鄭玉麟

什么叫做實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)？它的發(fā)展情況怎樣？

空氣動(dòng)力學(xué)是非固體力學(xué)里面的一部分，是研究氣體的運(yùn)動(dòng)、以及氣體和在氣體中運(yùn)動(dòng)的固體之間相互作用的一門科學(xué)。它也和其他任何一門自然科學(xué)一樣，同時(shí)向著理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方向發(fā)展。

當(dāng)一架飛機(jī)在空氣中飛行時(shí)，飛機(jī)上會(huì)產(chǎn)生空氣阻力。飛機(jī)需要克服這個(gè)阻力，才能繼續(xù)飛行。這種飛機(jī)和空氣相互運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的阻力的大小和方向，決定于圍繞飛機(jī)的全部空氣流型。如果要用理論方法得到準(zhǔn)確的解答是有很大困難的。所以，為了求得這類空氣動(dòng)力的大小和方向，常常利用實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)的方法。

理論空氣動(dòng)力學(xué)，基本上是應(yīng)用數(shù)學(xué)和應(yīng)用力學(xué)。力求深入研究現(xiàn)象的本質(zhì)，深入現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律性，以及深入現(xiàn)象發(fā)展的原因。為了便于在數(shù)學(xué)上進(jìn)行分析研究，它就只研究包含實(shí)際現(xiàn)象的主要方面的簡(jiǎn)化了的物理形態(tài)。而實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)則是研究這個(gè)復(fù)雜現(xiàn)象本身所具有的物理特性。

在過去幾十年中，世界各國的空氣動(dòng)力學(xué)家們，應(yīng)用理論研究的方法已經(jīng)得出很多寶貴的結(jié)論，如機(jī)翼升力理論，附面層理論等，對(duì)航空工程起著很大的推動(dòng)作用；但在實(shí)際問題中，還有很多復(fù)雜現(xiàn)象，如飛機(jī)各部分相互干擾，跨音速流動(dòng)等，即使經(jīng)過簡(jiǎn)化后，還不一定能夠加以理論分析，或則所得的一些理論結(jié)果與實(shí)際相差太遠(yuǎn)，不合實(shí)用。于是必須依靠很多實(shí)驗(yàn)結(jié)果來解決實(shí)際問題。

實(shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展以來，雖然時(shí)間不長，但已達(dá)到相當(dāng)完善的程度。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方法有許多種：或是氣流流過不動(dòng)的物體，如利用自然風(fēng)及風(fēng)洞等；或是物體在不動(dòng)的媒質(zhì)中運(yùn)動(dòng)，如自由落體法，空氣動(dòng)力車及旋臂機(jī)等。這些實(shí)驗(yàn)方法，除了風(fēng)洞以外，都是簡(jiǎn)陋或極不完善的。它們?cè)挥糜趯?shí)驗(yàn)空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展的初期。

世界上第一個(gè)風(fēng)洞出現(xiàn)于上世紀(jì)的九十年代(1897年)，是由蘇聯(lián)偉大科學(xué)家喬爾可夫斯基建立的。1902年儒考夫斯基在莫斯科大學(xué)又建成了一個(gè)具有75×75厘米正方形剖面的風(fēng)洞，獲得每秒9公尺的流速。接著就開始了廣泛系統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)研究。以后，在儒考夫斯基的領(lǐng)導(dǎo)下，庫奇諾氣動(dòng)力研究院，莫斯科大學(xué)和莫斯科高等技術(shù)學(xué)校等都先后建成很多相當(dāng)大的和完善的風(fēng)洞。偉大的十月社會(huì)主義革命后，蘇聯(lián)共產(chǎn)黨和蘇維埃政府在開展空氣動(dòng)力學(xué)研究方面，給了最大的關(guān)懷和支持，撥了巨大的資金，于1918年建立了中央流體動(dòng)力研究院，它擁有世界上頭等的實(shí)驗(yàn)室和完善的風(fēng)洞。四十年來，風(fēng)洞已成為空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的不可缺少的重要工具。

風(fēng)洞在航空工業(yè)的發(fā)展上有什么作用

風(fēng)洞設(shè)備應(yīng)用的范圍很廣，可以根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，來選擇阻力最小的火車、汽車等交通工具的外形；來改進(jìn)工廠廠房的通風(fēng)設(shè)備；來改進(jìn)氣動(dòng)機(jī)械裝備的效能。當(dāng)然，最重要的在于促進(jìn)航空科學(xué)和工業(yè)的發(fā)展。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)證明，空氣作用于飛機(jī)的空氣動(dòng)力與空氣密度、飛機(jī)迎面氣流速度的平方、飛機(jī)的幾何尺寸，外形以及它在氣流中的姿態(tài)有關(guān)。在定態(tài)平飛時(shí)，升力Y平衡了飛機(jī)的重量G，而迎面阻力Q則為拉力P所平衡(見圖1)。

圖1定態(tài)平飛

由于迎面阻力與速度的平方成比例；同時(shí)水平飛行所需用的功率則與速度的立方成比例。可見飛機(jī)空氣動(dòng)力方面的改善，在提高飛機(jī)飛行速度方面所起作用的巨大。

我們來比較一下，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)功率隨其飛行速度而增高的情況：

年代功率(馬力)速度(公里/小時(shí))1920～1927250～400180～2401938～1941800～1200 600～7001942－19482500～3000900～10001949－19565000～90001200～1800

比較1927和1956，最大飛行速度增加約十倍。如果只靠提高功率來求得速度的增長，那就必須把功率增加到1000倍。事實(shí)上，發(fā)動(dòng)機(jī)功率只增加了幾十倍。十分明顯，這主要的是由于飛機(jī)的空氣動(dòng)力外形的改善。飛機(jī)空氣動(dòng)力外形的改善，正是由于龐大的空氣動(dòng)力研究院和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室迅速發(fā)展的結(jié)果。

譬如我們?cè)O(shè)計(jì)一架飛機(jī)，在進(jìn)行總體安排時(shí)，必須做好空氣動(dòng)力布局工作。根據(jù)所選的機(jī)翼、機(jī)身、尾翼等氣動(dòng)特性數(shù)據(jù)，進(jìn)行氣動(dòng)計(jì)算和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算。也就是必須知道：飛機(jī)在飛行中要受到那些空氣動(dòng)力和力矩作用，以及這些力是怎樣沿著飛機(jī)各部的表面分布的。這些氣動(dòng)特性數(shù)據(jù)主要都需要根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。同時(shí)也需要根據(jù)初步設(shè)計(jì)的飛機(jī)幾何形狀做好模型，進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證已估計(jì)的氣動(dòng)性能與穩(wěn)定性等數(shù)值。對(duì)于飛機(jī)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，必須根據(jù)飛機(jī)各部分的壓力分布與氣動(dòng)載荷等數(shù)據(jù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)的計(jì)算，這些壓力分布與氣動(dòng)載荷等數(shù)據(jù)的求得，主要也是依靠風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。所以，進(jìn)行一架新型飛機(jī)的設(shè)計(jì)與計(jì)算工作，必須有風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)；或者進(jìn)行模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。特別是當(dāng)新機(jī)設(shè)計(jì)中發(fā)生必須研究及解決的問題，往往需要進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)求出氣動(dòng)數(shù)據(jù)來分析研究，作為改進(jìn)飛機(jī)設(shè)計(jì)的根據(jù)。所以風(fēng)洞對(duì)于航空工業(yè)生產(chǎn)及航空科學(xué)研究發(fā)展，都起著極其重要的作用。

(未完待續(xù))