好風憑借力 展翅任翱翔

倪海波

相信很多讀者朋友都對國慶70周年閱兵儀式記憶猶新。此次閱兵儀式上，空中方隊共出動各型飛機160余架，形成空中護旗梯隊、領隊機梯隊、預警指揮機梯隊、海上巡邏梯隊等12個空中梯隊。很多軍迷聚在北京市通州區果村附近的一座天橋上，拍攝從通州出發前往天安門廣場參加閱兵的飛機，直呼“過癮”。

而國慶期間上映的影片《我和我的祖國》中的小故事《護航》，則以2015年9月3日天安門閱兵以及2017年7月30日朱日和閱兵的歷史事件為背景，向觀眾講述了空軍飛行員肩負重任背后的默默堅守與無悔付出。

事實上，讓軍迷“過癮”、讓觀眾感動的背后，不僅僅是飛行員的默默堅守與無悔付出，更凝結著無數科技工作者的執著、心血、汗水和激情。可以說，近代飛行能力的每一次突破，都與航空發動機技術的發展直接相關。

早在20世紀50年代，航空發動機就已經享有“現代工業皇冠上的明珠”之稱，從基礎材料、工業設計到工藝方法，幾乎都要達到工業中的最高要求。它強，則戰機強壯靈活；它弱，則戰機羸弱無力。毫不夸張地說，航空發動機是保證國家安全、彰顯強國地位的航空武器裝備的“心臟”。

作為我國從事航空發動機、火箭發動機工作過程研究的行業專家，王兵的工作無疑使這顆“心臟”的跳動更加強勁和有力。

“祖國的需要就是我的動力”

初見王兵，驚訝于他的年輕和活力。

王兵的科研工作面向航空發動機、火箭發動機等動力系統的工作過程，主要開展極端條件下燃燒室的湍流兩相流動與燃燒的基礎與工程應用研究。他作為課題負責人，承擔了國家科技工程、重點研發計劃、國家自然科學基金等40多項重要科研任務，在極端條件噴霧燃燒、高速稀薄點火理論以及變推力發動機等研究中的關鍵技術攻關方面做出了突出貢獻。主要領域影響包括：“探月工程”落月變推力發動機關鍵技術攻關成果及成功應用；姿控發動機基礎理論及成功應用；衛星通用第二代發動機推力室關鍵技術及成功應用；發動機燃燒不穩定性機理及評估方法。

拋開面上這些看起來艱深難懂的專業名詞，現實中見到的王兵，親切、隨和，接受采訪時的語速不急不緩、徐徐道來，有種使人安心的溫暖。這位已經在清華大學度過二十幾個寒暑冬夏的青年學者，對自己的母校和所從事的專業研究有著一份特殊的情感和使命感。

1996年，王兵由河北省唐山市第一中學考入清華大學工程力學系工程熱物理專業學習，2000年7月獲工學學士學位，2000年9月保送直接攻讀清華大學工程力學系工程熱物理專業碩博連讀研究生，研究方向為湍流燃燒與兩相流體動力學。2003年獲得清華大學特等獎學金，2005年1月畢業并獲工學碩士、博士學位。

博士畢業后，王兵留在了母校清華大學工作，不久后，他獲得了德國“洪堡”獎學金，赴德國慕尼黑工業大學訪問研究，2年后重新回到清華大學，工作至今。

當時，正值清華大學航天航空學院剛剛成立，王兵所在的工程力學系從機械工程學院劃轉航天航空學院，這也成為王兵選擇自己科研方向的一個良好契機：“我希望我能夠進入到非常前沿的技術領域，去契合國家在動力領域、新型推進方式，乃至新型飛行器等航空航天領域的重大需求。”

很快，機會來了，被譽為“中國航天動力之鄉”的中國航天推進技術研究院（中國航天科技集團公司第六研究院，以下簡稱“航天六院”）的相關科研人員看到王兵以往發表的學術文章，認為與航天六院以往科研過程中遇到的一些問題相吻合，希望雙方合作進行更深一步的研究，這為王兵的科研方向提供了一個良好開端：“所以，我的研究一直圍繞著動力領域里面的一些關鍵問題，比如液態燃料怎樣才能霧化得更好，怎樣組織燃燒才能讓發動機的性能更好等一系列相關問題，這也是我們國家確實需要大力發展的領域。”

