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，中國隊利用體育風洞助力短道速滑訓練的新聞，引起不少科技迷的關注。
助力體育訓練，只是風洞諸多應用中的一種。眾所周知，風洞是現(xiàn)代化航空領域研究和飛行器設計的重要設施，其建造能力代表著一個國家航空航天技術的發(fā)展水平。
人類對風洞的研究，迄今已有150多年的歷史。航空飛行器發(fā)展初期，科學家對空氣動力問題的探索，促進了風洞的快速發(fā)展。通過模擬飛行器的空中飛行狀態(tài)，研究風洞內(nèi)高速氣流與飛行器相互作用的規(guī)律，科學家可以獲取飛行器設計的重要數(shù)據(jù)。
那么，風洞是如何發(fā)展起來的？風洞建造技術難在哪里？風洞對飛機設計有哪些功用？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。
真正將風洞應用于航空領域的人，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。風洞，正是讓此次試飛載入史冊的“幕后功臣”。
以當時的科技水平，造出一架能飛上天的飛機已經(jīng)不是難事，設計理論方面已相對成熟。困難的是，如何在復雜天氣情況下盡可能延長飛機飛行時間。這要求科學家通過試飛獲取大量空氣動力數(shù)據(jù)，從而設計出最佳機型。
試飛風險可想而知。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——風洞。
與科技感十足的現(xiàn)代風洞相比，萊特兄弟當時制作的風洞十分簡單——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試驗，成功獲取了一整套科學數(shù)據(jù)。最終，他們確定“飛行者一號”的最佳設計方案。
之后，隨著航空工業(yè)快速發(fā)展，各國紛紛投入到風洞建設中，風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洞，并率先研制出噴氣式飛機和彈道導彈。
1915年，美國成立國家航空咨詢委員會，負責建造和管理不同類型風洞。
1918年，蘇聯(lián)成立茹科夫斯基中央空氣流體力學研究院，主要建造各種類型風洞。
……
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洞數(shù)量總和達186座。
進入21世紀，風洞發(fā)展呈現(xiàn)百花齊放的局面，汽車風洞、氣象風洞等如雨后春筍般涌現(xiàn)。如今，風洞的種類越來越多，用途也越來越廣泛。
突 破
“風不過來，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，單純依靠軸流式風扇“吹風”的傳統(tǒng)風洞顯然不能滿足試驗需要。即便再增加一個拉瓦爾噴管，風洞內(nèi)氣流速度也只能達到1.2馬赫。要想擁有更高風速，就需要更大的空氣壓力差，科學家必須另尋其他辦法。
氣球給科學家?guī)韯?chuàng)新靈感——他們用壓氣機將空氣壓入高壓氣罐，達到預定壓力后打開閥門，使高壓氣體“吹”進風洞管道，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，科學家又在風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，德國一家科研機構采用儲氣罐放氣和真空箱吸氣相結合的方式，率先研制出氣流速度高達10馬赫的高超音速風洞。
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)技術創(chuàng)新，制造出氣流速度更高的風洞。于是，科學家盯上了火藥爆炸——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——“風不過來，我就過去”，即利用較高的相對速度來獲得更高風速。這種風洞，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。
這一設想最終獲得成功。在風洞的發(fā)展演變過程中，科學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“一代風洞，一代飛行器”的說法。在軍事領域，大型高端風洞無疑是一個國家重要的戰(zhàn)略性資源?？梢哉f，沒有先進的風洞試驗設備，就無法研制出先進戰(zhàn)機。
二戰(zhàn)前，蘇聯(lián)建造了當時世界上最大的一座可用于整架飛機試驗的全尺寸風洞，為其研制多型號戰(zhàn)機奠定基礎。
無獨有偶。耗費10年之久，美軍F-22戰(zhàn)機先后在15座風洞進行了75項、約4.4萬小時的高低速風洞試驗，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洞試驗。針對未來飛行器精細化設計需求以及高速化、隱身化、無人化的發(fā)展趨勢，風洞設計也需要跟進戰(zhàn)機迭代發(fā)展，進行技術創(chuàng)新。
當今，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、稀薄氣體效應等各種復雜問題。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)生復雜的熱化學反應，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，俄羅斯進行的風洞試驗表明，利用等離子體隱身技術，可以減少飛行器30%以上的飛行阻力。
不過，等離子體技術在軍事領域的應用依然任重道遠——難點在于如何設計一種易于產(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研究，已經(jīng)成為未來風洞的發(fā)展趨勢。
此外，隨著計算機技術飛速發(fā)展，數(shù)值計算正在深度應用于航空航天領域，發(fā)展數(shù)值計算與風洞試驗相結合的數(shù)值風洞，已成為提高武器型號研發(fā)效率、減少風險、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洞試驗。
圖②：萊特兄弟制作的風洞模型（復制品）。
資料照片