风洞试验的应用研究
摘 要：随着空间的日益紧张，航空航天行业的发展能大幅增强进入、掌握和利用空间的能力，空天飞行器是航空航天的必要工具，是航空航天科学家们研究的热门焦点。风洞作为空气动力学试验最常用的工具，是空天飞行器研究的“考官”。空天飞行器从设计、选材、试飞到最终上天飞行，需要先到风洞里检验，检验合格了，就能领取飞天“通行证”。因此，风洞作为必要工具，各国也着眼于开展风洞设备及技术的研究，并将其运用到了交通运输业、建筑业、风能利用业、噪声污染等领域。
关键词：风洞;风洞技术;空天飞行器
中图分类号：V211.74 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0099-02
2013年6月，成功发射了“神舟十号”载人飞船，是我国“载人航天”技术的一个里程碑。2013年年底发射了“嫦娥三号”首次释放月球车，开展了“落月的实验”。2017年5月5日，我国研制了9年、具有完全自主知识产权的大型飞机C919成功首飞。近些年，我国在航空航天领域这些突飞猛进的发展，都离不开空气动力学研究中最关键的工具——风洞[1]。
1 风洞与风洞试验
风洞，是一种管道状试验设备，将飞行器或模型放入管道中，通过人为产生及控制，模拟实况中试验体周围气流，试验时测量气流对物体的作用，观察物理现象[2]。
风洞设备和技术与航空航天飞行器的发展紧密相连。航空飞行器研究发展初期，为研究空气动力学问题，促使了风洞设备的产生。于1871年，英国人温霍姆率先建造世界上第一座风洞。紧接着随飞机、导弹、航天飞行器的发展，20世纪30-80年代，大量风洞迅速建成，是风洞建设的高峰期，从低速、跨声速、超声速、高超声速等各类型风洞得到迅速发展。目前，我国已拥有多种类型的风洞，如低速风洞、高速风洞、超高速风洞以及激波风洞、电弧风洞等。由于实际工况的复杂性，人们发现流体力学和空气动力学中的许多问题，不能简单用力量或计算方法解决，因而风洞有其特殊的实况模拟重要性。
风洞由洞体、控制、驱动及水气电辅助等系统构成。由驱动系统的不同，风洞大致可分为两种，一种是连续回流式风洞，它是利用风扇带动气流，循环吹风，该类风洞运行时间长，常在低速风洞中使用;另一种是暂冲式风洞（图1），利用一边高压另一边真空的压差来驱动气流，运行时间可控制从几十毫秒到几千秒，常用于跨声速、超声速和高超声速风洞[7]。但这也是一种粗略的分法，还有一些特殊类型的风洞如电弧风洞、激波风洞、低密度风洞、结冰风洞等，以满足不同风洞试验的需求。
1934年清华大学航空工程系自行设计了国内首个低速风洞设备，我国大量气动布局新技术，均是在风洞试验中获得的。2013年10月，风洞设计专家刘政崇建成我国首座结冰风洞。由于国外技术封锁，为考察飞行器在低温环境的运行情况，实验员不得不冒险在自然结冰气象条件下试飞，而结冰风洞的建成结束了这种危险性极大的实验。现如今，我国已经拥有亚洲规模最大、性能配套的风洞群，风洞设备及技术仅次于美国和俄罗斯。
风洞试验是将原飞行器缩小按比例做成的相似模型固定在风洞洞体里，让人为高速气流对着它流过来，这与飞行器在空中运行的自然空气动力作用几乎一样，固定模型的支架可以使飞行器模型发生俯冲、倾斜、下降、上升等各种复杂动作，模型内部的感应器把检测到的各项数据传输到控制間的电脑上。各项指标如果满足设计的要求，飞行器就可达到飞行要求，可投入使用[3]！
飞行器从地面飞升到高空，期间会遇到不同的气流和很多状况，风洞怎么模拟如此复杂的工况呢？我国风洞家族拥有尺寸、性能配套的各类风洞：低速、高速、超高声速、电弧、激波、结冰……模拟飞行速度可由10m/s到5000m/s，飞行高度可从地面到一百多千米高空！例如超音速风洞用于导弹实验，风速可达3400m/s（等同于十倍音速）。
2 风洞试验在各领域的应用
早在1871年，英国工程师建造了世界上首座风洞[4]。1901年，美国的莱特兄弟建造风速为12.2m/s的简易风洞，成功实现了人类的首次飞行，两年后世界上第一架飞机问世，风洞从此进入实用阶段。20世纪30～80年代，迎来了建设风洞的高峰期，世界各国均陆续建造了自己的风洞，以此保证本国在航空航天领域的领先地位。美国NASA艾姆斯研究中心研制的火星风洞是火星飞机在地面飞行的模拟设备，它是将吸入式风洞放置在模拟火星大气压力和温度的真空罐中，火星风洞给火星飞机、火星探测器等登火飞行器的设计提供了数据支撑[5]。
