吹一吹，“洞”中練本事

櫻子

在交通工具家族里，不管是地上跑的，還是天上飛的，要想讓好設(shè)計(jì)變成真，就必須通過(guò)一場(chǎng)大考。有沒(méi)有真本事，在這一關(guān)里，一試便可知。這場(chǎng)大考的考場(chǎng)在哪兒？就在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室。

叫“洞”不是洞

別看大家平時(shí)“風(fēng)洞”“風(fēng)洞”叫得歡，其實(shí)這沒(méi)有洞穴啥事，風(fēng)洞是有著管道模樣的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，目前在空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)中，它是人們用的最多也最有效的一種工具。去風(fēng)洞里走一遭就好比是讓物體參加一次專項(xiàng)模擬測(cè)驗(yàn)，模擬的是真實(shí)環(huán)境中可能存在的氣流狀況，通過(guò)動(dòng)力裝置人為控制氣流，給物體設(shè)置幾種“考題”，物體順利“答題”后才能通過(guò)測(cè)驗(yàn)。

世界上公認(rèn)的第一個(gè)風(fēng)洞是英國(guó)人韋納姆于1869～1871年建造的，他用一個(gè)長(zhǎng)約3米、兩端開(kāi)口的木箱，去測(cè)量物體迎面遇上空氣時(shí)受到的阻力。1900年，美國(guó)的萊特兄弟為自己研制的飛機(jī)建造了一個(gè)風(fēng)洞，它能制造出速度為40～56.3千米/小時(shí)的氣流，為世界上第一次動(dòng)力飛行實(shí)驗(yàn)做出了貢獻(xiàn)。

請(qǐng)個(gè)替身去測(cè)試

自打萊特兄弟發(fā)明了世界上第一架飛機(jī)之后，航空業(yè)逐漸發(fā)展起來(lái)，而空氣動(dòng)力研究又是航空航天事業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，所以，風(fēng)洞技術(shù)也得以奠定，并且變得越來(lái)越現(xiàn)代化。在試飛之前，飛機(jī)需要頻繁地上考場(chǎng)，經(jīng)歷密集的風(fēng)洞測(cè)試。可是飛機(jī)的塊頭太大了，真正去風(fēng)洞里的其實(shí)并不是真的飛機(jī)，而是它的替身——飛機(jī)的迷你模型。

飛機(jī)模型來(lái)到風(fēng)洞后，會(huì)被固定在風(fēng)洞的測(cè)試段，人們根據(jù)飛機(jī)真實(shí)飛行時(shí)的氣流情況來(lái)設(shè)定管道里的氣流。在這個(gè)過(guò)程中，測(cè)試儀器們會(huì)記錄和測(cè)量模型受到的壓力、阻力、升力，以及加熱特性、氣動(dòng)性能等各種數(shù)據(jù)，為后續(xù)的飛機(jī)研制工作提供重要依據(jù)。

風(fēng)洞里的數(shù)據(jù)會(huì)說(shuō)話

可是，問(wèn)題來(lái)了，模型始終是模型，它能代替真飛機(jī)去風(fēng)洞里做測(cè)試，可不能代替真飛機(jī)去飛行、執(zhí)行任務(wù)呀。洞壁干擾、支架干擾、模型失真，這都會(huì)讓試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差。為了保證風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性，人們還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列修正，而修正這些數(shù)據(jù)也還是需要風(fēng)洞幫忙，諸如后續(xù)開(kāi)展的動(dòng)力影響試驗(yàn)、氣動(dòng)彈性試驗(yàn)等一系列風(fēng)洞試驗(yàn)，就是用來(lái)修正之前獲取的數(shù)據(jù)的。

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風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)中人們最常看的指標(biāo)有兩種：

馬赫數(shù)（Ma）

馬赫數(shù)是速度與音速的比值，用來(lái)反映飛行器飛行時(shí)周圍空氣的壓縮程度。

雷諾數(shù)（Re）

雷諾數(shù)是流體力學(xué)中的概念，用于反映氣流對(duì)飛行器表面的粘性阻滯作用。

五花八門的風(fēng)洞

聽(tīng)說(shuō)航空航天器都去風(fēng)洞被“吹來(lái)吹去”之后，一輛概念設(shè)計(jì)SUV便開(kāi)始暗自慶幸了——幸虧自己是汽車族的一員，用不著上天，肯定不用參加這樣的考試。哪知道，它很快就接到了去參加風(fēng)洞測(cè)試的通知。其實(shí)，不光是汽車，我們生活里的磁懸浮列車、 “和諧號(hào)”高鐵、東方明珠塔、杭州灣跨海大橋，它們誰(shuí)跟空氣動(dòng)力學(xué)沒(méi)有緊密聯(lián)系呢？它們也都曾經(jīng)是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的“考生”。

