我國(guó)航空航天技術(shù)中風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展歷史介紹

風(fēng)洞是現(xiàn)代航空航天技術(shù)發(fā)展中無(wú)論如何都不能跨過(guò)去的一個(gè)坎。飛機(jī)在試飛之前必須要經(jīng)過(guò)密集的風(fēng)洞測(cè)試，才能確定其氣動(dòng)性能，測(cè)量出飛機(jī)模型表面的壓力、壓強(qiáng)和流場(chǎng)，這樣一來(lái)才能夠獲得飛機(jī)的各種數(shù)據(jù)，包括阻力、升力、加熱特性等等，使得后續(xù)飛機(jī)的研制工作事半功倍。風(fēng)洞的作用如此重要，以至于有人說(shuō)飛機(jī)是“吹出來(lái)的”。

風(fēng)洞即風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室，是以人工的方式產(chǎn)生并且控制氣流，用來(lái)模擬飛行器或?qū)嶓w周?chē)鷼怏w的流動(dòng)情況，并可量度氣流對(duì)實(shí)體的作用效果以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它是進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)最常用、最有效的工具之一。

風(fēng)洞試驗(yàn)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，是根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理，將飛機(jī)模型固定在地面，人為制造氣流流過(guò)，模擬真實(shí)飛行時(shí)飛機(jī)周?chē)目諝饬鲃?dòng)情況，以研究飛機(jī)與空氣流動(dòng)的相互作用，了解飛機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)特性。

世界上公認(rèn)的第一個(gè)風(fēng)洞是英國(guó)人韋納姆于1869-1871年建成，并測(cè)量了物體與空氣相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力。它是一個(gè)兩端開(kāi)口的木箱，截面45.7厘米×45.7厘米，長(zhǎng)3.05米。1900年，美國(guó)的萊特兄弟建造了一個(gè)風(fēng)洞，截面40.6厘米×40.6厘米，長(zhǎng)1.8米，氣流速度40-56.3千米/小時(shí)。為他們成功地進(jìn)行世界上第一次動(dòng)力飛行奠定了基礎(chǔ)。1901年，萊特兄弟又建造了一個(gè)風(fēng)速12米/秒的風(fēng)洞，繼續(xù)為他們的飛機(jī)進(jìn)行有關(guān)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

我國(guó)建造風(fēng)洞的歷史可以追溯到1936年。當(dāng)年建造的第一個(gè)風(fēng)洞，在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)被日軍炸毀了，隨后建造的風(fēng)洞依然難逃厄運(yùn)，為的就是遏制中國(guó)空氣動(dòng)力研究，而空氣動(dòng)力研究正是航空航天發(fā)展的基礎(chǔ)，風(fēng)洞試驗(yàn)的難度和重要性由此可見(jiàn)一斑。

好在中國(guó)風(fēng)洞起步晚，步子卻不小。1968年錢(qián)學(xué)森、郭永懷倡議，在四川組建氣動(dòng)中心。目前，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心已經(jīng)成為我國(guó)規(guī)模最大、綜合實(shí)力最強(qiáng)的風(fēng)洞試驗(yàn)基地，是中國(guó)國(guó)家級(jí)空氣動(dòng)力試驗(yàn)、研究和開(kāi)發(fā)中心，也是亞洲最大風(fēng)洞群。包括低速、高速、超高速以及激波、電弧等風(fēng)洞，具備開(kāi)展低速試驗(yàn)、高速試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)、結(jié)冰試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)的能力。其中，用于解決飛機(jī)飛行降噪問(wèn)題的航空聲學(xué)風(fēng)洞，背景噪聲只有75.6分貝，目前是國(guó)際最高水平。此外，還包括亞洲首座大型結(jié)冰風(fēng)洞、首次在2.4米風(fēng)洞建立了工程實(shí)用的虛擬飛行試驗(yàn)平臺(tái)、首次發(fā)現(xiàn)了漩渦破裂區(qū)域存在多螺旋結(jié)構(gòu)等。

中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心為我國(guó)武器裝備發(fā)展和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了重大貢獻(xiàn)。從“殲-10”“梟龍”戰(zhàn)機(jī)和“神舟”系列飛船，到磁懸浮、“和諧號(hào)”高速列車(chē)；從高達(dá)300多米的東方明珠塔，到橫跨30多公里海面的杭州灣跨海大橋，都在這里進(jìn)行過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)。2010年5月，發(fā)展中心啟動(dòng)科研試驗(yàn)新區(qū)建設(shè)。多種新型飛機(jī)在科研試驗(yàn)新區(qū)首次實(shí)現(xiàn)了模型飛行試驗(yàn)，上百萬(wàn)組數(shù)據(jù)分類(lèi)入庫(kù)，中心目前已全面具備了風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算和模型飛行三大手段。我國(guó)C919大型客機(jī)的許多風(fēng)洞試驗(yàn)都是在這里開(kāi)展的。

