【科技日報】姜毅：為長征五號編織“火焰尾翼”
發(fā)布日期：2016-11-28 供稿：科技日報 編輯：楊晶 審核：王征 閱讀次數(shù)：
原文標題：姜毅：為長征五號編織“火焰尾翼”
人物檔案
姜毅，生于1965年，現(xiàn)為北京理工大學教授、博士生導(dǎo)師，宇航學院兵器發(fā)射理論與技術(shù)學科負責人，一直從事火箭導(dǎo)彈發(fā)射氣體動力學、火箭導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計和發(fā)射系統(tǒng)仿真等的研究工作。
11月3日晚，當長征五號點火升空時，姜毅正守在家中的電視機前，緊盯著畫面中那一簇簇耀眼奪目的火焰——長征五號點火的瞬間，數(shù)百噸水噴向火箭的尾翼，頃刻間，水化作的一團團巨型的水汽，成為了當晚夜空中絢麗的“火焰尾翼”。
歷時三年，北京理工大學宇航學院姜毅教授及其團隊承擔的海南航天發(fā)射場導(dǎo)流槽理論研究及縮比試驗工作，在這一刻交上了完美答卷。
設(shè)計創(chuàng)意十足 卻遭受質(zhì)疑
姜毅團隊大膽提出用“向火焰噴水”的方法縮短火焰長度，可一浪浪的質(zhì)疑聲，讓“噴水”方案看起來困難重重……
長征五號，在一眾火箭“兄弟”中，它是我國目前運載能力最大的新一代運載火箭，也是我國迄今為止研制的最大推力運載火箭。
為了托舉起這個龐然大物，點火時火焰同時從若干噴管中噴出，火焰的溫度之高不僅能極快地熔化鑄鐵和銅，高溫高速的燃氣還會產(chǎn)生強大的沖擊力。如果不能將其順暢地排出，火箭反濺的燃氣流會對運載火箭的安全產(chǎn)生嚴重影響，甚至可能釀成發(fā)射事故。
而位于火箭發(fā)射臺下端的導(dǎo)流槽，它的主要作用在于排導(dǎo)發(fā)射時產(chǎn)生的大量的高溫高速燃氣流，防止燃氣回火或沖向地面設(shè)施，保證火箭與地面設(shè)施的安全。
姜毅告訴科技日報記者，由于推力的增大，長征五號所需的能量相應(yīng)增多，發(fā)射時所噴射的火焰長度也大幅增長，這一切都給火箭發(fā)射帶來空前難題。
“火焰長度的增加，就意味著導(dǎo)流槽必須挖得更深才行；而深挖導(dǎo)流槽就會導(dǎo)致施工成本大幅增加?！?nbsp;總體設(shè)計單位當時就決定，發(fā)射場的導(dǎo)流槽必須采用新的設(shè)計思路。
如果不挖深坑，是否可以向燃氣流噴水呢？設(shè)計方案時，姜毅團隊憑借多年的研究經(jīng)驗和技術(shù)優(yōu)勢，配合發(fā)射場總體設(shè)計單位，大膽提出用“向火焰噴水”的方法縮短火焰長度。
水是否能讓火焰長度減短嗎？不少方案評審專家擔心，火箭發(fā)射時，火箭發(fā)動機噴管出口燃氣速度驚人（3個多馬赫數(shù)，超過了2000m/s），水能噴得進去嗎？會不會一碰到燃氣邊界就反彈了呢？
一浪浪的質(zhì)疑聲，讓“噴水”方案看起來困難重重。
10個月證明“向火噴水”可行
面對質(zhì)疑，姜毅選擇用數(shù)據(jù)說話。他們利用數(shù)值建模技術(shù)實現(xiàn)了“向燃氣流噴水”的理論分析……
面對質(zhì)疑，姜毅選擇用數(shù)據(jù)說話。僅用10個月時間，姜毅團隊就利用數(shù)值建模技術(shù)實現(xiàn)了“向燃氣流噴水”的理論分析，并配合發(fā)射場總體單位完成了上百種方案設(shè)計的理論研究。
那段時間，熬夜、加班對于姜毅來說都再尋常不過。
當時，姜毅的團隊兵分兩路，一頭在北京爭分奪秒地進行理論計算；另一頭則在西安試驗場連續(xù)奮戰(zhàn)3個多月，實驗一個接一個，短時間內(nèi)完成了大量的試驗任務(wù)。
拿出研究方案后，清晰的數(shù)據(jù)證明“噴水”的可行性?！巴?！”這一方案得到了在場所有專家及領(lǐng)導(dǎo)的贊許?；貞浧甬敃r的那一幕，嚴謹而靦腆的姜毅，激動得揮起手來，擺出了一個“OK”的手勢，臉上笑開了花。
光理論上可行還不夠，需要實踐進一步證明。姜毅教授帶領(lǐng)7名博士生和總體單位一起攻關(guān)，通過縮比噴水試驗，證明了通過向火箭燃氣流噴水可大幅降低燃氣射流核心區(qū)長度，為降低導(dǎo)流槽設(shè)計深度提供了重要的科學依據(jù)，大幅節(jié)約施工成本?！皣娝?，火焰的長度明顯縮短?；鹧娴拈L度短了，導(dǎo)流槽也就不必挖得那么深了?！苯阒钢娔X上的實驗動畫對記者說。
