軍工世界丨探尋一股神秘的“風(fēng)”

　　探尋一股神秘的“風(fēng)”

　　■雷 柱

　　上個(gè)月，舉世矚目的北京冬奧會(huì)圓滿閉幕。縱觀此次賽事，從籌辦到開(kāi)賽，處處透露出十足的“科技范”。其中，中國(guó)隊(duì)利用體育風(fēng)洞助力短道速滑訓(xùn)練的新聞，引起不少科技迷的關(guān)注。

　　助力體育訓(xùn)練，只是風(fēng)洞諸多應(yīng)用中的一種。眾所周知，風(fēng)洞是現(xiàn)代化航空領(lǐng)域研究和飛行器設(shè)計(jì)的重要設(shè)施，其建造能力代表著一個(gè)國(guó)家航空航天技術(shù)的發(fā)展水平。

　　人類對(duì)風(fēng)洞的研究，迄今已有150多年的歷史。航空飛行器發(fā)展初期，科學(xué)家對(duì)空氣動(dòng)力問(wèn)題的探索，促進(jìn)了風(fēng)洞的快速發(fā)展。通過(guò)模擬飛行器的空中飛行狀態(tài)，研究風(fēng)洞內(nèi)高速氣流與飛行器相互作用的規(guī)律，科學(xué)家可以獲取飛行器設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)。

　　那么，風(fēng)洞是如何發(fā)展起來(lái)的?風(fēng)洞建造技術(shù)難在哪里?風(fēng)洞對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)有哪些功用?本期，讓我們一探究竟。

　　起 源

　　人類“飛天夢(mèng)”從大木箱起步　　

　　圖①：塞斯納408空中客車飛機(jī)模型正在進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。資料照片

　　1871年，世界上第一個(gè)風(fēng)洞誕生，英國(guó)船舶工程師韋納姆用它進(jìn)行物體空中運(yùn)動(dòng)阻力的測(cè)量。

　　真正將風(fēng)洞應(yīng)用于航空領(lǐng)域的人，還是美國(guó)萊特兄弟。1903年，萊特兄弟成功將一架帶有動(dòng)力的載人飛行器——“飛行者一號(hào)”送上藍(lán)天，邁出了人類航空史上重要的一步。風(fēng)洞，正是讓此次試飛載入史冊(cè)的“幕后功臣”。

　　以當(dāng)時(shí)的科技水平，造出一架能飛上天的飛機(jī)已經(jīng)不是難事，設(shè)計(jì)理論方面已相對(duì)成熟。困難的是，如何在復(fù)雜天氣情況下盡可能延長(zhǎng)飛機(jī)飛行時(shí)間。這要求科學(xué)家通過(guò)試飛獲取大量空氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，從而設(shè)計(jì)出最佳機(jī)型。

　　試飛風(fēng)險(xiǎn)可想而知。為避免機(jī)毀人亡的事故，聰明的萊特兄弟想到了韋納姆的發(fā)明——風(fēng)洞。

　　與科技感十足的現(xiàn)代風(fēng)洞相比，萊特兄弟當(dāng)時(shí)制作的風(fēng)洞十分簡(jiǎn)單——一個(gè)兩端開(kāi)口、長(zhǎng)1.8米、橫截面積約0.16平方米的大木箱。兄弟二人利用雙缸煤氣機(jī)作為動(dòng)力源，在大木箱內(nèi)對(duì)飛機(jī)模型進(jìn)行上千次吹風(fēng)試驗(yàn)，成功獲取了一整套科學(xué)數(shù)據(jù)。最終，他們確定“飛行者一號(hào)”的最佳設(shè)計(jì)方案。

　　之后，隨著航空工業(yè)快速發(fā)展，各國(guó)紛紛投入到風(fēng)洞建設(shè)中，風(fēng)洞的尺寸也越來(lái)越大，呈現(xiàn)出種類繁多、功能多樣的發(fā)展趨勢(shì)——

　　1907年，德國(guó)成立哥廷根空氣動(dòng)力試驗(yàn)院，花費(fèi)巨資修建出一大批風(fēng)洞，并率先研制出噴氣式飛機(jī)和彈道導(dǎo)彈。