潛心研究，解決技術難題

多年來，王兵帶領團隊針對航空宇航發動機燃燒室極端條件下兩相流動與燃燒，針對強可壓縮兩相流動，超聲速燃燒相關的混合、著火與火焰傳播以及連續旋轉爆震燃燒穩定性等方面開展研究工作，研究成果應用于發動機實際工程問題，截至2019年年底，共發表學術論文180余篇，SCI檢索100篇，論文引用次數超過500次。

強可壓縮兩相流動高精度數值軟件——解決多項發動機關鍵技術難題

受國家科技工程、國家自然科學基金等項目的支持，面向極端以及臨界條件下的兩相流動與燃燒問題，特別針對火箭發動機、航空發動機、沖壓發動機燃燒室內的高壓噴射過程，王兵帶領課題組完全自主地開發了強可壓縮兩相流動高精度數值模擬軟件，研究解決了若干關鍵技術難題。

針對含氣液界面的強壓縮兩相流動問題，王兵團隊提出適應性變模板點WENO-IS的高精度格式，解決了強可壓縮與大密度比界面相互作用模擬中的數值振蕩問題，基于準守恒Gama-輸運方程的界面捕捉方法結合界面銳化技術，耦合廣義的剛性狀態方程，成功實現了發動機內燃燒室強可壓縮兩相流動高精度數值模擬。針對高速發動機燃燒室中廣泛存在的激波與液滴相互作用挑戰性難題，王兵團隊通過實驗，獲得了液滴初始變形階段的幾何形態與完整圖譜，精細描述了液滴內部波系時空演化規律，完整系統地解釋了液滴曲面反射的膨脹波聚焦導致的局部空化機理。針對自擊撞擊霧化問題，王兵團隊根據實驗數值，揭示出撞擊波的產生機理及其對撞擊液膜破碎的作用規律，建立了關聯撞擊噴射幾何參數和流動參數的霧化模型。

上述軟件與成果為工程應用提供了不可或缺的重要工具和理論指導，在發動機燃燒室燃料噴注結構設計中起到關鍵作用，目前主要應用于兩項工作：一是針對“探月工程”落月發動機，集成燃燒模型的研究成果，成功實現了我國首次研制的針栓式發動機推力室工作過程的數值仿真，為推力室選型、推進劑匹配以及工作參數優化提供了定量依據，為我國成功研制大變推力比發動機做出了重要貢獻。二是基于建立的自燃推進劑點火模型，發展了特殊環境發動機在耦合內外流條件下完整工作過程的數值模型，在其首飛前給出了成功點火和穩定工作的物理機制與條件，遙測數據與仿真結果一致，為某平臺的首飛成功做出了貢獻。

王兵團隊總結基礎研究獲得的大量模型、算法和數據，完成了30余篇相關論文，發表在業內頂級期刊上，包括Journal of Fluid Mechanics、Physics of Fluids、International Journal of Heat and Mass Transfer和Iternational Journal of Multiphase Flow等期刊，受到了國內外同行的積極評價，發表在Journal of Fluid Mechanics、Acta Astronautica、 International Journal of Heat and Mass Transfer、Physics of Fluids、International Journal of Multiphase Flow等多篇論文均引用了王兵的研究成果，肯定了他在強可壓縮兩相流動方面的創造性工作。

噴霧燃燒高精度數值模擬軟件——為發動機設計提供指導和工具

獲得穩定的液霧燃燒是發動機研制的關鍵，在國家科技工程、國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的支持下，王兵帶領團隊完全自主地開發了一套面向發動機燃燒室設計與性能分析的專門軟件：“噴霧燃燒高精度數值模擬軟件——TURF-Sim”，已獲得軟件著作權及工程轉化。該軟件是我國自產的能夠用于各類真實發動機燃燒室多物理過程的高效仿真，可同時實現百億網格規模、十萬核以上的高效并行計算，在我國“天河二號”以及E級原型計算機群上進行了完美測試。特別指出該軟件巨大的前處理功能，在面對真實復雜燃燒室構型時，僅需要分鐘量級的結構體辨識和網格離散，這為工程應用提供了極大便利！

