陳思安 周青 胡海峰 歐東斌

摘 要：隨著空間的日益緊張，航空航天行業(yè)的發(fā)展能大幅增強(qiáng)進(jìn)入、掌握和利用空間的能力，空天飛行器是航空航天的必要工具，是航空航天科學(xué)家們研究的熱門焦點(diǎn)。風(fēng)洞作為空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)最常用的工具，是空天飛行器研究的“考官”?？仗祜w行器從設(shè)計(jì)、選材、試飛到最終上天飛行，需要先到風(fēng)洞里檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格了，就能領(lǐng)取飛天“通行證”。因此，風(fēng)洞作為必要工具，各國也著眼于開展風(fēng)洞設(shè)備及技術(shù)的研究，并將其運(yùn)用到了交通運(yùn)輸業(yè)、建筑業(yè)、風(fēng)能利用業(yè)、噪聲污染等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：風(fēng)洞;風(fēng)洞技術(shù);空天飛行器

中圖分類號(hào)：V211.74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）02-0099-02

2013年6月，成功發(fā)射了“神舟十號(hào)”載人飛船，是我國“載人航天”技術(shù)的一個(gè)里程碑。2013年年底發(fā)射了“嫦娥三號(hào)”首次釋放月球車，開展了“落月的實(shí)驗(yàn)”。2017年5月5日，我國研制了9年、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型飛機(jī)C919成功首飛。近些年，我國在航空航天領(lǐng)域這些突飛猛進(jìn)的發(fā)展，都離不開空氣動(dòng)力學(xué)研究中最關(guān)鍵的工具——風(fēng)洞[1]。

1 風(fēng)洞與風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞，是一種管道狀試驗(yàn)設(shè)備，將飛行器或模型放入管道中，通過人為產(chǎn)生及控制，模擬實(shí)況中試驗(yàn)體周圍氣流，試驗(yàn)時(shí)測(cè)量氣流對(duì)物體的作用，觀察物理現(xiàn)象[2]。

風(fēng)洞設(shè)備和技術(shù)與航空航天飛行器的發(fā)展緊密相連。航空飛行器研究發(fā)展初期，為研究空氣動(dòng)力學(xué)問題，促使了風(fēng)洞設(shè)備的產(chǎn)生。于1871年，英國人溫霍姆率先建造世界上第一座風(fēng)洞。緊接著隨飛機(jī)、導(dǎo)彈、航天飛行器的發(fā)展，20世紀(jì)30-80年代，大量風(fēng)洞迅速建成，是風(fēng)洞建設(shè)的高峰期，從低速、跨聲速、超聲速、高超聲速等各類型風(fēng)洞得到迅速發(fā)展。目前，我國已擁有多種類型的風(fēng)洞，如低速風(fēng)洞、高速風(fēng)洞、超高速風(fēng)洞以及激波風(fēng)洞、電弧風(fēng)洞等。由于實(shí)際工況的復(fù)雜性，人們發(fā)現(xiàn)流體力學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué)中的許多問題，不能簡單用力量或計(jì)算方法解決，因而風(fēng)洞有其特殊的實(shí)況模擬重要性。

風(fēng)洞由洞體、控制、驅(qū)動(dòng)及水氣電輔助等系統(tǒng)構(gòu)成。由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的不同，風(fēng)洞大致可分為兩種，一種是連續(xù)回流式風(fēng)洞，它是利用風(fēng)扇帶動(dòng)氣流，循環(huán)吹風(fēng)，該類風(fēng)洞運(yùn)行時(shí)間長，常在低速風(fēng)洞中使用;另一種是暫沖式風(fēng)洞（圖1），利用一邊高壓另一邊真空的壓差來驅(qū)動(dòng)氣流，運(yùn)行時(shí)間可控制從幾十毫秒到幾千秒，常用于跨聲速、超聲速和高超聲速風(fēng)洞[7]。但這也是一種粗略的分法，還有一些特殊類型的風(fēng)洞如電弧風(fēng)洞、激波風(fēng)洞、低密度風(fēng)洞、結(jié)冰風(fēng)洞等，以滿足不同風(fēng)洞試驗(yàn)的需求。

1934年清華大學(xué)航空工程系自行設(shè)計(jì)了國內(nèi)首個(gè)低速風(fēng)洞設(shè)備，我國大量氣動(dòng)布局新技術(shù)，均是在風(fēng)洞試驗(yàn)中獲得的。2013年10月，風(fēng)洞設(shè)計(jì)專家劉政崇建成我國首座結(jié)冰風(fēng)洞。由于國外技術(shù)封鎖，為考察飛行器在低溫環(huán)境的運(yùn)行情況，實(shí)驗(yàn)員不得不冒險(xiǎn)在自然結(jié)冰氣象條件下試飛，而結(jié)冰風(fēng)洞的建成結(jié)束了這種危險(xiǎn)性極大的實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)如今，我國已經(jīng)擁有亞洲規(guī)模最大、性能配套的風(fēng)洞群，風(fēng)洞設(shè)備及技術(shù)僅次于美國和俄羅斯。

