跨越一个半世纪的风洞

老陈

英国人发明，莱特兄弟完善

目前各国航空动力学的研究者仍然公认，世界上第一座密封式风洞是由英国科学家弗朗西斯·赫伯特·韦纳姆和约翰·布朗宁在1871年研制的。其中的韦纳姆是英国航空动力学的先驱人物，英国航空学会的创始人之一。

1871年，韦纳姆为英国航空学会设计出世界上第一个风洞，用来测量物体与空气相对运动时受到的阻力。当时这个风洞的结构非常简单，一个长3.05米两端开口的木箱，截面为45.7厘米×45.7厘米，木箱的一端安装有风扇向外吹风。

真正把风洞实用化的是发明飞机的莱特兄弟。莱特兄弟打造的“飞行者一号”实现了人类历史上第一次重于空气的航空器持续而且受控的动力飞行。而莱特兄弟的成功，很大程度上应该归功于他们把风洞技术应用到了飞机的设计中来。

他们造的风洞结构和韦纳姆的基本一致：一个木头管子，一头装上一组叶片进行吹风，试验的飞机模型放在管子中间。莱特兄弟的这个风洞截面40.6厘米×40.6厘米，长1.8米，能模拟40-56.3千米/小时的风速。

为确保飞行能够成功，莱特兄弟先后两次建造风洞，第一次是在1900年，当时风洞的气流速度为每小時50千米左右，第二年为了能更好地测试飞机的性能，又建造了一个风速为12米每秒的风洞。正是因为有前期大量试验的结果做铺垫，才使得莱特兄弟以非常小的代价重复了上千次试验，最终获得了理想的机翼设计。1903年 “飞行者一号”试飞成功，世界上的第一架飞机也就诞生了。

不断演进的风洞

在莱特兄弟以后，更多的人开始投身于风洞的设计，如1901年俄国的儒科夫斯基，l902-1903年美国的阿 ·伊 ·撒姆，1903年英国的托马斯·斯陶顿爵士，1906年俄国的列波琴斯基，1907年德国的普朗特，1914年法国的艾菲尔等等，这些后来者的风洞实验段尺寸都比菜特兄弟的大得多。

1931年5月27日，全球首个全尺寸风洞在美国弗吉尼亚州汉普顿附近的兰利研究中心投入使用。这个风洞提供了一个19.28米×9.144米的实验空间，被用于从二战战斗机、太空舱到潜水艇、现代喷气机的各种空气动力学测试。

风洞的发展，后来呈现出两个主要的方向，一个是通过风洞尺寸增加来提供更大的实验空间，另一个就是提高风速。

1932年，瑞士科学家阿克雷为了解决炮弹的气动力问题和超音速流动的规律，建造了一段试验段风速达到2马赫的连续式超音速风洞。

到上世纪50年代，喷气式飞机跨过了“音障”，进入低超音速发展时期。在此期间航空工业发达的国家为了满足研发飞机的需要，建造了一批跨音速和超音速风洞。

如1956年美国NASA艾姆斯研究中心建成世界上最大的超声速风洞，试验段截面尺寸4.88米×4.88米，马赫数Ma=0.8～4.0。

苏联1952年建成的T-106型风洞，为试验段直径2.48米的亚跨声速风洞；1953年建成的T-109型风洞，是一座试验段截面尺寸2. 25米×2.25米的暂冲式亚跨超声速风洞。

1957年英国RAE建成试验段截面直径2.5米的跨超声速风洞；1961年法国国家航空空间研究院的S2-MA型风洞为试验段截面尺寸1.94米×1.75米亚跨声速风洞。

中国风洞曾经世界最大

相对于世界范围的发展，我国的风洞最早出现于上世纪三十年代。

1936年4月，清华大学航空工程组自行研制成功国内第一个5英尺航空风洞，风洞采用回流式，最大直径为3米，试验段剖面为圆形，直径1.5米。该校王士倬等4人关于此风洞的论文被评为1936年中国工程师学会论文第一奖。

1936年11月，清华大学在南昌成立航空研究所，成为旧中国仅有的两个航空科研机构之一。

1937年，清华大学在南昌建造成4.5米回流式大风洞，圆形剖面试验段正常直径为4.57米，可以缩小一半，也可放大到6米，最大气流速度58米/秒。这个风洞是当时世界上最大的风洞之一，比美国加州理工学院的风洞要大50%，标志着中国航空工业发展的一个新阶段。

现在种类更多，作用更大

1980年，美国国家航空航天局NASA艾姆斯中心把一座旧的低速风洞改造成全美最大的全尺寸低速风洞，形成了24.4米×12.2米的实验空间。这个风洞建成后又增加了一个36.6米× 24.4米的新试验段，风扇电机功率也由原来25兆瓦提高到100兆瓦。

这种大型风洞，可以为真实飞机和全尺寸的缩比模型提供流场条件，研究飞行器各部件的气动力等。因此可以说，也正是因为它的超强风洞，从而帮助美国不断生产优秀的飞机。

尽管风洞为美国先进战斗机的发展做出了巨大贡献，但风洞的制造、重建和维护的运营成本也相当惊人。根据最初的估计，重建风洞的费用是建造同等规模风洞的10倍。另一方面，如果风洞中的6台风机全部运行，发电量将相当于一个人口超过20万的小城市的总用电量！

现在，风洞的种类变得更多了，包括低速风洞、高速风洞、超声速风洞、激波风洞等等。相对于最初风洞被设计出来是为了测试飞机的空气动力学特性，如今的风洞作用更加巨大。

目前各种飞行器的测试，包括客机、战斗机、运输机、轰炸机、直升机、宇宙飞船、导弹等，只要在天上飞的必需都要在风洞中进行测试。除此之外，汽车、快艇、高速列车、运动设备、头盔、大型建筑物（比如高层建筑、大桥等）等等都需要进行风洞测试。