針對超聲速混合層流動，王兵團隊通過數值仿真，研究了斜激波對超聲速混合層流動的作用規律，發現斜激波誘導的斜壓梯度改變了不同方向湍動能分配機制，提高了混合效率。針對超聲速液霧兩相混合層，王兵團隊基于大尺度渦的時空演化，系統分析了燃料液霧尺寸和燃料負載比等參數對著火與火焰傳播過程及熄火模式的影響，發現在大尺度渦的邊緣率先著火，在顆粒彌散、燃料蒸發、火焰傳播及擬序結構相互作用下形成了擴散和預混等火焰形態，并出現了由強拉伸和燃料供給不足等因素導致的多種熄火模式。在氫氣/空氣超音速混合層中，王兵團隊根據數值仿真結果，發現當剪切渦團預混氣的著火延遲時間大于渦脫落時間時，會發生“局部準定容燃燒”，從而誘發燃燒不穩定性，首次提出了“第三鄧克爾數”進行表征。

上述研究結果為超燃沖壓發動機燃燒室增混與穩燃設計提供了理論依據，王兵團隊在Fuel、Journal of Power and Propulsion （AIAA）和International Journal of Hydrogen Energy、Physics of Fluids等國際頂級期刊發表論文20余篇。

此外，王兵帶領團隊自主開發的大渦模擬軟件以及解決的重大技術難題取得的成績受到了國際學者與工業界的高度關注，在2011年至2019年間，王兵先后4次受到邀請，赴德國參與歐洲跨區域產學研重大研究計劃“未來空間運輸系統中力熱高負荷部件設計技術基礎科學問題”的研究。

揭示旋轉爆震燃燒穩定性機理——原理樣機在實驗室獲得驗證

王兵在接受采訪時介紹，與基于等壓燃燒的傳統發動機不同，連續旋轉爆震發動機具有更高的熱循環效率、更加簡單緊湊的結構、更低的氮氧化物排放等優點，近年來受到國內外研究者的廣泛關注。自2012年以來，王兵就開始帶領團隊從事爆震燃燒機理及連續旋轉爆震發動機（CRDE）核心機研發相關的研究工作，在科技創新基金、教育部聯合人才基金等項目的支持下，開展了包括理論分析、數值模擬、實驗測試等多個方面的系統研究。

王兵團隊提出了“連續旋轉爆震與燃燒不穩定性本質一致性理論”，指導連續旋轉爆震發動機燃燒室的設計與調控技術。針對氫氣/空氣連續旋轉爆震燃燒，通過一系列的實驗研究，在質量流量-當量比相空間內給出了快速爆燃、不穩定爆震、準穩定爆震，據此提出了穩定爆震等四種燃燒模式的完整極限圖，對確定爆震發動機穩定工作圖譜具有重要意義，并揭示了快速爆燃模式的熱聲耦合機制。

同時，他們還提出了富氧空氣調控方式，實現了寬工況范圍的穩定連續旋轉爆震，對可實現性連續爆震發動機的研發具有重要的應用價值；提出了旋轉爆震組合循環發動機熱力循環計算分析模型，為基于連續旋轉爆震組合循環發動機的設計工作提供了重要參考。

針對煤油-空氣兩相旋轉爆震，王兵團隊通過數值模擬的方法獲得了穩定工作的當量比、溫度和壓力范圍，提出了煤油裂解方案，為進一步開展液態燃料旋轉爆震發動機的研制提供技術參考。

上述工作中的基礎研究成果在Combusiton and Flame、Journal of Fluid Mechanics、Energy、Journal of Power and Propulsion、Proceedings of Combustion Institute等國際期刊上發表SCI論文20篇，授權發明專利10項。王兵的這些研究成果受到國內外同行的關注，他多次受邀在國際燃燒過程大會、國際爆震推進研討會（IWDP）等國際會議上作大會報告。

2018年9月，王兵擔任第九屆國際爆震推進研討會（IWDP 2018）的大會主席。之后，他提出的“基于連續旋轉爆震的組合循環發動機”和“一種連續旋轉爆震渦輪發動機的結構形式”兩項發明雙雙獲得2018年紐倫堡國際發明展金獎，“基于連續旋轉爆震的地面燃氣輪機”獲得2018年美國硅谷國際發明節金獎。

