何种能源即驱动方法是关键。氢氧燃烧驱动具有驱动能力强和费用省的特点，五十年代初就受到各国普遍的重视。不过国外实践经验表明：一是危险，二是产生的试验气流的品质差。因此当时已基本上停止使用而改为耗气量大以及技术装备复杂的高压氦或氢驱动。我们当时条件很差，氢氧燃烧驱动要求最低，只能采用氢氧燃烧驱动。当时甚至连氢气也难找到，后来获悉电子管厂用氢气焊接，请他们将富余出来的给我们一些做实验。
问：最初研究这种驱动技术常出事故，您是如何彻底弄清事故原因的？
俞：一开始做实验之前就知道不安全，因为国外出了很多事故。按手册上计算，封闭容器内氢氧燃烧产生的压力不会超过初始值的十倍。实验用氢氧混合比超过手册上的爆轰极限，理应不会出现爆轰，即便出现了爆轰其峰值压力也不到二十倍。而管体强度远超过上述数值，为什么还会出事故？为此我们探求出现高压的各种可能性，其中有一种情况会产生极高的压力，就是当燃烧快接近完全时，管内气压已经升高数倍，这时出现了爆轰，爆轰波又在端面上反射，反射区峰压可达初始值的几百倍。每次事故爆裂处都在管体尾部，与我们所做的分析相符。手册上的爆轰极限是初压为大气压条件下测出的，初压增大，爆轰极限也扩大。根据这些认识我们采取防范措施，到现在已经几十年了，再没有发生严重事故。
问：1988年您提出了爆轰驱动技术，请您谈一下这个技术的由来？
俞：爆轰驱动效应出现得比较早。1953年，美国科学家实验时出现了异常，产生的激波强度超常，他们提出了一种解释。虽然他们是本领域的权威，但我不理解就没有接受他们的观点。1963年我做膜片处点火的氢氧燃烧驱动实验时，也出现了类似的现象。我分析后认为出现了反向爆轰驱动。郭先生问我证据何在？要我实际判定驱动段内究竞是燃烧还是爆轰。当时我们的观察手段极其缺乏，连测压传感器都没有，只能靠知识来帮忙。燃烧时火焰阵面传播速度比较慢，燃烧过程中容器各处压力相同，破膜时压力与膜片强度直接相关。爆轰波以超声速传播，波后压力突然升高，破膜压力与爆轰气体初始参数有关，而与膜片强度没有直接关系。我们据此将燃烧驱动与爆轰驱动区别开。
国外学者分析认为：在管尾部点火的正向爆轰驱动能力强于氢氧燃烧驱动，而反向爆轰驱动能力弱于氢氧燃烧驱动。他们重视正向爆轰驱动。加拿大多伦多大学航空实验室开展了前向爆轰驱动实验，证实前向爆轰驱动能力强于氢氧燃烧驱动。但是这种爆轰驱动产生的激波衰减非常厉害，不符合实用要求。国外对爆轰驱动的兴趣就淡漠了。
我们的实验在膜片处点火，爆轰波是向上游传播的，属于反向爆轰驱动。我们的实验结果显示，实际上反向爆轰驱动能力仍然强于氢氧燃烧驱动。得出与理论分析相反的结果，这是因为分析中未考虑管壁散热和粘性引起的能量耗散所致。我们的实验结果引导我们向正确的方向发展。但反向爆轰驱动时，驱动管尾部压力非常高，此问题不解决，难以投入实用。不久文化大革命开始，不可能再开展这类研究了。但问题留在我心中并未遗忘，不时反复思考，终于构思出在驱动段尾部串接一段卸爆管来消除爆轰波在驱动段内产生的反射高压想法。1988年德国Groenig教授请我去合作研究，利用这一机会在那里做实验，验证上述设想是否可行。1989年上半年，结合其他的实验工作，在北京考察了爆轰波和Taylor波后气体的特性，采用“JF8”激波风洞被驱动段做爆轰管，驱动段做卸爆管，多次实验的重复性极佳[3]。1992年将阶段结果发表后引起国际同行的关注，被国际的同行所了解[4]。
问：爆轰驱动技术有什么特点？
俞：爆轰驱动和燃烧驱动相比，驱动能力强，重复性好，试验气流品质更高。爆轰有固体爆轰，也有气体爆轰。气体爆轰比固体爆轰在某些方面还要危险，外国人不太愿意干，我们条件差应该干。其实爆轰驱动表面上危险，实际上比氢氧燃烧驱动安全。