風(fēng)洞試驗(yàn)是將原飛行器縮小按比例做成的相似模型固定在風(fēng)洞洞體里，讓人為高速氣流對(duì)著它流過來，這與飛行器在空中運(yùn)行的自然空氣動(dòng)力作用幾乎一樣，固定模型的支架可以使飛行器模型發(fā)生俯沖、傾斜、下降、上升等各種復(fù)雜動(dòng)作，模型內(nèi)部的感應(yīng)器把檢測(cè)到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂崎g的電腦上。各項(xiàng)指標(biāo)如果滿足設(shè)計(jì)的要求，飛行器就可達(dá)到飛行要求，可投入使用[3]！

飛行器從地面飛升到高空，期間會(huì)遇到不同的氣流和很多狀況，風(fēng)洞怎么模擬如此復(fù)雜的工況呢？我國風(fēng)洞家族擁有尺寸、性能配套的各類風(fēng)洞：低速、高速、超高聲速、電弧、激波、結(jié)冰……模擬飛行速度可由10m/s到5000m/s，飛行高度可從地面到一百多千米高空！例如超音速風(fēng)洞用于導(dǎo)彈實(shí)驗(yàn)，風(fēng)速可達(dá)3400m/s（等同于十倍音速）。

2 風(fēng)洞試驗(yàn)在各領(lǐng)域的應(yīng)用

早在1871年，英國工程師建造了世界上首座風(fēng)洞[4]。1901年，美國的萊特兄弟建造風(fēng)速為12.2m/s的簡易風(fēng)洞，成功實(shí)現(xiàn)了人類的首次飛行，兩年后世界上第一架飛機(jī)問世，風(fēng)洞從此進(jìn)入實(shí)用階段。20世紀(jì)30～80年代，迎來了建設(shè)風(fēng)洞的高峰期，世界各國均陸續(xù)建造了自己的風(fēng)洞，以此保證本國在航空航天領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。美國NASA艾姆斯研究中心研制的火星風(fēng)洞是火星飛機(jī)在地面飛行的模擬設(shè)備，它是將吸入式風(fēng)洞放置在模擬火星大氣壓力和溫度的真空罐中，火星風(fēng)洞給火星飛機(jī)、火星探測(cè)器等登火飛行器的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐[5]。

“殲-10”、“梟龍”戰(zhàn)機(jī)和“神舟”系列飛船等從設(shè)計(jì)到實(shí)際航行，中間都進(jìn)行了多次的風(fēng)洞試驗(yàn)。為保證“神舟”飛船的安全飛行與返回，其各部件如發(fā)射裝置、返回艙、逃逸塔等，均需經(jīng)過風(fēng)洞的嚴(yán)格檢驗(yàn)。如飛船返回時(shí)，要穿越大氣層，各部件受到摩擦，產(chǎn)生高溫，也會(huì)受到雷、電、風(fēng)、雨等影響，不僅返回艙的外形設(shè)計(jì)，還包括外表面蜂窩防熱材料也都經(jīng)過了大量的風(fēng)洞試驗(yàn)。

2.1 航空領(lǐng)域

風(fēng)洞試驗(yàn)早期只應(yīng)用在飛行器的研制工作中，主要應(yīng)用于飛行器低速氣動(dòng)力試驗(yàn)、理論研究及關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，低速風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用和研究，飛行器與飛行或運(yùn)動(dòng)相關(guān)的技術(shù)性能和應(yīng)用效能的低速驗(yàn)證、評(píng)估，以及探索飛行器氣動(dòng)概念、氣動(dòng)技術(shù)以及設(shè)計(jì)方法等方面。經(jīng)過40多年的努力，風(fēng)洞設(shè)備的發(fā)展逐步從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從無動(dòng)力到有動(dòng)力、從小迎角到大迎角、從模型試驗(yàn)到實(shí)物試驗(yàn)，可以說建立了門類齊全，尺寸配套、速度銜接的完整的低速空氣動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備體系。

2.2 航天領(lǐng)域

航天飛行器的飛行速度進(jìn)一步提高，風(fēng)洞在航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括飛行器氣動(dòng)力和壓力、熱環(huán)境和涂層沖刷、級(jí)間分離模擬、噴流和推力矢量控制、低溫?zé)g和粒子侵蝕、激波邊界層干擾、模型自由飛以及邊界層湍流和混合層湍流等試驗(yàn)研究[6]。如航天飛機(jī)和神舟飛船再入大氣層，飛行速度非常高，須對(duì)飛行器進(jìn)行熱防護(hù)設(shè)計(jì)，來避免飛行器與大氣摩擦所產(chǎn)生的氣動(dòng)加熱燒毀飛行器。電弧風(fēng)洞主要進(jìn)行飛行器結(jié)構(gòu)性能、熱防護(hù)和燒蝕，以及飛行器部件熱化學(xué)和熱結(jié)構(gòu)性能測(cè)定，粒子侵蝕對(duì)飛行器特性的影響，再入體物理化學(xué)特性、氣動(dòng)光學(xué)等試驗(yàn)研究。