王兵在旋轉爆震方面的研究也受到了產業界的關注，2018年與某科技有限公司簽訂合作協議，擬建立增壓燃燒技術中心和爆震渦輪技術中心，繼續開展連續旋轉爆震發動機的研制工作，旨在將這種新型推進裝置應用于航天航空領域。

注重應用，促進成果轉化

作為工程領域的研究人員，王兵最大的心愿是希望自己的科研成果能夠轉化為實際應用，推動我國在該領域的發展建設。因此，多年來，在從事實驗室科研開發工作的同時，王兵也在致力于科研成果的落地。

推動“連續旋轉爆震發動機以及增壓燃燒技術”轉化

上文提到的連續旋轉爆震發動機燃燒室技術以及增壓燃燒調控技術，主要產品是連續旋轉爆震火箭發動機，以及其衍生的組合動力發動機和可重復使用發動機。

據王兵介紹，連續旋轉爆震發動機的主要特點是先進性和經濟可承受性。先進性體現在自增壓燃燒，這不同于當前所有航空發動機、地面燃機、其他民用動力等所采用的等壓燃燒，對于發動機的結構及循環方式產生了顛覆性的變革。經濟可承受性體現在核心結構部件可適應性工作，同時降低研發制造和維修支持成本，提高循環效率以及推進效率，并提升燃油經濟性，降低污染物NOx排放與碳排放。

連續旋轉爆震燃燒可應用于不同類型的發動機和動力裝置，如航空發動機和地面燃機等。用于航空發動機時，可將現有近10級壓氣機減為3-4級，航空發動機的最關鍵指標推重比顯著提高。渦輪輸出功率相應大幅增加，可與發電裝置聯合工作，提供混合動力或組合動力等變革性推進方式。用于地面燃機時，可降低天然氣和合成氣（煤化工氣）的發電成本，提高節能減排指標。用于火箭發動機，大幅降低渦輪泵等惰性質量，同等推力量級能有效提高載荷質量。

與火箭發動機一樣，連續旋轉爆震發動機涵蓋了航空、航天兩個領域的工作范圍，王兵長期致力于研發的發動機燃燒室技術是產業鏈中最核心的部件，也是技術難度最高的部件產品。

以航空發動機為例，一臺在用主流的CFM56發動機售價約為1000萬美元；一臺羅羅公司的Trent900發動機（新型的）售價約為3000萬美元；以地面燃機為例，300MW級大致為5億元人民幣；20MW級大概為1000萬元人民幣。用連續旋轉爆震燃燒室替代現有發動機或者動力裝置的燃燒室，將大幅提高動力裝置的性價比，參考現有產品的價格將有顯著的性能優勢，航空、航天、艦船、高端無人機等產業的潛在需求量巨大。

因此，連續旋轉爆震發動機燃燒室產品在產業鏈的最頂層，面對的是每年超過1000億美元規模的市場：美國正在進行先進推進系統的研發驗證項目，重點開發應用于各個領域的發動機“顛覆性”技術，如美國“經濟可承受的先進渦輪技術”（ATTAM）項目（2016年首次公布），旨在整合與主推進、加力、主燃燒和發電相關的增壓燃燒技術。從2015年起美國能源部加大了對若干所大學和公司（Aerojet等）在該方面的支持力度，用于發展新一代地面燃機。美國Innovative Scientific Solutions Inc.公司當前致力于開展連續旋轉爆震發動機的成果轉化和工程應用。俄羅斯于2017年創建的“新能源動力公司”和法國的賽峰（空客）、波蘭的航空研究院等都正在大力開展連續旋轉爆震發動機研發和技術應用工作。

自2012年開始，王兵全身心投入連續旋轉爆震發動機以及增壓燃燒技術的研發，他在這一項目上的科學研究與技術研發一直處于國內外領先地位，某關鍵部件技術具有技術獨特性，擁有涉及該發動機的發明專利20余項（清華大學獨享專利權）。王兵帶領的團隊具備連續旋轉爆震發動機自主設計和技術研發能力，掌握了獨特的噴注與燃燒組織方案，形成了技術優勢和技術壁壘。

