探寻一股神秘的“风”

上个月，举世瞩目的北京冬奥会圆满闭幕。纵观此次赛事，从筹办到开赛，处处透露出十足的“科技范”。其中，中国队利用体育风洞助力短道速滑训练的新闻，引起不少科技迷的关注。

助力体育训练，只是风洞诸多应用中的一种。众所周知，风洞是现代化航空领域研究和飞行器设计的重要设施，其建造能力代表着一个国家航空航天技术的发展水平。

人类对风洞的研究，迄今已有150多年的历史。航空飞行器发展初期，科学家对空气动力问题的探索，促进了风洞的快速发展。通过模拟飞行器的空中飞行状态，研究风洞内高速气流与飞行器相互作用的规律，科学家可以获取飞行器设计的重要数据。

那么，风洞是如何发展起来的？风洞建造技术难在哪里？风洞对飞机设计有哪些功用？本期，让我们一探究竟。

起 源

人类“飞天梦”从大木箱起步

1871年，世界上第一个风洞诞生，英国船舶工程师韦纳姆用它进行物体空中运动阻力的测量。

真正将风洞应用于航空领域的人，还是美国莱特兄弟。1903年，莱特兄弟成功将一架带有动力的载人飞行器——“飞行者一号”送上蓝天，迈出了人类航空史上重要的一步。风洞，正是让此次试飞载入史册的“幕后功臣”。

以当时的科技水平，造出一架能飞上天的飞机已经不是难事，设计理论方面已相对成熟。困难的是，如何在复杂天气情况下尽可能延长飞机飞行时间。这要求科学家通过试飞获取大量空气动力数据，从而设计出最佳机型。

试飞风险可想而知。为避免机毁人亡的事故，聪明的莱特兄弟想到了韦纳姆的发明——风洞。

与科技感十足的现代风洞相比，莱特兄弟当时制作的风洞十分简单——一个两端开口、长1.8米、横截面积约0.16平方米的大木箱。兄弟二人利用双缸煤气机作为动力源，在大木箱内对飞机模型进行上千次吹风试验，成功获取了一整套科学数据。最终，他们确定“飞行者一号”的最佳设计方案。

之后，随着航空工业快速发展，各国纷纷投入到风洞建设中，风洞的尺寸也越来越大，呈现出种类繁多、功能多样的发展趋势——

1907年，德国成立哥廷根空气动力试验院，花费巨资修建出一大批风洞，并率先研制出喷气式飞机和弹道导弹。

1915年，美国成立国家航空咨询委员会，负责建造和管理不同类型风洞。

1918年，苏联成立茹科夫斯基中央空气流体力学研究院，主要建造各种类型风洞。

……

据统计，截至20世纪90年代，美、英、法、德等多个国家建造风洞数量总和达186座。

进入21世纪，风洞发展呈现百花齐放的局面，汽车风洞、气象风洞等如雨后春笋般涌现。如今，风洞的种类越来越多，用途也越来越广泛。

突 破

“风不过来，我就过去”

20世纪40年代，飞机进入超音速飞行时代。对速度的极致追求，成为世界各国发展风洞事业的重要课题。

随着超音速飞机迅速走红，单纯依靠轴流式风扇“吹风”的传统风洞显然不能满足试验需要。即便再增加一个拉瓦尔喷管，风洞内气流速度也只能达到1.2马赫。要想拥有更高风速，就需要更大的空气压力差，科学家必须另寻其他办法。

气球给科学家带来创新灵感——他们用压气机将空气压入高压气罐，达到预定压力后打开阀门，使高压气体“吹”进风洞管道，从而形成超音速气流供试验使用。

单纯依靠上游高压空气的吹冲作用，依然无法满足飞机飞行速度试验要求。为获得更快的气流，科学家又在风洞下游出口接上一个真空容器，靠“上吹下吸”的方式形成更大压差，从而产生大于5马赫的高超音速气流。1945年，德国一家科研机构采用储气罐放气和真空箱吸气相结合的方式，率先研制出气流速度高达10马赫的高超音速风洞。

追求气流速度永无止境。要知道，高超音速飞行器再入大气层后是以10倍以上音速飞行，这就需要持续技术创新，制造出气流速度更高的风洞。于是，科学家盯上了火药爆炸——火药爆炸瞬间能产生巨大能量，形成高速气流，可以满足高超音速飞行器的风洞试验要求。

理论正确并不代表实践成功。人们很快发现，火药爆炸产生的高速气流方向紊乱、持续时间短，试验数据并不准确。无奈之下，这种方法不得不宣告失败。

科学家最终还是回到利用压力罐产生高速气流的方式。他们想到了另一种气流加速方式——“风不过来，我就过去”，即利用较高的相对速度来获得更高风速。这种风洞，不再是短小精悍的形状，而是有着非常长的管道，目的是让高速气流和物体有足够空间相对而行，从而获得更高的相对速度。

这一设想最终获得成功。在风洞的发展演变过程中，科学家进行了各种极具创新的试验，只为实现更高、更快、更强的目标。

前 景

“吹”出一片新未来

航空工业历来有着“一代风洞，一代飞行器”的说法。在军事领域，大型高端风洞无疑是一个国家重要的战略性资源。可以说，没有先进的风洞试验设备，就无法研制出先进战机。

二战前，苏联建造了当时世界上最大的一座可用于整架飞机试验的全尺寸风洞，为其研制多型号战机奠定基础。

无独有偶。耗费10年之久，美军F-22战机先后在15座风洞进行了75项、约4.4万小时的高低速风洞试验，最终确定了F-22战机的气动外形。

未来飞行器的研究与发展，依然离不开先进的风洞试验。针对未来飞行器精细化设计需求以及高速化、隐身化、无人化的发展趋势，风洞设计也需要跟进战机迭代发展，进行技术创新。

当今，临近空间是空天一体作战的新高地，具有极强的军事战略意义。高超音速临近空间飞行器的研发，必将推动未来战争进入快速精确打击时代。

20世纪80年代至90年代，美、俄等军事强国开始着手高超音速临近空间飞行器的研究，但成功的案例屈指可数。其主要原因是，临近空间飞行环境与对流层、平流层不同，容易产生分子振动激发、真实气体效应、稀薄气体效应等各种复杂问题。同时，随着飞行器飞行速度加快，飞行器与空气摩擦后产生的温度骤升，周围空气会发生复杂的热化学反应，形成离子状态，飞行器就像在泥潭中游泳。

等离子体是一种由大量电子、离子和中性粒子组成的物质聚集体，它不同于物质的气态、液态和固态，被称为物质的“第四种状态”。在航空航天领域，等离子体具有隐身、助燃和降噪等特点，成为各国研究的热点。

有报道称，俄罗斯克尔德什研究中心已经研发出第一代和第二代等离子体发生器。此外，俄罗斯进行的风洞试验表明，利用等离子体隐身技术，可以减少飞行器30%以上的飞行阻力。

不过，等离子体技术在军事领域的应用依然任重道远——难点在于如何设计一种易于产生和控制的等离子体产生器，并适用于各种武器平台的试验。对等离子体的动力科学研究，已经成为未来风洞的发展趋势。

此外，随着计算机技术飞速发展，数值计算正在深度应用于航空航天领域，发展数值计算与风洞试验相结合的数值风洞，已成为提高武器型号研发效率、减少风险、降低成本的一种全新手段。