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两院风采

​秉承优良传统,砥砺奋勇前行——高超声速强预冷空天动力研究团队


2021年12月13日 14:11        点击:[]

秉承优良传统,砥砺奋勇前行

——高超声速强预冷空天动力研究团队

北京航空航天大学高超声速强预冷空天动力研究团队由陈懋章院士组建,目标是将团队建设成为未来空天动力及先进能源技术研发领域的国际一流科技创新团队,主要从事高超声速强预冷发动机、超临界二氧化碳循环发电系统、微型油电混合航空动力系统及常规航空燃气涡轮发动机等技术研究。团队现有研究人员20余人,其中教授及副教授16人。

近五年来,团队承担国家级、省部级等科研课题60余项,在航空发动机等领域取得丰硕成果,先后获国家级科研成果奖项4项,省部级科研成果奖项10余项,并于2020年获全国创新争先团队奖。团队通过与中国航发、中航工业、航天科技、航天科工等企业以及国内著名高校的深入合作树立了在行业内的优势地位,同时开展同剑桥大学等世界一流大学的交流与合作,建立了广泛的国际联系。


高超声速强预冷空天动力研究团队


团队成立渊源与背景

团队由陈懋章院士以原北航发动机系404教研室为主要构架组建,最初主要从事航空燃气涡轮发动机叶轮机内复杂流动机理及气动设计等方面的研究。这一阶段,团队针对航空燃气涡轮发动机叶轮机气动设计开展了攻关研究,承担多项国家重大、重点科研项目及大量其他科研任务,并取得了丰硕的研究成果。成功突破了“低速大尺寸压气机台及动态测量技术”、“带弯扭扰流片的压气机处理机匣”、“前掠后置式大小叶片压气机”、“紧凑对转涡轮”等关键技术,成为了国内领先、国际先进的叶轮机气动领域研究团队。


2010年以来,团队瞄准国家高超战略未来需求,在原团队研究方向的基础上,开创了高超声速强预冷发动机研究方向。经过十多年发展,团队围绕空天动力技术,不断吸纳相关专业力量,目前已形成以高超声速强预冷发动机技术为核心研究方向,以超临界二氧化碳循环发电系统、微型油电混合航空动力系统及常规航空燃气涡轮发动机等技术为主要研究方向的综合性技术团队。


2018,北航揭牌成立航空发动机研究院和航空发动机国际学院(以下简称“两院”),团队以邹正平教授为团队负责人加入“两院”大家庭,并进一步吸纳年轻力量和新鲜血液,翻开了团队发展的崭新一页。团队在原有研究方向和科研任务的基础上,积极参与“两院”有组织的科研,全力投入到“4+1+1”科研任务当中,为我国航空发动机实现自主创新贡献力量。

团队文化

陈懋章院士是我国著名的航空发动机专家,作为老一辈的中国航发人,一直秉持着面向工程应用、创新引领、服务装备发展的理念,多年来在叶轮机械、常规航空发动机、高超声速新型航空发动机等领域做出了突出贡献。陈院士是我们团队的建立者,也是团队的学术带头人和指引者,同时也是团队所有成员追赶和学习的标杆。团队始终秉承陈院士团队一贯以来面向未来动力、坚持原创发展、面向工程应用、服务国防装备发展的精神,经过多年发展,形成了与之一致的团队文化和团队精神。

瞄准未来空天动力,坚持原创发展之路

可水平起降、重复使用高超声速飞行器是抢占未来战争制高点的重器,是支撑空天一体、攻防兼备战略的核心力量。动力是高超飞行器的关键,目前制约高超声速技术发展的关键问题之一是动力瓶颈——无工程可用的动力方案。2010年前后,国内研究机构主要基于已有方案组合探索高超动力时,团队在调研了国际上最新发展动态的基础上,创新提出了高超声速强预冷发动机新概念,根本上解决了高速工作时面临的极端热问题、已成为我国高超声速动力领域重要的发展方向。


