飞行器设计研制的“先行官”——风洞试验

风洞，这个听起来十分神秘的术语，是飞行器的设计研制过程至为重要的一关。风是自然界中的空气流动，但是又怎么会在“洞”中？让我们一起探寻飞行器设计研制中的“先行官”——风洞的奥秘。

在了解风洞之前，我们需要了解风洞运行的基本原理，即相对性原理。相对性原理是指当物体以某一速度在静止的空气中运行时，气流对物体的作用与同一速度的气流流过静止的物体的作用完全一致。比如，当飞机以340m／s的速度在空气中自由飞行的时候，飞机所受到的气流冲击就可以等同于静止的飞机受到一股速度为340m／s的风。利用这一原理，在研制过程中，科研人员将飞机模型保持静止状态，利用风洞产生具有一定速度的气体流动，进而探索飞行器的各种特性。1871年，韦罕姆在格林尼治建造了世界上第一座风洞。1902年，莱特兄弟也建造了一座风洞，并在该风洞中对其研制的第三号滑翔机进行了风洞试验。这是有史以来，第一次将风洞应用到飞行的研制过程中。

风洞主要由洞体，驱动机构以及测量控制系统组成。洞体由安装模型的试验段以及保证流动状态、减少能量损耗的其他部段组成。驱动机构是风洞运行的核心部件，主要用来驱动洞体内的气流运动。测量控制系统则是通过预先安装在洞体中的各种传感器，获取气流的压力、温度和模型的气动力等特征参数。

风洞种类繁多，且用途广泛。根据试验气流的速度范围，可以分为低速风洞，跨声速风洞以及高速风洞等。按照运行时间分为连续式风洞、暂冲式风洞以及脉冲式风洞。通常来讲，低速风洞多为连续式风洞，跨声速风洞多为连续式或暂冲式风洞，高速风洞多为暂冲或脉冲式风洞。风洞试验段气流速度越高，驱动功率则越大，试验段口径越小，运行时间越短。

在风洞中可以开展各种各样的试验项目，在航空航天领域中，主要的常见风洞试验有测力试验、测压试验等。通过天平以及压力传感器获取飞行器所受的气动力、气动压力分布，将相关数据运用到飞行器的优化设计研制中。此外，还可以开展一系列流动显示试验。由于风洞中的气流无色且无味，要想直观地观察飞行器周边的流场，就必须用到流动显示技术。常见的流动显示技术有丝线法，烟线法，纹影等。测力以及测压试验技术属于定量测量技术，可以准确获取相关数值，而流动显示技术是定性分析技术，与之前提到的测力以及测压试验技术有所不同。

满足高性能飞行器研制的需求，始终是风洞建设、改造和风洞试验追求的目标和动力源泉。相信在21世纪，随着材料科学的进一步发展以及我国综合实力的不断增强，我国的风洞建造以及风洞试验技术必然会进一步发展和提高。（文／孟祥怡　图／孟祥怡）