风洞实验的基本原理风洞飞行设备原理 _生活百科

你知道吗？中国之所以能成为世界闻名的航空强国、基础设施强国、军事强国，都得益于一项尖端技术，那就是风洞！大家好，我是爱真实的大东！2020年12月，印度国防研究组织公布了一种新型高超音速风洞设施。虽然这只是印度首次实现高端风洞从无到有的突破，但还是开启了“仅次于美俄的世界第三风洞技术”的遐想。然而，印度不知道的是，中国的风洞已经发展了几十年，而他们却在吹嘘，我们的JF-12激波风洞吓坏了老美国人！那个风洞到底是什么？为什么世界上所有的大国都争相研究？为什么中国的“JF-12”激波风洞能引起美国的注意？查阅大量资料后，今天大东将为大家系统的科普介绍风洞技术。

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风洞是什么？顾名思义，风洞就是一个能吹风的洞！其原理并不复杂，即利用风机、压缩机、高压气罐等设备，在试验管道中模拟类似自然状态的气流。然后观察记录这些气流对物体的作用和物理现象，从而获得实验数据。简单来说就是管道和人工气流形成一个台风洞！但简单的原理并不意味着简单的制造，火箭和航母的制造原理也很简单，但全世界能制造出来的国家很少。因为无论什么装备追求完美，它的标准都会迅速上升，难度自然也会上升。高端风洞是如此复杂的设备。
一般来说，低速风洞可以通过使用风扇或涡轮机来模拟和控制自然气流。但是高端风洞对气流的要求极其严格，所以风扇和涡轮不足以制造，必须使用空气压缩装置来喷射气流，这样物体才能在自然环境中高速运动。然而，我们知道，当物体高速运动时，与空气的摩擦也会产生高温。因此，高端风洞不仅要控制气流速度，还要控制温度。最高端高超音速风洞的环境温度甚至可以达到2500 ，这对风洞压气机和喷管的材料提出了极其严格的要求。必须使用耐高压、耐高温的无缝合金钢来承受这种极其恶劣的工作环境。同时，为了观察实验数据和控制气流状态，风洞系统应采用最先进的气动模拟软件来记录整个试验。风洞内部要安装大量设备，这也需要成熟的深孔加工技术；各种记录测试数据的毫秒级高速相机和超高灵敏度传感器对电子技术的要求也很高，而这些军用传感器往往是禁止出口的机密设备。这种专用设备世界上永远买不到，只能自己设计生产。这样，要想建造一个高端的大型风洞，不仅需要前期的理论计算，还需要一个完整的工业体系来支撑。只有这样才能保证不卡脖子，其施工难度不言而喻。

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风洞建设高难度高成本当然，如果是这样的话，一些国家建造大型风洞也不是不可能。但问题是，如果我们想发展风洞技术，建造一两个高端风洞并不是很有用。风洞实验的最终目的是数据，为了获得足够完整的风洞实验数据，需要有一个相对完整的风洞系统，换句话说，就是要有各种类型的风洞。从最低亚音速风洞，到跨音速风洞、超音速风洞再到最高高超音速风洞，还有加热风洞、结冰风洞等特殊环境风洞。这么庞大的风洞群的建设和投资，不是一般国家能承担的。就连财大气粗的欧盟也是由很多国家准备的，最后才拼凑出一个完整的风洞系统。
除了风洞建造难度大外，大型风洞的运营成本也极高。以美国NASA艾姆斯研究中心的巨型低速风洞为例。他的电机总功率高达10万千瓦，每平方米所需功率140千瓦，是一块不折不扣的土地。更高的跨音速风洞每平方米需要4000千瓦，超音速风洞每平方米需要16000千瓦-40000千瓦！一旦开始实验，它所需要的电量基本相当于一个中型电站所产生的电量。真的达到了“风洞响，黄金两千” 。同时，由于大型风洞电机的启动电流很大，需要专门的变电站和两条以上的专用线供电。因此，许多大型风洞专门配备了发电站和水库，以确保其后期运行。
另外，正如我们刚才提到的，风洞实验的最终目标是数据。但是数据不是一个实验就能得到的。事实上， 90%以上的风洞试验工作很可能是徒劳的，真正有用的数据可能不到10% ，这就是
让风洞实验室运营成本再次直线上升。如此高昂的运营成本，自然将世界上大多数国家拒之门外。