2.3 風(fēng)工程與工業(yè)領(lǐng)域

風(fēng)工程和工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)，是研究大氣邊界層內(nèi)的風(fēng)與人類活動(dòng)及人所創(chuàng)造的物體間的相互作用，是由經(jīng)典的空氣動(dòng)力學(xué)、氣候?qū)W、氣象學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、橋梁工程、建筑工程、能源工程、車輛工程和環(huán)境工程等互相滲透促進(jìn)而形成的。

根據(jù)具體實(shí)際工況要求而建成的工業(yè)風(fēng)洞在風(fēng)工程與工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)研究，在風(fēng)能利用、橋梁和建（構(gòu)）筑物的風(fēng)載荷和風(fēng)響應(yīng)、車輛空氣動(dòng)力學(xué)等方面均取得了一系列成果。

汽車工業(yè)領(lǐng)域，為了測(cè)試汽車性能，此前只能用汽車實(shí)際運(yùn)行多次，考察汽車性能，即費(fèi)時(shí)又費(fèi)力還存在安全風(fēng)險(xiǎn)。沃爾沃率先把風(fēng)洞運(yùn)用到汽車研究上，設(shè)計(jì)上可精確模擬汽車以250公里/小時(shí)車速行駛時(shí)，汽車四周和車底的氣流，來確保汽車車身的空氣動(dòng)力特性（如圖2所示）。通過風(fēng)洞試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的氣動(dòng)外形使風(fēng)阻減小10%以上，可每公里節(jié)油最高0.3L。大量的準(zhǔn)高速列車、高速列車、磁懸浮列車以及各種編組列車的空氣動(dòng)力特性、表面壓力分布等均需要經(jīng)過風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)驗(yàn)。

橋梁工程領(lǐng)域，1940年秋橫跨于美國華盛頓州普吉特海峽塔科馬峽谷上的建成僅4個(gè)月的Tacoma懸索橋在不到20m/s的8級(jí)大風(fēng)作用下“刮”斷了。科學(xué)家們用風(fēng)洞設(shè)備模擬當(dāng)時(shí)橋梁風(fēng)毀情況，在1950年末建成了著名的新Tacoma橋，半個(gè)多世紀(jì)過去了，新建的Tacoma橋依然屹立不倒。1979年起，我國同濟(jì)大學(xué)利用低速航空風(fēng)洞進(jìn)行了上海柳港大橋、廣州海印大橋、天津永和大橋、山東勝利（東營）黃河大橋、重慶嘉陵江石門大橋等多座跨度橋梁的節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究，開始了我國風(fēng)洞在橋梁工程建設(shè)中的應(yīng)用。

3 結(jié)語

風(fēng)洞試驗(yàn)利用模擬相似的原理，將飛行器以縮尺模型固定于風(fēng)洞洞體中，用測(cè)試儀器測(cè)量模型受到的風(fēng)速或風(fēng)力，來模擬實(shí)況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使得實(shí)驗(yàn)變得可操作，特別是飛行器的模擬實(shí)驗(yàn)可以在地面進(jìn)行，大大節(jié)約了時(shí)間和成本。隨著空氣動(dòng)力學(xué)的推進(jìn)，我國建成了低速風(fēng)洞、高速風(fēng)洞、超高速風(fēng)洞、激波風(fēng)洞、電弧風(fēng)洞、結(jié)冰風(fēng)洞等不同類型風(fēng)洞，使得風(fēng)洞試驗(yàn)不僅在航空航天工業(yè)的發(fā)展中起重要作用，更是在各工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

[1] zhang zhengyu，wang S L.Videogrmmetric measurement for model displacement in wind tunnel test[J].Applied Mechanics and Materials，2011：103-107.

[2] Lu F K， Marren D E. Advanced hypersonic test facilities[J].Progress in Astronautics and Aeronautics，2002：198.

[3] 吳根，姜宗林，羅凡.空天飛行器先進(jìn)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)及我國發(fā)展建議[J].中國基礎(chǔ)科學(xué)，2014，1：13-16.

[4] 于濤，范潔川，賈元?jiǎng)?現(xiàn)代航空聲學(xué)風(fēng)洞技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2007，21（3）：86-91.

[5] Fonov S D， Jones G， Crafton J， et al. The development of optical technique for the measurement of pressure and skin friction[J]. Measurement Science and Technology，2006，17（6）：1261-1268.

[6] Takeo Tomita， Mamoru Takahashi， Masahiro Takahashi， et al. Visualization of the formation of separation bubbles on a bell-shaped nozzle surface in relation to serious side-load[C]//37th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Salt Lake City， Utah：2001. AIAA 2001-3559.