　　1915年，美國(guó)成立國(guó)家航空咨詢委員會(huì)，負(fù)責(zé)建造和管理不同類型風(fēng)洞。

　　1918年，蘇聯(lián)成立茹科夫斯基中央空氣流體力學(xué)研究院，主要建造各種類型風(fēng)洞。

　　……

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至20世紀(jì)90年代，美、英、法、德等多個(gè)國(guó)家建造風(fēng)洞數(shù)量總和達(dá)186座。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，風(fēng)洞發(fā)展呈現(xiàn)百花齊放的局面，汽車風(fēng)洞、氣象風(fēng)洞等如雨后春筍般涌現(xiàn)。如今，風(fēng)洞的種類越來(lái)越多，用途也越來(lái)越廣泛。

　　突 破

　　“風(fēng)不過(guò)來(lái)，我就過(guò)去”

　　20世紀(jì)40年代，飛機(jī)進(jìn)入超音速飛行時(shí)代。對(duì)速度的極致追求，成為世界各國(guó)發(fā)展風(fēng)洞事業(yè)的重要課題。

　　隨著超音速飛機(jī)迅速走紅，單純依靠軸流式風(fēng)扇“吹風(fēng)”的傳統(tǒng)風(fēng)洞顯然不能滿足試驗(yàn)需要。即便再增加一個(gè)拉瓦爾噴管，風(fēng)洞內(nèi)氣流速度也只能達(dá)到1.2馬赫。要想擁有更高風(fēng)速，就需要更大的空氣壓力差，科學(xué)家必須另尋其他辦法。

　　氣球給科學(xué)家?guī)?lái)創(chuàng)新靈感——他們用壓氣機(jī)將空氣壓入高壓氣罐，達(dá)到預(yù)定壓力后打開(kāi)閥門(mén)，使高壓氣體“吹”進(jìn)風(fēng)洞管道，從而形成超音速氣流供試驗(yàn)使用。

　　單純依靠上游高壓空氣的吹沖作用，依然無(wú)法滿足飛機(jī)飛行速度試驗(yàn)要求。為獲得更快的氣流，科學(xué)家又在風(fēng)洞下游出口接上一個(gè)真空容器，靠“上吹下吸”的方式形成更大壓差，從而產(chǎn)生大于5馬赫的高超音速氣流。1945年，德國(guó)一家科研機(jī)構(gòu)采用儲(chǔ)氣罐放氣和真空箱吸氣相結(jié)合的方式，率先研制出氣流速度高達(dá)10馬赫的高超音速風(fēng)洞。

　　追求氣流速度永無(wú)止境。要知道，高超音速飛行器再入大氣層后是以10倍以上音速飛行，這就需要持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新，制造出氣流速度更高的風(fēng)洞。于是，科學(xué)家盯上了火藥爆炸——火藥爆炸瞬間能產(chǎn)生巨大能量，形成高速氣流，可以滿足高超音速飛行器的風(fēng)洞試驗(yàn)要求。

　　理論正確并不代表實(shí)踐成功。人們很快發(fā)現(xiàn)，火藥爆炸產(chǎn)生的高速氣流方向紊亂、持續(xù)時(shí)間短，試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不準(zhǔn)確。無(wú)奈之下，這種方法不得不宣告失敗。

　　科學(xué)家最終還是回到利用壓力罐產(chǎn)生高速氣流的方式。他們想到了另一種氣流加速方式——“風(fēng)不過(guò)來(lái)，我就過(guò)去”，即利用較高的相對(duì)速度來(lái)獲得更高風(fēng)速。這種風(fēng)洞，不再是短小精悍的形狀，而是有著非常長(zhǎng)的管道，目的是讓高速氣流和物體有足夠空間相對(duì)而行，從而獲得更高的相對(duì)速度。

　　這一設(shè)想最終獲得成功。在風(fēng)洞的發(fā)展演變過(guò)程中，科學(xué)家進(jìn)行了各種極具創(chuàng)新的試驗(yàn)，只為實(shí)現(xiàn)更高、更快、更強(qiáng)的目標(biāo)?！　?/p>

