上個月，舉世矚目的北京冬奧會圓滿閉幕?？v觀此次賽事，從籌辦到開賽，處處透露出十足的“科技范”。其中，中國隊利用體育風(fēng)洞助力短道速滑訓(xùn)練的新聞，引起不少科技迷的關(guān)注。
助力體育訓(xùn)練，只是風(fēng)洞諸多應(yīng)用中的一種。眾所周知，風(fēng)洞是現(xiàn)代化航空領(lǐng)域研究和飛行器設(shè)計的重要設(shè)施，其建造能力代表著一個國家航空航天技術(shù)的發(fā)展水平。
人類對風(fēng)洞的研究，迄今已有150多年的歷史。航空飛行器發(fā)展初期，科學(xué)家對空氣動力問題的探索，促進了風(fēng)洞的快速發(fā)展。通過模擬飛行器的空中飛行狀態(tài)，研究風(fēng)洞內(nèi)高速氣流與飛行器相互作用的規(guī)律，科學(xué)家可以獲取飛行器設(shè)計的重要數(shù)據(jù)。
那么，風(fēng)洞是如何發(fā)展起來的？風(fēng)洞建造技術(shù)難在哪里？風(fēng)洞對飛機設(shè)計有哪些功用？本期，讓我們一探究竟。
起 源
人類“飛天夢”從大木箱起步
1871年，世界上第一個風(fēng)洞誕生，英國船舶工程師韋納姆用它進行物體空中運動阻力的測量。
真正將風(fēng)洞應(yīng)用于航空領(lǐng)域的人，還是美國萊特兄弟。1903年，萊特兄弟成功將一架帶有動力的載人飛行器——“飛行者一號”送上藍天，邁出了人類航空史上重要的一步。風(fēng)洞，正是讓此次試飛載入史冊的“幕后功臣”。
以當(dāng)時的科技水平，造出一架能飛上天的飛機已經(jīng)不是難事，設(shè)計理論方面已相對成熟。困難的是，如何在復(fù)雜天氣情況下盡可能延長飛機飛行時間。這要求科學(xué)家通過試飛獲取大量空氣動力數(shù)據(jù)，從而設(shè)計出最佳機型。
試飛風(fēng)險可想而知。為避免機毀人亡的事故，聰明的萊特兄弟想到了韋納姆的發(fā)明——風(fēng)洞。
與科技感十足的現(xiàn)代風(fēng)洞相比，萊特兄弟當(dāng)時制作的風(fēng)洞十分簡單——一個兩端開口、長1.8米、橫截面積約0.16平方米的大木箱。兄弟二人利用雙缸煤氣機作為動力源，在大木箱內(nèi)對飛機模型進行上千次吹風(fēng)試驗，成功獲取了一整套科學(xué)數(shù)據(jù)。最終，他們確定“飛行者一號”的最佳設(shè)計方案。
之后，隨著航空工業(yè)快速發(fā)展，各國紛紛投入到風(fēng)洞建設(shè)中，風(fēng)洞的尺寸也越來越大，呈現(xiàn)出種類繁多、功能多樣的發(fā)展趨勢——
1907年，德國成立哥廷根空氣動力試驗院，花費巨資修建出一大批風(fēng)洞，并率先研制出噴氣式飛機和彈道導(dǎo)彈。
1915年，美國成立國家航空咨詢委員會，負責(zé)建造和管理不同類型風(fēng)洞。
1918年，蘇聯(lián)成立茹科夫斯基中央空氣流體力學(xué)研究院，主要建造各種類型風(fēng)洞。
……
據(jù)統(tǒng)計，截至20世紀90年代，美、英、法、德等多個國家建造風(fēng)洞數(shù)量總和達186座。
進入21世紀，風(fēng)洞發(fā)展呈現(xiàn)百花齊放的局面，汽車風(fēng)洞、氣象風(fēng)洞等如雨后春筍般涌現(xiàn)。如今，風(fēng)洞的種類越來越多，用途也越來越廣泛。
突 破
“風(fēng)不過來，我就過去”
20世紀40年代，飛機進入超音速飛行時代。對速度的極致追求，成為世界各國發(fā)展風(fēng)洞事業(yè)的重要課題。
隨著超音速飛機迅速走紅，單純依靠軸流式風(fēng)扇“吹風(fēng)”的傳統(tǒng)風(fēng)洞顯然不能滿足試驗需要。即便再增加一個拉瓦爾噴管，風(fēng)洞內(nèi)氣流速度也只能達到1.2馬赫。要想擁有更高風(fēng)速，就需要更大的空氣壓力差，科學(xué)家必須另尋其他辦法。
氣球給科學(xué)家?guī)韯?chuàng)新靈感——他們用壓氣機將空氣壓入高壓氣罐，達到預(yù)定壓力后打開閥門，使高壓氣體“吹”進風(fēng)洞管道，從而形成超音速氣流供試驗使用。
單純依靠上游高壓空氣的吹沖作用，依然無法滿足飛機飛行速度試驗要求。為獲得更快的氣流，科學(xué)家又在風(fēng)洞下游出口接上一個真空容器，靠“上吹下吸”的方式形成更大壓差，從而產(chǎn)生大于5馬赫的高超音速氣流。1945年，德國一家科研機構(gòu)采用儲氣罐放氣和真空箱吸氣相結(jié)合的方式，率先研制出氣流速度高達10馬赫的高超音速風(fēng)洞。
