建造高超音速風洞的難點是什麼,為何只有很少國家擁有這個能力?

2020-12-16 優美生態環境保衛者

相信很多朋友在看到「風洞」一詞時,會自然聯想到在一個洞裡放置風扇使勁地吹風,當然「風洞」的簡化概念可以這麼去理解,不過實際上要想建造高質量的風洞特別是高超音速的風洞,難度是非常大的。

我們先來看一下什麼是「風洞」。簡單說,就是利用人工幹預的手段,利用特殊的裝置產生一定強度的氣流,通過特定的途徑控制這些氣流,將其引導到相關飛行器模型表面(比如飛機、戰鬥機、飛彈模型等),通過安置在模型表面的一系列監測設備,可模擬出飛行器實體飛行時周圍氣流的流動狀態,從而定量化推算出氣流對飛行器運行時的影響和作用效果。

由於飛行器在生產之後,特別是新型飛行器投入使用之前,為了安全性和實用性考慮,並不能直接開始啟用,而是需要對性能進行充分檢驗,同時對壓力進行深入測試,而開展空氣動力學實驗是其中的一項重要內容,而「風洞」正是提供這種實驗最可靠、最常用和最有效的工具。

對於依靠「風洞實驗」要求不是太高的實驗來說,只需要普通的「風洞」即可,這種普通的「風洞」吹出來的風速一般都達不到音速,或者僅超出音速一點,這樣的「風洞」建造起來相對容易的多,簡單說只要使用大功率風扇就可以實現了,必要時再額外配置噴流管提高一下風速即可。

不過,對於大多數飛行器來說,普通「風洞」是滿足不了測試需求的。根據提供風速的不同,可以將高於普通「風洞」技術要求的,劃分為跨音速風洞、超音速風洞、高超音速風洞這幾種。隨著風速的提高,原本只是提供一般速度的風扇,對氣流的壓縮作用會逐漸達到瓶頸,也就是說風扇對吹動氣流的能力是有上限的,如果被測試的飛行器需要進行「風洞實驗」的要求較高(比如飛行器實際飛行速度遠高於音速),那麼僅靠風扇或者噴流管是難以達到實驗預期的。

所以,在建造大型高速「風洞」時,必須實現技術升級,改用空氣壓縮的方式,配備必要的大型空氣壓縮機、壓力罐、高耐受性噴流管等設施,在情況允許時,還可能要將模型周圍環境轉化為真空狀態,目的就是提高儲存壓縮空氣和外界的壓力差,從而進一步增加空氣的流動能力,實現更高的風速。另外,為了更真實地對飛行器高速的運行狀態,理想合格的「風洞」實驗,還要模擬出高速飛行時因表面與空氣流的摩擦產生的高溫環境,所以對於連接壓力罐與周圍環境的噴流管來說,其材料還必須滿足能夠耐受2000攝氏度以上的高溫條件。

以上是從技術層面展開的分析,實際上,對於需要進行高質量的「風洞實驗」來說,需要從低到高依次開展亞因素、跨音速、超音速和高超音速的系列實驗,這就需要「風洞」中要配套建設多種規格、多重模式、多種條件、多套機組、多套配套設施等共同構成的「風洞」群,所以建造的費用很高,即使普通的「風洞」投資都需要幾百萬美元,而一個高超「風洞」的價格可達上億美元。

第三個方面,要完美、準確地進行「風洞實驗」,模型上相應的精密監測設備必不可少,比如超高速相機和攝影儀、壓力傳感器、溫度傳感器、姿態感應儀等等,很多都是具有密級的軍工產品或者高科技產品,國際間不太容易進行信息的交流和共享,如果一個國家沒有完備的工業體系、強大的製造能力和充足的原材料供給,這些監測設備就無法生產,因此即使花大價錢造出了「風洞」也無用武之地。

綜上,建造「風洞」開展相應實驗,是建立在一個國家財力、科學技術、工業化體系等基礎之上的,是綜合國力的一種體現,並不是想建就能建的,截至目前,也只有我國和美國、俄羅斯這3個大國有這樣的實力。

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