大型風洞技術要求有多高?為什麼全球只有少數國家能建造?

2021-01-16 和風漫談

風洞的原理並不複雜,就是用風扇、壓縮機、高壓氣罐等設備,在試驗管道內模擬出接近真實環境的人造氣流,檢驗模型的氣動性能。但原理簡單不等於製造簡單,核潛艇、火箭的原理也很簡單。

美國 NASA Ames研究中心風洞群

什麼東西一旦追求極致,標準就快速提高,難度也迅速加大。就像很多國家能造汽車,但法拉利、保時捷這樣的超級跑車只有少數國家能造。大型風洞就是這樣的高精尖設備。

它是一個國家航空航天工業不可缺少的關鍵設備,也在汽車、高鐵、建築、橋梁等領域廣泛應用。

汽車領域

風洞模擬各種極端氣流,材料要求高,能源消耗大,種類眾多。玩一種不行,要玩就得一大堆全上。比如:

按氣流速度不同,分低速風洞(≤0.4馬赫)、亞聲速風洞(0.4~0.7馬赫)、跨聲速風洞(0.5~1.3馬赫)、超聲速風洞(1.5~4.5馬赫)、高超聲速風洞(>5馬赫)等。

在十幾倍音速氣流吹動下,高強度鋼都被氣動加熱到融化。這正是火箭、彈道飛彈、高超音速飛行器在大氣層中遇到的情況。

還有先進的「三聲速風洞」,可以在一個風洞內完成亞聲速、跨聲速、超聲速三種實驗。

巨大風扇

高超聲速風洞,按加熱原理和用途不同,又分成:暫衝式常規高超聲速風洞、低密度風洞、激波風洞、電弧風洞、熱衝風洞、長衝風洞、氣體活塞式風洞、炮風洞等。

電弧風洞在千分之一到幾十毫秒內釋放電弧脈衝,瞬間加熱壓縮氣體產生高超聲速氣流,模擬飛行器高溫高速環境,號稱「駕馭閃電的藝術」。其電流高達成千上萬安培,都不能用電線傳輸,得用粗鋼梁才行。

激波風洞用激波壓縮氣體,迅速膨脹產生高超聲速氣流,只獲得5~25毫秒的實驗時間。低密度風洞模擬稀薄氣體環境中氣動特徵,測量難度大,需要很多專用設備。

除了常規風洞,還有一大堆專用風洞。比如:

冰風洞研究飛機表面結冰現象;尾旋風洞研究飛機螺旋形成和改出方法;大氣邊界層風洞模擬氣流速度、湍流結構和溫度等等。

各種各樣的風洞涉及流體力學、固體力學、機械設計、壓力容器、熱結構工程、基礎材料等多門學科,是複雜的綜合工程。

「風洞一響,黃金萬兩」,大型風洞群建設成本很高,使用成本更高。需要高精度模型,海量電力,還有每秒運算萬億次的高速計算機。這需要強大工業體系,和大量科研人員共同努力。和風漫談原創,禁止抄襲。

建築物風洞試驗

中小國家沒有能力,也沒有需求。其產品單一,就一些飛行器、建築、汽車吹吹風洞,又不搞航天、彈道飛彈,用不上大型風洞群。

因此,世界上只有少數國家能建大型風洞群。我們也處於領先水平,這要感謝無數科技工作者的辛勤工作和默默貢獻!

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  • 飛機是「吹出來的」 ——風洞試驗史話
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