历时十载春秋,团队高超声速强预冷方向从无到有,从小到大迅速成长,年轻科研骨干逐渐加入,补充了制造等学科专业,实现了各专业强强联合,形成了多学科集智攻关队伍,覆盖气体动力学、传热学、固体力学、燃烧学、材料力学、制造工艺等学科。在国家加强原始创新、解决重大科学问题精神导引下,以高超动力总体技术为牵引、在紧凑快速强换热、高效叶轮机械、高效燃烧、宽速域进排气、精密加工制造等强预冷发动机涉及的领域突破了多项关键技术,创新提出了兼具高性能及工程可实现性的高超声速强预冷发动机FAPEPCTBCC方案,攻克了多系统复杂耦合热力循环及能量高效转化难题,建立了高超声速强预冷发动机总体分析及设计体系,大幅提升了我国高超声速强预冷发动机设计水平,从无到有的形成了高超声速强预冷发动机研究及验证能力,取得了以紧凑快速强换热器技术(实现0.02秒实现温降600K)为代表的多项国内领先、国际一流的原创性成果,多项成果已在航天科工、航天科技、航空工业、中国航发、总装29基地等单位成功应用。


多年来团队瞄准国家高超战略未来需求做出了重要贡献,并于2020年获得第二届全国创新争先奖创新团队荣誉,这不仅是对团队创新能力的肯定,也坚定了团队服务国家重大需求的信心与信念。

团队获得2020年全国创新争先团队奖


面向航发工程应用,致力国防装备发展

航空发动机的研究与研制是一项复杂的工程科学问题,科学研究要能够为航空发动机自主研制进程做出贡献,就不能脱离工程需求与工程应用。


19922月到19977月,陈懋章院士负责WP13B型发动机压气机处理机匣的改进研制工作,从工程实际需求出发,勇于破除前苏联处理机匣的光环,抱着批判质疑的态度来研究现有技术,发明了新型的带弯扭绕流叶片的压气机处理机匣,使得发动机和飞机性能明显提高,之后发动机从未再发生过放炮、喘振或空中停车等现象,有效地消除了原有故障。该发明是WP13B发动机研制成功的关键技术之一并于1999年被授予国家技术发明二等奖。这一研究成果是面向工程需求,解决工程问题,服务国防装备发展的典型案例。


研究方向从工程需要中来,研究内容紧密结合工程实际,研究成果应用于装备发展,这是团队自陈院士建立以来一直秉承的科研精神和优良传统。


高推重比航空发动机是先进军用战斗机超声速巡航、机动/敏捷性和综合战力的核心保障。新世纪初,美国第四代高隐身性战机F22服役,其动力F119发动机将推重比提高至10级,远高于我国推重比8级的第三代发动机,进一步扩大了美军战斗机的“代差优势”。为缩小我国与美军的战力差距,发展推重比10级的高推重比军用发动机迫在眉睫,而先进对转涡轮则为其关键技术之一。旨在服务国家重大战略装备发展需求,团队从2005年起与航发研究院所深入合作,围绕先进紧凑对转涡轮开展独立自主技术攻关,从原理机理-设计方法-试验验证开展了系统全面的研究,探索并创新出具备国际先进水平的紧凑对转涡轮技术。团队提出了多耦合紧凑对转涡轮先进布局理论,发展了考虑材料强度和重量的多种构型对转涡轮统一气动设计方法,形成了先进收扩叶型造型方法,阐明了对转涡轮内膨胀波/激波系非定常演化机理并提出了工程适用的复杂激波系控制方法。在此基础上,研制出国内首台全尺寸对转涡轮样件,将涡轮轴向长度缩短25%,且大幅降低涡轮部件重量。验证试验结果表明对转涡轮性能指标与四代机相当,直接为我国先进高推重比发动机的研制提供了关键理论和技术支撑,该成果荣获2014年国家技术发明二等奖。