目前，團隊自主設計的發動機點火超過1000次，獲得了國家多項基金的資助，王兵應邀在第五屆全國爆震與新型推進大會、第六屆和第七屆國際爆震推進研討會、第23屆國際燃燒過程大會等多個國際性學術活動上作報告，他的成果引起了國內外同行的廣泛關注。

讓王兵欣慰的是，隨著項目研究進展，越來越多的產業界開始關注到這一項目組的研究成果，并陸續和項目組簽約合作研究項目。目前，已經有社會資本為項目團隊投入研發資本超過2000萬元，越來越多的橫向產學研合作項目也正在落實中。

加速“連續旋轉爆震發動機”工程轉化進度

我國在連續旋轉爆震領域的工程轉化起步較晚，王兵在從事連續旋轉爆震燃燒機理與發動機工程化研制過程中，充分調研了國際專業領域的研究進展與比較優勢，集聚了國際頂尖科學家的智慧和經驗，走出了一條與眾不同的發展道路，在短短三年內就迅速成為國際上舉足輕重的研究力量，他的研究工作先后被美國航天航空年鑒American Aerospace in Review多次報道。

王兵帶領團隊，以氫氣燃料的連續旋轉爆震燃燒作為研究切入點，制定了與美國、歐洲不同的研究路線，直接面向工程化迫切需要解決的兩個關鍵問題——點火起爆與穩定性傳播——開展攻堅克難研究工作，通過逾千次的點火實驗，獲得了基于流量和當量比的發動機工作圖譜，為發動機的工程化提供了路線圖，并獨立自主研制出一套實驗室原理樣機，以及發動機實驗測試所必需的實驗臺架。

在這個過程中，作為項目的總指揮，王兵邀請到國際頂尖學者Piotr Wolanski院士作為實驗室的合作顧問，還招收了Wolanski院士指導的研究生進入實驗室攻讀博士學位，并與波蘭華沙理工大學簽訂了合作協議，他出色的溝通能力和卓越的領導藝術，使各方的研究優勢在項目中充分發揮出來。

自2013年起，Wolanski院士每年訪問王兵的實驗室，傳授心得，指導實驗工作以及一些部件的設計。通過與外方學者的合作，王兵帶領團隊不斷擴展研究方向和研究深度，還衍生了在安全防護領域的兩項中國專利和歐盟專利。

除此之外，王兵團隊多次組織了圍繞“爆震推進”為主題的系列學術研討會，來自美國斯坦福大學、密歇根大學、馬里蘭大學、佐治亞理工大學、辛辛那提大學、匹茲堡大學、波蘭華沙理工大學、韓國釜山大學、日本名古屋大學、日本青山學院等院校的20余位國際同行先后訪問實驗室，充分探討了爆震推進相關基礎研究的關鍵點以及未來發展路徑。國際頂級專家John Lee教授先后兩次造訪實驗室，共同探討爆震物理基礎研究進展。

這些集聚國際優勢力量的合作，促進王兵帶領的實驗室團隊形成了既博采眾長又獨具特色的研制道路，敢于攻堅克難，取得關鍵技術突破。

在此期間，王兵也多次訪問了歐洲ENSMA、普瓦捷大學、波蘭華沙理工大學和圖盧茲流體力學研究所等研究機構，充分了解“國際隊”的進展，捕獲研究靈感，在推動實驗室走向國際、引領國際研究方向等方面做出了實質性工作。

2017年，王兵帶領的團隊在法國進行申辦陳述，獲得了國際同行的一致支持，贏得了2018年在中國舉辦“國際爆震推進研討會”的機會，進一步提升了實驗室的國際影響力。

2018年7月，在首次舉辦的“美國硅谷國際發明節”上，王兵帶領的團隊不負眾望，其提出的連續旋轉爆震動力系統斬獲金獎。

言傳身教，關注學生成長

從1996年第一次踏入清華大學的校門，時光如水，光陰似箭，從本科到碩士、博士，再到留校任教，不知不覺，王兵已經在清華園里度過了二十幾個春秋。

從本科時代的班長、學生會主席，到歷任研究生班黨支部書記、清華大學研究生會副主席、清華大學研究生團委副書記、清華大學博士生報告團團長，再到任教后承擔多門專業課程的主講老師，王兵一直保持與學生之間的密切聯系和接觸。