“歼-10”、“枭龙”战机和“神舟”系列飞船等从设计到实际航行，中间都进行了多次的风洞试验。为保证“神舟”飞船的安全飞行与返回，其各部件如发射装置、返回舱、逃逸塔等，均需经过风洞的严格检验。如飞船返回时，要穿越大气层，各部件受到摩擦，产生高温，也会受到雷、电、风、雨等影响，不仅返回舱的外形设计，还包括外表面蜂窝防热材料也都经过了大量的风洞试验。
2.1 航空领域
风洞试验早期只应用在飞行器的研制工作中，主要应用于飞行器低速气动力试验、理论研究及关键技术攻关，低速风洞试验技术及试验数据应用和研究，飞行器与飞行或运动相关的技术性能和应用效能的低速验证、评估，以及探索飞行器气动概念、气动技术以及设计方法等方面。经过40多年的努力，风洞设备的发展逐步从静态到动态、从无动力到有动力、从小迎角到大迎角、从模型试验到实物试验，可以说建立了门类齐全，尺寸配套、速度衔接的完整的低速空气动力试验设备体系。
2.2 航天领域
航天飞行器的飞行速度进一步提高，风洞在航天领域的应用主要包括飞行器气动力和压力、热环境和涂层冲刷、级间分离模拟、喷流和推力矢量控制、低温烧蚀和粒子侵蚀、激波边界层干扰、模型自由飞以及边界层湍流和混合层湍流等试验研究[6]。如航天飞机和神舟飞船再入大气层，飞行速度非常高，须对飞行器进行热防护设计，来避免飞行器与大气摩擦所产生的气动加热烧毁飞行器。电弧风洞主要进行飞行器结构性能、热防护和烧蚀，以及飞行器部件热化学和热结构性能测定，粒子侵蚀对飞行器特性的影响，再入体物理化学特性、气动光学等试验研究。
2.3 風工程与工业领域
风工程和工业空气动力学，是研究大气边界层内的风与人类活动及人所创造的物体间的相互作用，是由经典的空气动力学、气候学、气象学、结构动力学、桥梁工程、建筑工程、能源工程、车辆工程和环境工程等互相渗透促进而形成的。
根据具体实际工况要求而建成的工业风洞在风工程与工业空气动力学研究，在风能利用、桥梁和建（构）筑物的风载荷和风响应、车辆空气动力学等方面均取得了一系列成果。
汽车工业领域，为了测试汽车性能，此前只能用汽车实际运行多次，考察汽车性能，即费时又费力还存在安全风险。沃尔沃率先把风洞运用到汽车研究上，设计上可精确模拟汽车以250公里/小时车速行驶时，汽车四周和车底的气流，来确保汽车车身的空气动力特性（如图2所示）。通过风洞试验所得数据进行设计，所设计的气动外形使风阻减小10%以上，可每公里节油最高0.3L。大量的准高速列车、高速列车、磁悬浮列车以及各种编组列车的空气动力特性、表面压力分布等均需要经过风洞试验测验。
桥梁工程领域，1940年秋横跨于美国华盛顿州普吉特海峡塔科马峡谷上的建成仅4个月的Tacoma悬索桥在不到20m/s的8级大风作用下“刮”断了。科学家们用风洞设备模拟当时桥梁风毁情况，在1950年末建成了著名的新Tacoma桥，半个多世纪过去了，新建的Tacoma桥依然屹立不倒。1979年起，我国同济大学利用低速航空风洞进行了上海柳港大桥、广州海印大桥、天津永和大桥、山东胜利（东营）黄河大桥、重庆嘉陵江石门大桥等多座跨度桥梁的节段模型风洞试验研究，开始了我国风洞在桥梁工程建设中的应用。
3 结语
风洞试验利用模拟相似的原理，将飞行器以缩尺模型固定于风洞洞体中，用测试仪器测量模型受到的风速或风力，来模拟实况进行实验，使得实验变得可操作，特别是飞行器的模拟实验可以在地面进行，大大节约了时间和成本。随着空气动力学的推进，我国建成了低速风洞、高速风洞、超高速风洞、激波风洞、电弧风洞、结冰风洞等不同类型风洞，使得风洞试验不仅在航空航天工业的发展中起重要作用，更是在各工业领域得到了广泛应用。
参考文献
[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] 吴根，姜宗林，罗凡.空天飞行器先进风洞实验技术及我国发展建议[J].中国基础科学，2014，1：13-16.
[4] 于涛，范洁川，贾元胜.现代航空声学风洞技术现状与发展[J].实验流体力学，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.