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风洞的重要性！那既然风洞的建设难度和运行成本都如此困难，为何世界各国还要趋之若鹜的进行研究呢？原因很简单，那就是风洞是世界大国必备的技术体系。风洞被誉为飞行器的摇篮，事实上，风洞发明之初就是用来实验飞机飞行的。即使到了现在，所有涉及到上天的飞行器，也都要先进行风洞实验，从飞机到飞船无一例外。我国的长征系列火箭就是其中的代表，因为涉及到大气层等高空气流环境，再加上极快的飞行速度，如此严苛的环境，只能利用大型风洞来进行飞行实验。除此之外，汽车和高铁也是风洞实验室的常客，为了让汽车高铁等交通工具更快、更安全，需要对进行外形大量的数值模拟实验，而实验的场景就是依靠风洞。其中最有代表的就是我国“长客400型”高速列车。在风洞实验的优化之下，外形气动减阻了1% ，别小看这1% ，就是这项技术让全国高铁每年节约了近3亿度电。还有我国的各种超级建筑，像奥运火炬塔、鸟巢、上海东方明珠、广州小蛮腰、港珠澳跨海大桥等人们耳熟能详的地标性建筑，也都要要经过风洞的“洗礼” 。毫不夸张的说，我国之所以能够成为如今的航天大国、基建大国、高铁大国，风洞技术功不可没。
但风洞的作用远不止这些，风洞最重要的用途其实是国防军事领域。刚刚我们说到，风洞是飞行器的摇篮，同样他也是战机的摇篮，风洞的水准直接决定了战机的先进程度，在军事领域内甚至有着“一代风洞，一代战机”的说法。而事实也确实是这样，放眼世界，被风洞限制航天航空发展的国家比比皆是。印度的"光辉"战机因为缺乏合格的风洞，其研究计划停滞了30多年，直到现在仍然一身毛病难堪重任；欧洲各国因为没有合格的超音速风洞，在5代机的研制上迟迟没有动作，逐渐掉落第一梯队；日本的高超音速导弹计划也因为没有高超音速风洞而只能停留在计划层面。风洞在军事国防领域的重要地位可见一斑。反观我国，之所以在新型战机、洲际导弹方面一骑绝尘，正是因为我们有着领先世界的风洞体系。

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我国的风洞技术起源早在上世纪五十年代，中国导弹之父钱学森和空气动力学家郭永怀就倡导在国内展开高速、超高速空气动力学的相关研究。也正是这一倡议，让中国在高超音速武器的研究上迅速领先。要知道美国在上世纪80年代才开始研发高超音速打击武器，提出“高速飞行器技术整合”、“空射快速响应武器”等计划！也就是是在钱学森、郭永怀两位科学巨匠的极力推动下，中国风洞技术迅速发展。1965年我国在四川组建了中国首个高速空气动力研究机构， 1968年又在此基础上组建了中国空气动力研究与发展中心，下设计算空气动力学、低速空气动力学、高速空气动力学、超高速空气动力学、设备设计与测试技术五大中心研究所。这也为我国的风洞体系打下了良好基础，之后40多年来，中国空气动力研究与发展中心又接连建造了数十座高质量风洞。现如今在中国的西南大山之中，已经建设出了亚州最大风洞群，拥有从亚音速到高超音速等各品类风洞，其体系完善程度世界领先。其中的JF12激波风洞更是目前国际上最为先进的高超声速风洞，让世界各国为之胆寒。
JF12激波风洞被国际同行亲切称作“Hyper-Dragon”（超级巨龙）。265米的长度，居世界激波风洞长度之首。JF12激波风洞里的“风” ，速度最高可达9马赫。要知道民用飞机的飞行速度最高也只有0.8马赫， 9马赫的速度意味着从北京到纽约的时间将由现在的14小时缩短到2小时。当然这距离美国最为先进的LENS-X风洞还有差距，他的最高气流速度可超过25马赫。但是美国LENS-X风洞有效测试时长只有30毫秒，这也是大多数西方国家风洞的最长有效测试时长。可中国的JF-12激波风洞，在中国独创的反向爆轰驱动方法的加持下，使得最高测试有效时长能达到100毫秒，这个成绩可是比美国LENS-X风洞的三倍还要高。而这也让中国的JF12激波风洞在实用性上要远高于美国。另外， JF12激波风洞还搭载了中国首款具有自主知识产权的“高超声速空气动力学数值模拟软件平台” 。让这条超级巨龙焕发生机，成为真正的国之重器。

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【风洞实验的基本原理风洞飞行设备原理】当然中国能在风洞领域取得这样的成绩，也并非一件易事，这背后所依靠的是我国完整的工业体系，庞大的资金支持以及无数科研人员的不懈奋斗。在此和大东一起为他们点个赞。当然现在，我们也不妨对未来期待一下，毕竟风洞技术我们已经来到了世界前沿，那包括战机在内的各种新型飞行器和装备领先世界还会远吗？我是大东，一个硬核爱较真的科普作者，如果喜欢我的内容，不要忘了点赞加关注，我们下期不见不散！

风洞实验的基本原理 风洞飞行设备原理

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