憑借這一首創(chuàng)的“向燃氣流噴水”方案，姜毅團隊征服了總體設(shè)計單位。最終，北京理工大學成為新型航天發(fā)射場導(dǎo)流槽設(shè)計的唯一合作單位，參與了我國新一代運載火箭導(dǎo)流槽理論研究和試驗驗證項目關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。
靈感乍現(xiàn) 雙弧形導(dǎo)流設(shè)計
“向火噴水”不是創(chuàng)意的全部，長征五號導(dǎo)流槽的雙弧形設(shè)計也蘊含著姜毅的智慧。而這不是雙弧形的第一次亮相……
“向火噴水”不是創(chuàng)意的全部，長征五號導(dǎo)流槽的雙弧形設(shè)計也蘊含著姜毅的智慧。
要兼容發(fā)射各種大推力火箭，這就對海南發(fā)射場的導(dǎo)流系統(tǒng)提出了更高的要求。為適應(yīng)長征五號嚴苛的發(fā)射條件，姜毅團隊提出了導(dǎo)流槽出口雙弧面設(shè)計技術(shù)。
長征五號升空的那一刻，巨大的燃氣團伏地而起，這便是雙弧面的“功勞”?！白尭邷馗咚俚娜細饬髻N著地面‘跑’，遠離發(fā)射裝置，降低了它對火箭的影響?！苯阏f。
而這不是雙弧形的第一次亮相。早在國慶60周年閱兵式上，一輛防空導(dǎo)彈發(fā)射車首次應(yīng)用了雙弧形設(shè)計。談及如何會有這樣的奇思妙想，姜毅坦言那是“被逼出來的靈感”。
2003年，兩家正在研制導(dǎo)彈發(fā)射車的軍工企業(yè)，同時遇到了難題——導(dǎo)彈發(fā)射時產(chǎn)生的巨大沖擊力，反作用到發(fā)射車上，很可能“導(dǎo)彈飛了，車也跟著飛了”。
臨近設(shè)計交付期，萬般無奈，他們不約而同找到了姜毅。時間緊迫，常規(guī)方法無法奏效，只能另辟蹊徑。接受任務(wù)時，他正坐在從武漢返回北京的火車上，旅途中一路苦思冥想，就在臨下車前，腦子突然蹦出了靈感——雙弧面。
以往的車載導(dǎo)流器都是平面，反作用力大；而弧面對燃氣流擾動小，反作用力小，對車的沖擊力也就小，“車就不會飛走了”。
正是這“由平變弧”的創(chuàng)意設(shè)計，讓導(dǎo)彈發(fā)射車減少了40%水平?jīng)_擊力。
邊境線上長大的武器迷
年少時，邊境線上的戰(zhàn)火紛飛，在姜毅心中打下了深深的烙印。這段經(jīng)歷也徹底改變了姜毅的人生軌跡……
1965年11月，姜毅出生在臨近中越交界的云南省開遠市。年少時，邊境線上的戰(zhàn)火紛飛，在姜毅心中打下了深深的烙印?！帮w機就從頭頂飛過，大炮和坦克就停在眼前?！苯慊貞浀?。
“那是我第一次感受到了國防力量的重要?！边@段經(jīng)歷也徹底改變了姜毅的人生軌跡。從那以后，姜毅便對飛機、導(dǎo)彈、火箭等產(chǎn)生了濃厚的興趣，上中學時便成了一個地道的軍事迷。
高考時，姜毅的成績在省內(nèi)名列前茅，分數(shù)上的優(yōu)勢足以讓他“橫掃”一眾名校。但執(zhí)著于心中的導(dǎo)彈情結(jié)，姜毅義無反顧地選擇了具有優(yōu)良傳統(tǒng)、以國防科技見長的北京工業(yè)學院（北京理工大學前身），把火箭導(dǎo)彈發(fā)射技術(shù)專業(yè)作為第一志愿。
于是，年僅16歲的姜毅從云南考到北京，進入了心儀的專業(yè)。然而，大一時的他還是個“愛想家”的少年，思念著萬水千山外的家鄉(xiāng)。直到大二，在學習了幾門專業(yè)基礎(chǔ)概論課后，“才漸漸有了感覺，入了門兒。”
本科畢業(yè)后，姜毅選擇在本校讀研，就在讀研期間，他第一次從書本走向了實打?qū)嵉陌l(fā)射——1987年，在西昌發(fā)射場，參與大推力運載火箭發(fā)射工位燃氣流理論分析工作。
“當時西昌發(fā)射場已經(jīng)建設(shè)完畢，我們主要參與的是工程系數(shù)的復(fù)核環(huán)節(jié)?！苯阏f，關(guān)于發(fā)射的一切以前只是書本上的數(shù)字，而直到自己站在巨型的發(fā)射臺旁，才真切地感受到一個個系數(shù)背后所承載的力量。
如今，姜毅則把更多的精力放在了培養(yǎng)學生上。他帶了兩門本科生的專業(yè)課：大四的《燃氣射流動力學》、大三的《火箭導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)概論》。27年的一線教學，他共帶出了15名博士，50多名碩士，其中絕大多數(shù)工作在航天、國防等部門。
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