　　圖②：萊特兄弟制作的風(fēng)洞模型(復(fù)制品)。資料照片

　　前 景

　　“吹”出一片新未來(lái)

　　航空工業(yè)歷來(lái)有著“一代風(fēng)洞，一代飛行器”的說(shuō)法。在軍事領(lǐng)域，大型高端風(fēng)洞無(wú)疑是一個(gè)國(guó)家重要的戰(zhàn)略性資源?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有先進(jìn)的風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備，就無(wú)法研制出先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)。

　　二戰(zhàn)前，蘇聯(lián)建造了當(dāng)時(shí)世界上最大的一座可用于整架飛機(jī)試驗(yàn)的全尺寸風(fēng)洞，為其研制多型號(hào)戰(zhàn)機(jī)奠定基礎(chǔ)。

　　無(wú)獨(dú)有偶。耗費(fèi)10年之久，美軍F-22戰(zhàn)機(jī)先后在15座風(fēng)洞進(jìn)行了75項(xiàng)、約4.4萬(wàn)小時(shí)的高低速風(fēng)洞試驗(yàn)，最終確定了F-22戰(zhàn)機(jī)的氣動(dòng)外形。

　　未來(lái)飛行器的研究與發(fā)展，依然離不開(kāi)先進(jìn)的風(fēng)洞試驗(yàn)。針對(duì)未來(lái)飛行器精細(xì)化設(shè)計(jì)需求以及高速化、隱身化、無(wú)人化的發(fā)展趨勢(shì)，風(fēng)洞設(shè)計(jì)也需要跟進(jìn)戰(zhàn)機(jī)迭代發(fā)展，進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新。

　　當(dāng)今，臨近空間是空天一體作戰(zhàn)的新高地，具有極強(qiáng)的軍事戰(zhàn)略意義。高超音速臨近空間飛行器的研發(fā)，必將推動(dòng)未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)入快速精確打擊時(shí)代。

　　20世紀(jì)80年代至90年代，美、俄等軍事強(qiáng)國(guó)開(kāi)始著手高超音速臨近空間飛行器的研究，但成功的案例屈指可數(shù)。其主要原因是，臨近空間飛行環(huán)境與對(duì)流層、平流層不同，容易產(chǎn)生分子振動(dòng)激發(fā)、真實(shí)氣體效應(yīng)、稀薄氣體效應(yīng)等各種復(fù)雜問(wèn)題。同時(shí)，隨著飛行器飛行速度加快，飛行器與空氣摩擦后產(chǎn)生的溫度驟升，周圍空氣會(huì)發(fā)生復(fù)雜的熱化學(xué)反應(yīng)，形成離子狀態(tài)，飛行器就像在泥潭中游泳。

　　等離子體是一種由大量電子、離子和中性粒子組成的物質(zhì)聚集體，它不同于物質(zhì)的氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)，被稱為物質(zhì)的“第四種狀態(tài)”。在航空航天領(lǐng)域，等離子體具有隱身、助燃和降噪等特點(diǎn)，成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)。

　　有報(bào)道稱，俄羅斯克爾德什研究中心已經(jīng)研發(fā)出第一代和第二代等離子體發(fā)生器。此外，俄羅斯進(jìn)行的風(fēng)洞試驗(yàn)表明，利用等離子體隱身技術(shù)，可以減少飛行器30%以上的飛行阻力。

　　不過(guò)，等離子體技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用依然任重道遠(yuǎn)——難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)一種易于產(chǎn)生和控制的等離子體產(chǎn)生器，并適用于各種武器平臺(tái)的試驗(yàn)。對(duì)等離子體的動(dòng)力科學(xué)研究，已經(jīng)成為未來(lái)風(fēng)洞的發(fā)展趨勢(shì)。

　　此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)值計(jì)算正在深度應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，發(fā)展數(shù)值計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的數(shù)值風(fēng)洞，已成為提高武器型號(hào)研發(fā)效率、減少風(fēng)險(xiǎn)、降低成本的一種全新手段。