風(fēng)洞試驗(yàn)并不像看起來(lái)那樣簡(jiǎn)單，“仿真性”是解決一切試驗(yàn)共同的難題。飛機(jī)在不同飛行階段，遭遇各種氣候條件，只要有試驗(yàn)需求，就要能夠在風(fēng)洞里面模擬出來(lái)相應(yīng)的空氣流動(dòng)情況。要控制空氣這個(gè)看不見(jiàn)摸不著的東西，難度著實(shí)不小。飛機(jī)飛行時(shí)，空氣可是沒(méi)有邊界的，那在風(fēng)洞這個(gè)有邊界的地方，如何模擬沒(méi)有邊界的氣流？飛機(jī)飛在空中是騰空而起，在風(fēng)洞中卻是支在一個(gè)架子上，氣流受支架影響，其周邊的氣流會(huì)不會(huì)發(fā)生改變？這些問(wèn)題的解決都必須靠風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)話(huà)。

說(shuō)到風(fēng)洞試驗(yàn)，離不開(kāi)空氣動(dòng)力學(xué)上兩個(gè)非常重要的概念：一是馬赫數(shù)（Ma）。馬赫數(shù)是風(fēng)洞試驗(yàn)必須模擬的相似參數(shù)，風(fēng)洞通常按照來(lái)流馬赫數(shù)進(jìn)行分類(lèi)。馬赫數(shù)馬赫數(shù)=飛行速度/聲速，用于表征飛行器的飛行速度，反映飛行器飛行時(shí)周?chē)諝獾膲嚎s程度。按照馬赫數(shù)的大小，風(fēng)洞分為低速風(fēng)洞（Ma＜0.4）：主要用于開(kāi)展飛機(jī)起飛、著陸等空氣動(dòng)力試驗(yàn)研究。高速風(fēng)洞（0.4≤Ma＜5）：高速風(fēng)洞又可細(xì)分為跨聲速風(fēng)洞（0.4≤Ma＜1.4）和超聲速風(fēng)洞（1.4≤Ma＜5），主要用于各種航空飛行器空氣動(dòng)力試驗(yàn)研究。超高速風(fēng)洞（Ma≥5）：主要用于開(kāi)展各種航天飛行器空氣動(dòng)力試驗(yàn)研究。二是雷諾數(shù)（Re）。雷諾數(shù)=慣性力/粘性力，用于表征飛機(jī)飛行時(shí)受到的粘性力，反映氣流對(duì)飛機(jī)表面的粘性阻滯作用。

飛機(jī)操縱面嗡鳴實(shí)驗(yàn)，對(duì)馬赫數(shù)的大小很敏感。嗡鳴是飛機(jī)作跨聲速飛行時(shí)由于翼面上的激波、波后的邊界層分離和操縱面偏轉(zhuǎn)的相互作用而產(chǎn)生的單自由度不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。發(fā)生嗡鳴會(huì)降低操縱效率甚至使操縱失效，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。通過(guò)嗡鳴實(shí)驗(yàn)，可以確定飛機(jī)操縱面振動(dòng)的性質(zhì)，提供排除振動(dòng)的方法和確定剛度指標(biāo)。

飛機(jī)結(jié)冰一直是飛行安全的大敵。實(shí)踐表明，飛機(jī)結(jié)冰是飛機(jī)安全飛行的致命弱點(diǎn)之一，在世界軍、民用飛機(jī)失事案例中占60%以上。以往，我們國(guó)家的飛機(jī)都要到國(guó)外去開(kāi)展結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)，2013年，我國(guó)終于建成了自己的結(jié)冰風(fēng)洞，成為世界上第三個(gè)可以開(kāi)展民機(jī)全研制過(guò)程結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)的國(guó)家。通過(guò)結(jié)冰風(fēng)洞試驗(yàn)，設(shè)計(jì)師們可以獲得在不同氣象條件下飛機(jī)的結(jié)冰位置和結(jié)冰冰型等，從而確定結(jié)冰容限及必須防除冰的表面，為飛機(jī)防除冰提供安全設(shè)計(jì)的依據(jù)。