爆轰驱动技术不是模仿而是自己开创出来的，并获得国外同行广泛的认可。虽然算不上重大成果，但这类非跟踪工作我们很稀缺。80年代末我提出消除反射高压的方法，开辟了反向爆轰驱动实用的途径。随后又提出双爆轰驱动段消除跟随在爆轰阵面后的Taylor稀疏波，使驱动能力更强的正向爆轰驱动也具有实用性。相比反向爆轰驱动，正向爆轰驱动能力强得多，但是由于跟随在爆轰波后的Taylor膨胀波不断追上入射激波，使得激波强度随传播距离和时间增加而严重衰减，产生的试验气流品质难以满足气动试验的要求。为克服这一障碍，近些年我构思出双爆轰驱动段方案，实验中在主爆轰段上游，增加反向爆轰驱动段，能够完全消除Taylor膨胀波[5]。
4 自主研发激波风洞测试仪器
问：激波管和激波风洞的图纸设计、设备仪器的安装您都亲自参与的？
俞：是的。我在同济大学读数学，在大连工学院学机械工程，会机械设计。早期的图纸也是我自己画的。为了省钱，激波管和激波风洞也是我们自已动手安装。好多测量仪器，也自己改造，甚至研制。我们自制仪器很简单，但实用可靠。
激波管和激波风洞试验时间很短促，因此各项操作的间隔时间要很准确。六十年代初市场上还没有数字延迟器产品，我们自己动手将实验室的数字记时器改造为记时和延迟两用，延时精度为1微秒，扩展了数字计时器的功效并在实验中发挥了重要的作用。我们通过改造，解决了当时实验的急需。问题是这样的：膜破时产生激波，试验时间只有几毫秒，如何在这样短的时间间隔内启动测量仪器测出数据，同步非常重要。那时候主要用电阻电容延时器，延时误差大，做实验常常测不到数据。我们自己改制成的“数字延时器”发挥了重要作用。还有一些事也是当时条件所迫，比如示波器坏了，弄出去修，经常修完就不好用了。后来自己学着修。还有当时经费不够，示波器里面各种各样的放大器也常接出来单独使用。
纹影仪是流场观察必需的仪器。由于经费缺乏，1962年先从别的实验室借了台58-II型锥光纹影仪，增加了同步闪光系统，使其满足激波风洞使用要求。在使用中搞明白了仪器工作原理，根据实验室风洞设备的具体情况，1964年在光机所协助加工光学部件基础上，自制成直径240毫米平行光闪光纹影仪。反射镜是抛物面的，闪光光源的电容是无感的，火花是由氩弧射流导引的，这在当时确有技术领先的一面。由于自巳设计配置，花费也非常低。这台纹影仪的某些部件一直沿用到90年代中后期。随后，马家欢等人又研制成模型自由飞测量系统。
激波管和激波风洞特别适合气动加热率测量，开展这项工作的核心为薄膜电阻温度计。当时国际上普遍采用一种特制的铂浆制造薄膜，由于禁运，我们无法得到这种材料。便致用蒸发溅射制造薄膜，虽然麻烦但形成的薄膜品质更高。
问：在自制薄膜电阻温度计的时候，当时没有条件使用国际上的特制商品铂浆制造金属薄膜，采用真空溅射工艺，请问这种工艺怎样制成当时研究所需薄膜电阻温度计？
俞：薄膜电阻温度计是自己制作的，到现在为止也是自己做。因为性能不够稳定，很难成为商品。我们选定首先发展瞬态表面热流率测量技术。当时国外都采用特制的铂浆制造金属薄膜：就是把白金溶化后刷在玻璃底座上，再经过烘烤，金属膜便制成了。我们无法得到这种材料，只好采用真空溅射工艺。这种工艺是将白金放在真空里面，在高电势差条件下，让白金的分子溅射在底座上形成薄膜。用这种方法制作电阻温度计工艺比较麻烦，但膜厚可控，均匀性好，品质更好。
电阻温度计输出的信号，需要数值计算才能得到表面热流率，我们自主研制成热电模拟网络，从而可以实时测出表面热流率。为满足各种需求，我们接着又在实验室内研制成耐冲刷的快速反应铜箔量热计和小尺寸同轴热电偶。以后我们的经验推广到国内有关单位，90年代我将这种制造工艺介绍给德国亚琛激波实验室，他们现在将自己制成的传感器卖给许多实验室使用。
问：这个溅射的工艺有什么特点呢？
俞：最突出的特点在于薄，因为做的这个薄膜，分子是一个一个打上去的。薄膜电阻温度计开辟了激波管和激波风洞在气动加热环境测量应用的途径。但多年使用过程中也发现一些问题。最近几年我建议做点改进工作，或者创制另一种新传感器替代它。

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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