追求氣流速度永無止境。要知道，高超音速飛行器再入大氣層后是以10倍以上音速飛行，這就需要持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新，制造出氣流速度更高的風(fēng)洞。于是，科學(xué)家盯上了火藥爆炸——火藥爆炸瞬間能產(chǎn)生巨大能量，形成高速氣流，可以滿足高超音速飛行器的風(fēng)洞試驗要求。
理論正確并不代表實踐成功。人們很快發(fā)現(xiàn)，火藥爆炸產(chǎn)生的高速氣流方向紊亂、持續(xù)時間短，試驗數(shù)據(jù)并不準確。無奈之下，這種方法不得不宣告失敗。
科學(xué)家最終還是回到利用壓力罐產(chǎn)生高速氣流的方式。他們想到了另一種氣流加速方式——“風(fēng)不過來，我就過去”，即利用較高的相對速度來獲得更高風(fēng)速。這種風(fēng)洞，不再是短小精悍的形狀，而是有著非常長的管道，目的是讓高速氣流和物體有足夠空間相對而行，從而獲得更高的相對速度。
這一設(shè)想最終獲得成功。在風(fēng)洞的發(fā)展演變過程中，科學(xué)家進行了各種極具創(chuàng)新的試驗，只為實現(xiàn)更高、更快、更強的目標。
前 景
“吹”出一片新未來
航空工業(yè)歷來有著“一代風(fēng)洞，一代飛行器”的說法。在軍事領(lǐng)域，大型高端風(fēng)洞無疑是一個國家重要的戰(zhàn)略性資源?？梢哉f，沒有先進的風(fēng)洞試驗設(shè)備，就無法研制出先進戰(zhàn)機。
二戰(zhàn)前，蘇聯(lián)建造了當(dāng)時世界上最大的一座可用于整架飛機試驗的全尺寸風(fēng)洞，為其研制多型號戰(zhàn)機奠定基礎(chǔ)。
無獨有偶。耗費10年之久，美軍F-22戰(zhàn)機先后在15座風(fēng)洞進行了75項、約4.4萬小時的高低速風(fēng)洞試驗，最終確定了F-22戰(zhàn)機的氣動外形。
未來飛行器的研究與發(fā)展，依然離不開先進的風(fēng)洞試驗。針對未來飛行器精細化設(shè)計需求以及高速化、隱身化、無人化的發(fā)展趨勢，風(fēng)洞設(shè)計也需要跟進戰(zhàn)機迭代發(fā)展，進行技術(shù)創(chuàng)新。
當(dāng)今，臨近空間是空天一體作戰(zhàn)的新高地，具有極強的軍事戰(zhàn)略意義。高超音速臨近空間飛行器的研發(fā)，必將推動未來戰(zhàn)爭進入快速精確打擊時代。
20世紀80年代至90年代，美、俄等軍事強國開始著手高超音速臨近空間飛行器的研究，但成功的案例屈指可數(shù)。其主要原因是，臨近空間飛行環(huán)境與對流層、平流層不同，容易產(chǎn)生分子振動激發(fā)、真實氣體效應(yīng)、稀薄氣體效應(yīng)等各種復(fù)雜問題。同時，隨著飛行器飛行速度加快，飛行器與空氣摩擦后產(chǎn)生的溫度驟升，周圍空氣會發(fā)生復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)，形成離子狀態(tài)，飛行器就像在泥潭中游泳。
等離子體是一種由大量電子、離子和中性粒子組成的物質(zhì)聚集體，它不同于物質(zhì)的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，被稱為物質(zhì)的“第四種狀態(tài)”。在航空航天領(lǐng)域，等離子體具有隱身、助燃和降噪等特點，成為各國研究的熱點。
有報道稱，俄羅斯克爾德什研究中心已經(jīng)研發(fā)出第一代和第二代等離子體發(fā)生器。此外，俄羅斯進行的風(fēng)洞試驗表明，利用等離子體隱身技術(shù)，可以減少飛行器30%以上的飛行阻力。
不過，等離子體技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用依然任重道遠——難點在于如何設(shè)計一種易于產(chǎn)生和控制的等離子體產(chǎn)生器，并適用于各種武器平臺的試驗。對等離子體的動力科學(xué)研究，已經(jīng)成為未來風(fēng)洞的發(fā)展趨勢。
此外，隨著計算機技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)值計算正在深度應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，發(fā)展數(shù)值計算與風(fēng)洞試驗相結(jié)合的數(shù)值風(fēng)洞，已成為提高武器型號研發(fā)效率、減少風(fēng)險、降低成本的一種全新手段。
圖①：塞斯納408空中客車飛機模型正在進行風(fēng)洞試驗。
圖②：萊特兄弟制作的風(fēng)洞模型（復(fù)制品）。
資料照片