按照风速的不同,风洞一般分为低速风洞(马赫数小于0.4)、跨音速风洞(马赫数0.4-1.4)、超音速风洞(马赫数1.4-4.5)、高超音速风洞四类(马赫数高于4.5)。就低速风洞而言,试验段的宽度、高度大于等于6米的属于大型风洞。对于跨音速、超音速风洞而言,试验段宽度、高度大于等于1.2米就可以算是大型风洞了。
由于大型风洞的试验段足够宽敞,大尺寸模型所受的洞壁干扰很小甚至可以忽略,提高了被测参数的精度,其试验效果和综合效益是中小尺寸风洞望尘莫及的。因此,航空大国们都不吝于投入巨资建设大型风洞:1934年美国首先建成了世界上第一个可进行整机全尺寸吹风的大型风洞,即NACA艾姆斯中心的24米*12米风洞。到了1939年,苏联打破山姆的纪录,建成了当时世界最大的T101低速风洞,试验段尺寸为24米*14米,并长期保持这一纪录。当时的苏联无论航空科技基础还是工业力量其实都不如美、德两国,却能在二战前就建成如此规模的风洞,体现出当年以慈父同志为首的苏共领导层充分认识到航空科技对于国家安全的战略意义,其魄力令人叹服。美国于冷战中进一步扩充风洞实验能力,终于在1982年建成36米*24米风洞,从苏联手中夺回了桂冠。可以说,美苏之所以能在冷战期间成为主宰天空的两大霸主,这些大型风洞立下了汗马功劳。
但是大型风洞实在是太花钱了。仅举几个风洞的建设费用为例:
前述美国NASA艾姆斯研究中心的36米*24米低速风洞,2.22亿美元。
加拿大国家航空研究院9米*9米低速风洞,2000万美元。
法国国家航空航天研究院4.5米*3.5米低速风洞,5870万美元。
荷兰、德国合作DNW9.5米*9.5米低速风洞,6300万美元。
所以,如果在航空领域没有足够的雄心壮志,没有几个国家敢于斥巨资建设这样的大型风洞。
建设成本已经如此昂贵,运行成本同样居高不下。艾姆斯巨型低速风洞的电机总功率为10万千瓦,换算可得每平方米所需功率为140千瓦。而更高的跨音速风洞每平方米所需功率则达到4000千瓦,超音速风洞每平方米所需功率进一步增加到16000千瓦-40000千瓦!所以风洞试验速度越高,试验段面积就越小。
中国的风洞建设始于1930年代,1934年清华大学航空工程系自行设计了中国第一个中型低速风洞,试验段直径1.5米,1936年建成后不久抗战全面爆发,北平沦陷,风洞被毁。此后又在南昌筹建4.57米*4.57米低速风洞,1937年基本建成,1938年南昌沦陷,再度被毁。之后只建设了3座1.5米*2米以下的低速风洞,再无发展。无论现在的某些文章电影是如何唯美地描画那个想象中的年代,醉心流连于某几位擅长耍笔杆大师泰斗的格调情怀,但归根结底,一个积贫积弱的民国是孕育不出现代科技的。直至1949年10月1日,偌大的中国仍没有一座可供科研生产用的大中型风洞。新中国的建设者们就是在这样的基础上开始了风洞建设。从50年代开始建设中型低速风洞,当60年代这批风洞相继建成的时候又开始设计论证大型风洞,从70年代终于开始了中国大型风洞的建设之路,其间谈不上诗情,更没什么画意,惟有艰辛与困苦,血泪与牺牲。40年来,中国空气动力研究者们用自己的双手建起了规模位列世界第三的风洞群,为中国航空航空事业的发展提供了强有力的支撑。
其中,中国空气动力研究与发展中心的FL-13风洞是我国也是亚洲目前最大的风洞。此风洞从60年代后期开始设计,始建于1971年3月,1978年5月建成并运行(8米*6米试验段),在建设过程中,设计人员赵修山病故,另一位设计师胡庆国为保护风洞被特大山洪吞没。1983年12月通过国家鉴定,1998年12月完成扩建(12米*16米试验段)。这是一座开路式、闭口串行双试验段大型低速风洞,其中,第1试验段尺寸长25.0 米,宽12.0 米,高16.0 米,有效截面积为189.1平方米,常用风速范围为5.0~21.0 米/秒;第2试验段尺寸长15.0 米,宽8.0 米,高6.0 米,有效截面积为47.4 平方米,常用风速范围为15.0~85.0 米/秒。自建成以来,在航空航天、水中兵器和工业空气动力学等领域进行了大量实验研究工作。建成当年就投入了某通信卫星的地面风载试验,随后又开展了对海防导弹的全尺寸试验……至今仍在空气动力研究第一线担纲主力。
仅以此文致敬中国风洞发展过程中逝去和健在的人们。
閱讀更多 asiavikin 的文章