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1.3 运动快慢的描述——速度相关素材2

应用运动相对性的杰作——风洞

如今“风洞”这个名词已为许多读者，乃至广大青少年所熟悉. 风洞，是指在一个管道内，用动力设备驱动一股速度可控的气流，用以对模型进行空气动力实验的一种设备. 最常见的是低速风洞. 位于四川绵阳的中国空气动力学研究和发展中心已建成具有世界水平的2.4m 跨声速风洞（风洞常以试验段尺度命名），这样大尺度的跨声速风洞，以前世界上只有美国和俄罗斯等少数国家才有. 风洞是发展航空航天事业的关键设备，研制任何飞机，包括军用飞机、民用飞机以及航天飞机，都必须首先在风洞中进行大量试验，试验飞机能不能飞起来，能飞多高多快和多远以及其他各项飞行性能等.2.4m 跨声速风洞的建成表明，我国已进入世界航空航天大国的行列.

（1）风洞——研制飞行器的先行官

决定一架飞机或其他飞行器的飞行性能，如速度、高度等，除飞机重力、发动机推力等要素外，最重要的因素是作用于飞机的空气动力. 空气动力主要决定于飞机的外形. 在设计和研制飞机时，首先是设计其外形，由此就可以确定作用于飞机的空气动力并推算飞行性能. 但是，这项工作只能做在最前，不能在飞机造出来以后才做. 确定飞机空气动力的实验设备主要是风洞. 人们把风洞和风洞试验叫做航空航天的先行官是恰如其分的.

风洞实验的基本原理是相对性原理和相似性原理. 根据相对性原理，飞机在静止空气中飞行所受到的空气动力，与飞机静止不动、空气以同样的速度反方向吹来，两者的作用是一样的. 但飞机迎风面积比较大，如机翼翼展小的几米、十几米，大的几十米（波音747是60m ），使迎风面积如此大的气流以相当于飞行的速度吹过来，其动力消耗将是惊人的. 根据相似性原理，可以将飞机做成几何相似的小尺度模型，气流速度在一定范围内也可以低于飞行速度，其试验结果可以推算出其实际飞行时作用于飞机上的空气动力.

飞行器（包括飞机、直升机、巡航导弹等）在风洞中的试验内容主要有测力试验（测量作用于模型的空气动力，如升力、阻力等，确定飞行性能）；测压试验（测量作用于模型表面压力的分布，确定飞机载荷和强度）；布局选型试验（模型各部件做成多套，可以更换组合，选择最佳的飞机布局和外形）等等. 随着飞行器性能的提高和改进，风洞试验所需要的时间不断增加.20世纪40年代，研制一架螺旋桨飞机，风洞试验时间是几百小时. 至20世纪70年代初，一架喷气式客机的风洞试验时间是4万～5万小时. 航天器（如洲际导弹、卫星、宇宙飞船等）大部分航行在大气层外，基本上与空气无关，但其发射和返回是在大气层中，仍然需要在风洞中进行试验. 如美国的航天飞机，在不同风洞中总共进行了10万小时的试验.

（2）风洞的发展

世界上公认的第一个风洞是英国人于1871年建成的. 美国的莱特兄弟于1901年制造了试验段0.56m 见方、风速12m/s的风洞，从而于1903年发明了世界上第一架实用的飞机. 风洞的大量出现是在20世纪中叶.

为了试验炮弹的气动力作用和研究超声速流动，瑞士阿克雷特于1932年建成了世界上第一座超声速风洞，试验段面积为0.4m ×0.4m ，马赫数（风速与声速之比）为2. 为适应跨超声速飞行器的发展，1956年美国建成世界上最大的跨超声速风洞，试验段面积488m ×4.88m ，马赫数为0.8～4.88，功率为1.61×105kW.1958年美国航天局建成试验段直径为0.56m ，马赫数可高达18～22的超高声速风洞.

为了提高风洞实验的雷诺数（描述空气等黏性流体流动状态的无量纲数），1980年美国将一座旧的低速风洞改造成为世界上最大的全尺寸风洞，它可以直接把原形飞机放进试验段中吹风，试验段面积为24.4m ×12.2m ，风速达150m/s，功率为1×105kW.1975年英国建成了一

座低速压力风洞，试验段面积为5m ×4.2m ，风速95～110m/s，压强达3atm ，功率为1.4×104kW ，试验雷诺数为8×106.20世纪80年代美国建成一座低温风洞，以氮气（氮气凝固点低，适于低温下工作）为工作介质，温度范围为340～78K ，压强可达9atm ，试验段面积为2.5m ×2.5m ，马赫数为0.2～1.2，雷诺数高达120×106.

我国的风洞建设发展迅速，1977年中国空气动力研究与发展中心建成亚洲最大的低速风洞，其串联双试验段面积为8m ×6m 和16m ×12m ，风速达100m/s，功率为7800kW.1999年又建成具有世界规模的跨声速风洞，试验段口径为2.4m ，马赫数为0.6～1.2.

（3）风洞应用扩大到一般工业部门

随着工业技术的发展，从20世纪60年代开始，风洞试验（主要是低速风洞）从航空航天领域扩大到一般工业部门. 各行各业的发展越来越需要空气动力学和风洞试验的参与，已经形成了新的学科：“工业空气动力学”和“风工程学”.

例如，当汽车速度达到180km/h时，空气阻力可占总阻力的1/3.对小汽车模型进行风洞试验，合理修改形状可使空气阻力减小75％. 对建筑物模型进行风载荷试验，从根本上改变了传统的设计方法和规范，大型建筑物如大桥、电视塔、大型水坝、高层建筑群等，已规定必须进行风洞试验. 这方面已有深刻教训，1940年美国的一座大型钢索吊桥——塔科马（Tacoma ）大桥，由于并不很大的风载荷，导致桥体发生强迫振动和共振，从而断塌，引起建筑学界强烈震惊.

对于大型工厂、矿山群，也要做成模型，在风洞中进行防止污染和扩散的试验. 为此，许多“大气边界层风洞”应运而生. 在这种风洞中，试验段的气流并不是均匀的，从风洞底板向上，速度逐渐增加，模拟地面“风”的运动情况（称为大气边界层），我国已建成了十几座这样的风洞.

（4）风洞试验模拟的不足及其修正