噪聲水平是民機(jī)的重要技術(shù)指標(biāo)。氣動(dòng)噪聲風(fēng)洞試驗(yàn)是飛機(jī)研制重要的地面試驗(yàn)項(xiàng)目，是評(píng)估飛機(jī)的適航符合性、舒適性、環(huán)保性以及聲隱身等性能的重要依據(jù)。2019年5月20日，我國(guó)型號(hào)研制首次8米低速風(fēng)洞（FL-10風(fēng)洞）氣動(dòng)噪聲試驗(yàn)在航空工業(yè)氣動(dòng)院順利完成，宣告我國(guó)正式形成8米量級(jí)低速風(fēng)洞氣動(dòng)噪聲試驗(yàn)?zāi)芰?。風(fēng)洞在建造之初便預(yù)留了消聲室空間，通過(guò)風(fēng)扇低噪聲設(shè)計(jì)、動(dòng)力段降噪、消聲拐角導(dǎo)流片等多種手段，確保風(fēng)洞自身具有低背景噪聲特性。消聲室長(zhǎng)49米、寬33米、高26米，是目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的消聲室，也是國(guó)內(nèi)技術(shù)難度、實(shí)施難度最高的大型消聲室。

風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)取的數(shù)據(jù)并不能完全代表真實(shí)情況，需要進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)修正，才能獲得壓力分布這些后續(xù)設(shè)計(jì)必需的分析數(shù)據(jù)。而這是真正考驗(yàn)飛機(jī)設(shè)計(jì)師水平的地方。因此，現(xiàn)代飛機(jī)還必須開(kāi)展高雷諾數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)、動(dòng)力影響試驗(yàn)、氣動(dòng)彈性風(fēng)洞試驗(yàn)等一系列用于數(shù)據(jù)修正的風(fēng)洞試驗(yàn)，建立起一套從“風(fēng)洞數(shù)據(jù)”到“真實(shí)數(shù)據(jù)”的修正模型，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。

靜氣動(dòng)彈性風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是測(cè)量模型剛度對(duì)氣動(dòng)特性影響的實(shí)驗(yàn)。通常風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中的模型都是用強(qiáng)度和剛度較大的金屬制作的，而飛機(jī)的剛度比模型低得多。因此，需制造一種由金屬作骨架、用輕木或塑料作填料、能模擬飛機(jī)各部件彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的彈性模型，把它放在風(fēng)洞中作模擬飛行條件的高動(dòng)壓實(shí)驗(yàn)，測(cè)量對(duì)模型剛度的影響，修正剛體模型實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

可見(jiàn)，飛機(jī)的設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)洞的依賴(lài)性很大。風(fēng)洞試驗(yàn)作為飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的重要手段，其最廣為人知的作用就是飛機(jī)的氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)。從第一架飛機(jī)約20個(gè)小時(shí)的風(fēng)洞試驗(yàn)，到現(xiàn)在一般飛機(jī)型號(hào)所需的上萬(wàn)小時(shí)風(fēng)洞試驗(yàn)，風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)一直伴隨著飛機(jī)研制技術(shù)的發(fā)展而不斷提高，重要性也愈加凸顯。因此，在學(xué)術(shù)界，風(fēng)洞被稱(chēng)為“航空航天飛行器的搖籃”，流傳著“有什么樣的風(fēng)洞，才能有什么樣的飛機(jī)、飛船、火箭、導(dǎo)彈”的說(shuō)法。同時(shí)，風(fēng)洞也被世界各國(guó)視為重要的戰(zhàn)略資源。例如，50年代美國(guó)B-52型轟炸機(jī)的研制，曾進(jìn)行了約1萬(wàn)小時(shí)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，而80年代第一架航天飛機(jī)的研制則進(jìn)行了約10萬(wàn)小時(shí)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。

我國(guó)C919大型客機(jī)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了綜合減阻5%的目標(biāo)，風(fēng)洞試驗(yàn)功不可沒(méi)。C919的氣動(dòng)布局是“常規(guī)布局”，但要實(shí)現(xiàn)這個(gè)“常規(guī)布局”也不是簡(jiǎn)單的事兒?！安钪晾澹囈郧Ю铩边@句古話(huà)用在飛機(jī)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)上再合適不過(guò)。拿飛機(jī)氣動(dòng)設(shè)計(jì)的核心——機(jī)翼設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，機(jī)翼剖面哪怕差個(gè)幾毫米，對(duì)于飛機(jī)整個(gè)氣動(dòng)性能都有巨大影響，發(fā)動(dòng)機(jī)吊在機(jī)翼的不同位置也頗多講究。飛機(jī)的氣動(dòng)外形不存在“照葫蘆畫(huà)瓢”，每個(gè)型號(hào)都有獨(dú)特的氣動(dòng)外形，飛機(jī)的主制造商對(duì)飛機(jī)的氣動(dòng)外形擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

面向未來(lái)，風(fēng)洞還承擔(dān)著載人航天、火箭、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等眾多啟動(dòng)數(shù)據(jù)的測(cè)量和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)，作為科技較量的制高點(diǎn)，我國(guó)空氣動(dòng)力研究能力將穩(wěn)居第一梯隊(duì)。