學好自己的專業課程，毋庸置疑是學生時代的王兵最重要的任務。留校任教后，在中國最好的高校里教中國最好的學生，在這個從學生到老師的角色轉換過程中，王兵的體會和感觸有了更高的提升：“首先，在專業知識方面，要幫助學生打好基礎；其次，在實際能力方面，要鍛煉學生具備解決國家重大需求或者工程急需前沿問題的能力，也包括創新能力、合作精神等；最后，引導學生‘發現自己的興趣，樹立為國家某一個行業或某一個領域貢獻自己力量的志向。”

留校后，王兵承擔了“航空宇航推進理論”“航空宇航工程全過程設計”“發動機結構與系統設計”“火箭發動機”“航空宇航推進的數值模擬”等專業核心課程的教學工作，堅持教書育人，承擔“雙肩挑”的人才培養工作。他先后獲得北京市青年教師教學基本功大賽三等獎，清華大學青年教師教學大賽一等獎，清華大學青年教師教學優秀獎，北京市、清華大學教學成果獎一等獎等多項教學榮譽和獎勵。

作為一名大學老師，王兵高度重視學生培養，在課程教學方面形成了一套獨特的方法，鼓勵學生創新，培養學生動手能力。同時，王兵于2018年出版了由他編著的《航空宇航推進理論》教材，受到業內讀者的高度評價：“覆蓋的知識點全面系統，章節安排清晰合理，航空和航天領域的推進理論及系統均有所涉及，并對前沿技術進行展望。作為航空航天推進領域長久以來都非常缺乏的一本全面性教材，尤其推薦推進相關專業本科生及研究生將其作為教材使用，特別推薦航空航天其他領域的專業人員將其作為推進方面的參考用書。”

因材施教是王兵在教學過程中非常關注的一個重點。他在采訪中說：“對學生來講，要引導他們確定學習目標，然后根據學生樹立的目標，盡可能給他們匹配相應的資源。”他解釋說，這里的“資源”是指廣義上的資源，比如幫助學生進行知識上的儲備，或者給學生提供國外實驗室的進修機會，或者其他實驗室的實踐機會等，“需要多與學生交流和互動，了解他們的發展目標和想法”。

王兵是這樣想的，也是這樣做的。

在深化教學內容、拓寬國際視野方面，王兵先后在2009年和2015年分別開設了“航空宇航推進理論”和“航空宇航推進數值方法”兩門課程，這兩門課分別以航空宇航科學研究的數值方法和基礎理論作為教授目標，幫助低年級研究生開展研究工作打下基礎。在保證掌握基礎知識的前提下，王兵瞄準國際研究前沿，將國際上最新的研究方法和主要結論深入淺出地展現在課堂上，為此，他在課前精心準備，自主編寫課程講義并印發給學生。此外，王兵還非常注重對學生國際視野的培養，在北京國際航展期間，他組織了選課的同學參加國際航展，了解國際最先進的航空航天產品，激發他們的科研熱情。

在創新教學方法、鼓勵動手實踐方面，王兵認為，除了保證課程內容的“精良”，教學方法也會對課程效果產生顯著的影響：“研究生的培養不能局限于紙面上的知識，學生動手能力的培養也是十分重要的。”因此，王兵十分注重教學方法的提高和創新。除了課堂上講授航空宇航實驗方法，他還組織學生深入到實驗室，在高年級研究生的引導下進行實驗，親身體驗實驗帶來的樂趣，激發學生的科研興趣。

在團隊建設方面，王兵也同樣遵從著“因材施教”“因人而異”的原則。他坦言：“作為一個團隊，有些老師擅長實踐動手，喜歡帶學生去做實驗，去解決一些工程項目，還有些老師非常善于做基礎工作，做理論推導。”對于一個團隊整體來說，建立起多層次的人員配合，輔以有效的管理方法和機制體制，凝聚在同一個目標下，才能讓每個人都充分發揮出自己的特長。王兵的管理方式使他成功打造出一支精良的科研團隊，也使他更有信心和動力去挑戰學術理論和應用領域的待解難題。

“清華園像是一片蘊涵著無窮生機的森林，這里的陽光雨露使我無論在求學還是工作的道路上，每一步都吸收到充沛的營養。”王兵如是說。