风洞和吹风

 

  飞行器在真正飞上天空之前,总是要被送到一种被称为“风洞”的设备中去“吹风”。

    “吹风”是为了检验飞行器的性能

    所谓风洞,是指在特殊管道内,用动力设备驱动一股速度可控的气流,用以对模型进行空气动力实验的一种设备。其最常见的是低速风洞。实际上,它就是一种管道 装置,一种人造的“洞穴”。在这个“洞穴”中有一股人造的气流通过。该种人造气流的速度和大小是可以调节与控制的。

    大家知道,决定一架飞机或其他飞行器的飞行性能,如速度、高度等,除飞机重量、发动机推力等要素外,最重要的因素便是作用于飞机的空气动力,而它又主要取 决于飞机的外形。在设计和研制飞机时,首先是设计其外形,由此就可以确定作用于飞机的空气动力并推算其飞行性能。因此,在风洞这个人造“洞穴 ”中进行试验,通过观测洞内气流与试验件之间的相互作用,便可以确定飞行器的气动布局和评估其气动性能。正因为如此,风洞才成为发展航空航天事业的关键设 备,研制任何飞机,包括军用飞机、民用飞机以及航天飞机,都必须首先在风洞中进行大量试验,试验飞机能不能飞起来,能飞多高、多快、多远以及其他各项飞行 性能等。

    风洞实验的基本原理是相对性原理和相似性原理。根据相对性原理,飞机在静止空气中飞行所受到的空气动力,与飞机静止不动、空气以同样的速度反方向吹来时的 作用是一样的。但是由于飞机大多是庞然大物,迎风面积比较大,欲使迎风面积如此大的气流以相当于飞行的速度吹过来,其动力消耗将是惊人的。此时根据相似性 原理,可以将飞机“缩小”做成几何相似的小尺度模型,气流速度在一定范围内也可以低于飞行速度,其试验结果也可以推算出真实飞行时作用于飞机的空气动力。

    通过风洞实验,可以测量作用于飞船、飞机、直升机、巡航导弹等飞行器模型的空气动力,如升力、阻力等,从而确定其飞行性能;可以测量作用于上述模型表面压 力分布,确定飞行器载荷和强度等;还可以进行布局选型试验,即把飞行器模型的各部件做成多套,可以更换组合,选择最佳的布局和外形等等。随着飞行器性能的 提高和改进,风洞试验所需要的时间不断增加。20世纪40年代,研制一架螺旋桨飞机,风洞试验时间是几百小时。至20世纪70年代初,一架喷气式客机的风 洞试验时间是4万~5万小时。航天器(如洲际导弹、卫星、宇宙飞船等)大部分航行在大气层外,基本上与空气无关,但其发射和返回是在大气层中,仍然需要在 风洞中进行试验。如美国的航天飞机在不同风洞中总共进行了10万小时的试验。

    飞行器“吹风”由来已久

    风洞的产生和发展是同航空航天科学的发展与需要息息相关的。在飞机的诞生前和问世之初,一些航空先驱者为了试验所制造飞机能否飞起来,飞起后又如何操纵, 常常亲自驾驶进行几十次试飞,然后根据试飞的结果,对飞机的布局、结构以至动力进行改进。在试飞的进程中,研制者要冒很大的风险,一些人甚至付出了鲜血和 生命。

    世界上公认的第一个风洞是英国人于1871年建成的。而美国莱特兄弟于1901 年制造了试验段560毫米见方、风速12米/秒的风洞,从而于1903年发明了世界上第一架实用的飞机;在这期间,他们制作的200多个不同形状的机翼模 型曾在不同角度进行了上千次的风洞试验。

    尽管从世界上第一个风洞问世至今已有100多年的历史,但它的大量出现还是在20世纪中叶。随着飞行器速度的不断增加、飞行范围的不断扩大,能够满足不同 试验要求的各种风洞陆续建成。特别是现代飞行器,因其结构的复杂、飞行品质和性能的提高,对风洞的要求和依靠性也越来越大。因此,自20世纪30年代以 来,风洞家族中接二连三地出现了许多新成员。为试验炮弹的气动力作用和研究超声速流动,瑞士阿克雷特于1932年建成了世界第一座超声速风洞;为适应高超 声速飞行器的发展,1958年,美国航天局建成了高超声速风洞;为了提高风洞实验的雷诺数(模拟尺度或黏性效应的相似准则),1975年,英国建成一座低 速压力风洞,用以试验雷诺数;1980年,美国将一座旧的低速风洞改造成为世界最大的全尺寸风洞,可以直接把原形飞机放进试验段中“吹风”;20世纪80 年代,美国又首次建成一座低温风洞,以氮气(氮气凝固点低,适于低温下工作)为工作介质。

    风洞实验虽然在航空航天领域具有举足轻重的地位,但它毕竟是一种模拟试验,不可能完全准确;虽然它能够在比较准确的程度上模拟出飞行状况,但它毕竟还是地 面上的一个“洞穴”,与真正的飞行环境相比,还有一定差异。比如:在真实飞行时,静止大气是无边界的;而在风洞中,气流则是有边界的。边界的存在限制了边 界附近的流线弯曲,使风洞流场有别于真实飞行的流场。同时,在风洞试验中,需要用支架把模型支撑在气流中。支架的存在,会产生对模型流场的干扰,虽然可以 通过试验方法修正支架的影响,但很难修正干净。这些都需进一步解决和克服。

    要“吹风”的不仅是飞行器

    在一般人的印象中,风洞技术的产生与发展就是为了航空航天领域服务的,这实际上是一种片面的理解。1940年,美国的一座大型钢索吊桥———塔科马大桥就 因为并不很大的风载荷,导致桥体强迫振动和共振,引起断塌。这一教训受到学术界广泛重视。此后,随着工业技术的发展,风洞试验(主要是低速风洞)已逐渐从 航空航天领域扩大到一般工业部门,应用到各行各业,并形成了新的学科———“工业空气动力学”和“风工程学”。

    例如,当汽车速度达到180千米/小时时,空气阻力可占总阻力的1/3。对小汽车模型进行风洞试验,合理修形,可使气动阻力减小75%。而对建筑物模型进 行风载荷试验,则从根本上改变了传统的设计方法和规范。大型建筑物如大桥、电视塔、大型水坝、高层建筑群等,已规定必须要进行风洞试验,而且模型必须模拟 实物的刚度(即弹性模型),测量“风振特性”。对于大型工厂、矿山群,也要做成模型,在风洞中进行防止污染和扩散的试验。为此,应运而生出现了许多“大气 边界层风洞”,在这种风洞中,试验段的气流并不是均匀的,从风洞底板向上,速度逐渐增加,模拟地面风的运动情况(称为大气边界层)。

    我们相信,随着科学技术的进一步发展,风洞技术必定会获得更大的发展,发挥越来越大的作用。

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