跨越一個(gè)半世紀(jì)的風(fēng)洞

老陳

英國(guó)人發(fā)明，萊特兄弟完善

目前各國(guó)航空動(dòng)力學(xué)的研究者仍然公認(rèn)，世界上第一座密封式風(fēng)洞是由英國(guó)科學(xué)家弗朗西斯·赫伯特·韋納姆和約翰·布朗寧在1871年研制的。其中的韋納姆是英國(guó)航空動(dòng)力學(xué)的先驅(qū)人物，英國(guó)航空學(xué)會(huì)的創(chuàng)始人之一。

1871年，韋納姆為英國(guó)航空學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)出世界上第一個(gè)風(fēng)洞，用來(lái)測(cè)量物體與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力。當(dāng)時(shí)這個(gè)風(fēng)洞的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，一個(gè)長(zhǎng)3.05米兩端開(kāi)口的木箱，截面為45.7厘米×45.7厘米，木箱的一端安裝有風(fēng)扇向外吹風(fēng)。

真正把風(fēng)洞實(shí)用化的是發(fā)明飛機(jī)的萊特兄弟。萊特兄弟打造的“飛行者一號(hào)”實(shí)現(xiàn)了人類歷史上第一次重于空氣的航空器持續(xù)而且受控的動(dòng)力飛行。而萊特兄弟的成功，很大程度上應(yīng)該歸功于他們把風(fēng)洞技術(shù)應(yīng)用到了飛機(jī)的設(shè)計(jì)中來(lái)。

他們?cè)斓娘L(fēng)洞結(jié)構(gòu)和韋納姆的基本一致：一個(gè)木頭管子，一頭裝上一組葉片進(jìn)行吹風(fēng)，試驗(yàn)的飛機(jī)模型放在管子中間。萊特兄弟的這個(gè)風(fēng)洞截面40.6厘米×40.6厘米，長(zhǎng)1.8米，能模擬40-56.3千米/小時(shí)的風(fēng)速。

為確保飛行能夠成功，萊特兄弟先后兩次建造風(fēng)洞，第一次是在1900年，當(dāng)時(shí)風(fēng)洞的氣流速度為每小時(shí)50千米左右，第二年為了能更好地測(cè)試飛機(jī)的性能，又建造了一個(gè)風(fēng)速為12米每秒的風(fēng)洞。正是因?yàn)橛星捌诖罅吭囼?yàn)的結(jié)果做鋪墊，才使得萊特兄弟以非常小的代價(jià)重復(fù)了上千次試驗(yàn)，最終獲得了理想的機(jī)翼設(shè)計(jì)。1903年 “飛行者一號(hào)”試飛成功，世界上的第一架飛機(jī)也就誕生了。

不斷演進(jìn)的風(fēng)洞

在萊特兄弟以后，更多的人開(kāi)始投身于風(fēng)洞的設(shè)計(jì)，如1901年俄國(guó)的儒科夫斯基，l902-1903年美國(guó)的阿 ·伊 ·撒姆，1903年英國(guó)的托馬斯·斯陶頓爵士，1906年俄國(guó)的列波琴斯基，1907年德國(guó)的普朗特，1914年法國(guó)的艾菲爾等等，這些后來(lái)者的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段尺寸都比菜特兄弟的大得多。

1931年5月27日，全球首個(gè)全尺寸風(fēng)洞在美國(guó)弗吉尼亞州漢普頓附近的蘭利研究中心投入使用。這個(gè)風(fēng)洞提供了一個(gè)19.28米×9.144米的實(shí)驗(yàn)空間，被用于從二戰(zhàn)戰(zhàn)斗機(jī)、太空艙到潛水艇、現(xiàn)代噴氣機(jī)的各種空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試。

風(fēng)洞的發(fā)展，后來(lái)呈現(xiàn)出兩個(gè)主要的方向，一個(gè)是通過(guò)風(fēng)洞尺寸增加來(lái)提供更大的實(shí)驗(yàn)空間，另一個(gè)就是提高風(fēng)速。

1932年，瑞士科學(xué)家阿克雷為了解決炮彈的氣動(dòng)力問(wèn)題和超音速流動(dòng)的規(guī)律，建造了一段試驗(yàn)段風(fēng)速達(dá)到2馬赫的連續(xù)式超音速風(fēng)洞。

到上世紀(jì)50年代，噴氣式飛機(jī)跨過(guò)了“音障”，進(jìn)入低超音速發(fā)展時(shí)期。在此期間航空工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家為了滿足研發(fā)飛機(jī)的需要，建造了一批跨音速和超音速風(fēng)洞。