多年以来,团队与国内航发研究院所深入合作,针对型号研制的工程实际需要,利用团队积累的技术开展了大量的合作研究,解决了大量工程实际问题,孵化出大量优秀的科研成果并应用到实际型号研制、改进任务当中。在新的发展阶段,团队依托“两院”平台,开展有组织的科研,深入参与“4+1+1”任务,以国家航空发动机重点战略需求为指引,面向工程应用,为航发装备发展做出有力贡献。

紧凑对转涡轮技术

艰辛开辟全新平台,疫情坚守彰显情怀

一个优秀的团队一定由优秀的团队成员组成,团队的发展与团队的丰硕成果离不开团队成员长久的奋斗与奉献。北航高超声速强预冷空天动力研究团队正是由一群心怀空天报国情怀,不畏艰险,迎难而上,拼搏奋进的优秀成员所组成。


为支撑未来空天动力和先进能源技术的发展,团队于2017年在北京航空航天大学与江西省鹰潭市贵溪经开区的支持下启动了北航贵溪航空发动机技术实验室的筹建工作。20186月,厂房、供水供电以及大流量高压气源等基础设施建设和调试完毕。当年年底,首批试验平台正式入驻北航贵溪实验室,此时刚刚建成的实验室配套条件极为有限,甚至不具备基本的室内照明条件,但相关团队成员不畏艰辛,日夜兼程,紧密筹备,在不到一个月的时间内恢复了高速叶栅试验系统,并顺利完成实验任务。除了建设初期的简陋条件,实验室驻地的高温环境也给团队工作的开展带来了不小的挑战。盛夏时节,实验室室内温度经常高达40摄氏度以上,如此苛刻的工作环境却并未影响团队成员的科研与工作热情,在团队博士研究生陈一鸣、李欢等同学的带领下,团队顺利完成了超预冷器实验台及微型燃气涡轮发电机实验台的建设,相关技术指标达到了国际先进水平。





团队成员在实验室热情工作


面对突如其来的新冠肺炎疫情,为确保实验任务按时完成,团队积极向学校和学院提出实验室复工申请。在疫情期间实验室所有成员均坚守各自的岗位,严格遵守疫情防控要求,在全封闭管理的情况下,克服生活上的种种困难,坚持工作,保证了实验室的正常运转,为多项科研项目工作的顺利开展保驾护航。


在团队成员的辛劳付出与不懈努力下,短短3年时间内,北航贵溪航空发动机技术实验室便拥有了具备国际领先水平的超预冷器性能验证实验台;用于验证超高速径流式叶轮、紧凑高效原表面回热器、新型高速空气动压箔片轴承、高效燃烧室及超高速永磁同步电机等关机部件设计技术的微型燃气涡轮发电机综合实验台;国内唯一具备端壁运动模拟能力的大范围可变攻角涡轮叶栅实验台等具备国际先进水平的实验设施,形成了涡轮喷气航空发动机、高超声速飞行器动力、微小型燃气轮机、超临界二氧化碳发电等系统的实验测试技术、系统及关键部件设计技术和加工制造技术的攻关以及相关产品的研发能力。

北航贵溪航空发动机技术实验室


团队未来展望

北航高超声速强预冷空天动力研究团队发源自陈懋章院士所领导的具有光荣历史积淀的北航404教研室,流淌着老一辈航发人的光荣血脉。勇于开拓,瞄准未来技术攻坚克难;坚持创新,自主研发开辟新方向;脚踏实地,紧密结合工程实际解决工程问题;心系国防,服务国家重大战略发展需求。优良的传统和科研精神是所有团队成员奋勇向前的精神给养与强大动力。


如今团队步入新阶段,加入“两院”大家庭,开展有组织科研,乘上了校企合作的新“春风”,可谓是“潮平两岸阔,风正一帆悬”,团队发展也必将迎来新高度,抓住新机遇,战胜新挑战。团队也将继续发扬优良传统,开拓进取,砥砺奋勇前行,在“两院”的平台上发光发热,为中国航空发动机实现自主研制进程贡献力量





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