目前，世界各國(guó)建成的生產(chǎn)型風(fēng)洞大約有300余座。這其中有為低速飛行器、建筑、車輛、橋梁等進(jìn)行空氣動(dòng)力試驗(yàn)研究的低速風(fēng)洞，有為各種航空飛行器研究服務(wù)的跨聲速風(fēng)洞和超聲速風(fēng)洞，還有對(duì)各種航天飛行器進(jìn)行空氣動(dòng)力試驗(yàn)研究的超高速風(fēng)洞。根據(jù)用途的不同，風(fēng)洞還分為常規(guī)風(fēng)洞和特種風(fēng)洞，比如結(jié)冰風(fēng)洞、聲學(xué)風(fēng)洞、電弧風(fēng)洞、體育專業(yè)風(fēng)洞等。專門為汽車建造的汽車風(fēng)洞也有模型風(fēng)洞、實(shí)車風(fēng)洞和環(huán)境風(fēng)洞等不同類型。

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結(jié)冰風(fēng)洞

2013年我國(guó)建成了屬于自己的結(jié)冰風(fēng)洞，成為世界上第三個(gè)可以開(kāi)展民機(jī)全研制過(guò)程結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)的國(guó)家，不用再把飛機(jī)開(kāi)到國(guó)外去開(kāi)展結(jié)冰鳳洞試驗(yàn)了。結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)可以讓設(shè)計(jì)師們獲得飛機(jī)的結(jié)冰位置和結(jié)冰冰型等數(shù)據(jù)，為飛機(jī)防結(jié)冰、除冰提供安全設(shè)計(jì)的依據(jù)。

運(yùn)動(dòng)員有了個(gè)好“教練”

這么多種類的風(fēng)洞當(dāng)中，體育專業(yè)風(fēng)洞直接為人體服務(wù)，顯得有些特殊。首先它的外形就與眾不同。因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)員大多站立著進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，與之相適應(yīng)，體育專業(yè)風(fēng)洞一般高而且窄，跟又寬又矮的飛機(jī)、汽車風(fēng)洞大相徑庭。其次，因?yàn)槿说倪\(yùn)動(dòng)速度比較慢，所以體育專業(yè)風(fēng)洞測(cè)試的風(fēng)速也比較低。

我國(guó)已經(jīng)擁有一系列尺寸、功能不同的體育專業(yè)風(fēng)洞，能夠幫助多種體育競(jìng)賽項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)員開(kāi)展科學(xué)訓(xùn)練，優(yōu)化他們的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)、運(yùn)動(dòng)裝備，幫他們提高比賽成績(jī)等。例如河北省淶源縣建立的跳臺(tái)滑雪風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，它可以滿足運(yùn)動(dòng)員從滑行、起跳和飛行的所有訓(xùn)練需求。在風(fēng)洞中，運(yùn)動(dòng)員在安全繩的牽引下騰空而起，每次可以連續(xù)做2～3分鐘的飛行訓(xùn)練，練一次就相當(dāng)于實(shí)地跳臺(tái)幾十次，提高了訓(xùn)練效率不說(shuō)，還能大大降低發(fā)生意外的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)風(fēng)洞中專門研發(fā)的儀器，教練們可以實(shí)時(shí)觀察風(fēng)速、升力、阻力等，從而更加準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練中的問(wèn)題。

除此之外，風(fēng)洞還可以測(cè)試對(duì)比不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、不同隊(duì)列給運(yùn)動(dòng)裝備帶來(lái)的風(fēng)阻力，幫設(shè)計(jì)師開(kāi)發(fā)出風(fēng)阻更小的運(yùn)動(dòng)裝備。它也可以評(píng)估賽道比賽時(shí)的風(fēng)力，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)對(duì)賽道重點(diǎn)區(qū)域的風(fēng)速、風(fēng)向等關(guān)鍵環(huán)境要素進(jìn)行評(píng)估。風(fēng)洞簡(jiǎn)直就是運(yùn)動(dòng)員的全能助手，

新一代“大國(guó)重器”

現(xiàn)在，不少國(guó)家都把建設(shè)超高速風(fēng)洞作為重要目標(biāo)之一，因?yàn)槲磥?lái)戰(zhàn)場(chǎng)上的得力戰(zhàn)將，比如超音速偵察機(jī)、轟炸機(jī)和巡航導(dǎo)彈等厲害武器，都需要超高速風(fēng)洞試驗(yàn)。在這方面，我們中國(guó)勇立潮頭。我國(guó)已經(jīng)建成的JF12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞是全球第一座可復(fù)現(xiàn)超高聲速飛行條件的超大型超高聲速風(fēng)洞，它長(zhǎng)265米，可復(fù)現(xiàn)25～40千米高空、5～9倍聲速的超高聲速飛行條件，有效實(shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到130毫秒，是美國(guó)的4倍，在國(guó)際上享有“超級(jí)巨龍”的美名。而正在建設(shè)中的JF22激波風(fēng)洞，堪稱新一代的“大國(guó)重器”。它一旦建成，中國(guó)在風(fēng)洞技術(shù)上就能領(lǐng)先西方國(guó)家20～30年啦。

激波風(fēng)洞——依靠激波將氣體壓縮后膨脹引爆來(lái)產(chǎn)生超高溫和超高音速氣流，這是我國(guó)自主研發(fā)的一項(xiàng)爆轟技術(shù)。