如1956年美國(guó)NASA艾姆斯研究中心建成世界上最大的超聲速風(fēng)洞，試驗(yàn)段截面尺寸4.88米×4.88米，馬赫數(shù)Ma=0.8～4.0。

蘇聯(lián)1952年建成的T-106型風(fēng)洞，為試驗(yàn)段直徑2.48米的亞跨聲速風(fēng)洞；1953年建成的T-109型風(fēng)洞，是一座試驗(yàn)段截面尺寸2. 25米×2.25米的暫沖式亞跨超聲速風(fēng)洞。

1957年英國(guó)RAE建成試驗(yàn)段截面直徑2.5米的跨超聲速風(fēng)洞；1961年法國(guó)國(guó)家航空空間研究院的S2-MA型風(fēng)洞為試驗(yàn)段截面尺寸1.94米×1.75米亞跨聲速風(fēng)洞。

中國(guó)風(fēng)洞曾經(jīng)世界最大

相對(duì)于世界范圍的發(fā)展，我國(guó)的風(fēng)洞最早出現(xiàn)于上世紀(jì)三十年代。

1936年4月，清華大學(xué)航空工程組自行研制成功國(guó)內(nèi)第一個(gè)5英尺航空風(fēng)洞，風(fēng)洞采用回流式，最大直徑為3米，試驗(yàn)段剖面為圓形，直徑1.5米。該校王士倬等4人關(guān)于此風(fēng)洞的論文被評(píng)為1936年中國(guó)工程師學(xué)會(huì)論文第一獎(jiǎng)。

1936年11月，清華大學(xué)在南昌成立航空研究所，成為舊中國(guó)僅有的兩個(gè)航空科研機(jī)構(gòu)之一。

1937年，清華大學(xué)在南昌建造成4.5米回流式大風(fēng)洞，圓形剖面試驗(yàn)段正常直徑為4.57米，可以縮小一半，也可放大到6米，最大氣流速度58米/秒。這個(gè)風(fēng)洞是當(dāng)時(shí)世界上最大的風(fēng)洞之一，比美國(guó)加州理工學(xué)院的風(fēng)洞要大50%，標(biāo)志著中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展的一個(gè)新階段。

現(xiàn)在種類更多，作用更大

1980年，美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA艾姆斯中心把一座舊的低速風(fēng)洞改造成全美最大的全尺寸低速風(fēng)洞，形成了24.4米×12.2米的實(shí)驗(yàn)空間。這個(gè)風(fēng)洞建成后又增加了一個(gè)36.6米× 24.4米的新試驗(yàn)段，風(fēng)扇電機(jī)功率也由原來(lái)25兆瓦提高到100兆瓦。

這種大型風(fēng)洞，可以為真實(shí)飛機(jī)和全尺寸的縮比模型提供流場(chǎng)條件，研究飛行器各部件的氣動(dòng)力等。因此可以說(shuō)，也正是因?yàn)樗某瑥?qiáng)風(fēng)洞，從而幫助美國(guó)不斷生產(chǎn)優(yōu)秀的飛機(jī)。

盡管風(fēng)洞為美國(guó)先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，但風(fēng)洞的制造、重建和維護(hù)的運(yùn)營(yíng)成本也相當(dāng)驚人。根據(jù)最初的估計(jì)，重建風(fēng)洞的費(fèi)用是建造同等規(guī)模風(fēng)洞的10倍。另一方面，如果風(fēng)洞中的6臺(tái)風(fēng)機(jī)全部運(yùn)行，發(fā)電量將相當(dāng)于一個(gè)人口超過(guò)20萬(wàn)的小城市的總用電量！

現(xiàn)在，風(fēng)洞的種類變得更多了，包括低速風(fēng)洞、高速風(fēng)洞、超聲速風(fēng)洞、激波風(fēng)洞等等。相對(duì)于最初風(fēng)洞被設(shè)計(jì)出來(lái)是為了測(cè)試飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性，如今的風(fēng)洞作用更加巨大。

目前各種飛行器的測(cè)試，包括客機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、轟炸機(jī)、直升機(jī)、宇宙飛船、導(dǎo)彈等，只要在天上飛的必需都要在風(fēng)洞中進(jìn)行測(cè)試。除此之外，汽車、快艇、高速列車、運(yùn)動(dòng)設(shè)備、頭盔、大型建筑物（比如高層建筑、大橋等）等等都需要進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試。