風洞測試到底測了啥？
原標題：風洞測試到底測了啥？
從速滑選手到航天器，工程師們通過風洞測試來設計最佳的空氣動力學和性能。
風洞測試可能是利用新技術的方法，但測試氣流的概念已經(jīng)有幾百年的歷史了。
幾個世紀以來，發(fā)明家們一直在努力復制空氣是如何在飛機、交通工具和其他物體上移動的。但在過去的100年里，技術的進步使得復雜的風洞測試成為了現(xiàn)實可行的方法，測試對象包括汽車、風力渦輪機，甚至服裝等各種產(chǎn)品的設計師和制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品。
Boom公司即將在其超音速客機Overture上進行的風洞測試的預期中，本文將介紹航空工程師如何重新創(chuàng)建風的力量，以優(yōu)化空氣動力學和性能的多種設計。
什么是風洞?
風洞是一種有空氣通過的結構——通常以管道的形式，通過電動風扇(或其他具有相同效果的機構)使空氣流動。所用風洞的類型和大小取決于所測試物體的大小，以及所需的氣流流動條件。
有許多不同類型的風洞，以測試飛行器為例，它們通常根據(jù)飛行器的飛行速度來分類：亞音速、跨音速(0.8到1.2馬赫之間)或超音速。
風洞通常被用來測試飛機、汽車、宇宙飛船，以及幾乎所有與周圍空氣流動有關的工程應用，甚至高爾夫球。
一些風洞甚至可以容納全尺寸模型，但出于實用性和成本考慮，大多數(shù)風洞都是為了適應小型化模型而建造的。美國有世界上最大的風洞，位于加州的NASA艾姆斯研究中心。該設施包括一個40x80英尺(12x24.3米)的風洞電路(下圖)和一個80x120英尺(24x36.5米)的測試部分。它由6個直徑40英尺(12米)的風扇組成，包含15個大的木質(zhì)層壓葉片。每個風扇葉片長12英尺(3.6米)，重量超過800磅(362.8公斤)。
阿諾德工程開發(fā)綜合公司的工作人員將NASA/陸軍傾轉(zhuǎn)旋翼試驗裝置放入加州莫菲特試驗場40 x 80英尺的風洞中。(圖片來源:美國空軍)
能在風洞中測試什么?
風洞能被用來測試幾乎所有在空氣中移動的東西，從降落傘、拖拉機拖車到航天器、導彈和無人機等。工程師還利用風洞去進行優(yōu)化，如對浮動風力渦輪機和艦載直升機操作進行優(yōu)化(幫助優(yōu)化旋翼葉片的設計和海風條件下的操作)。
風洞的測試對象不限于車輛和物體。體育專業(yè)人士和教練使用風洞來測試運動員的空氣阻力。由于運動員在運動過程中不斷改變身體姿勢，工程師們會測量他們主要的運動特定位置的空氣動力阻力。
在1974年的美國空軍/NASA聯(lián)合計劃下，X-24B升降體模型正在準備進行風洞測試。測試的目的是生成數(shù)據(jù)，以便與在加利福尼亞州愛德華茲空軍基地獲得的飛行數(shù)據(jù)進行比較。(圖片來源:美國國家檔案館)
第一個風洞是什么?
從18世紀中期開始，發(fā)明家們試圖更好地理解空氣是如何在物體表面上移動的，并獲得對升力和阻力的理解?！靶邸钡某霈F(xiàn)推進了研究，但也有其局限性。一些發(fā)明家求助于大自然，在持續(xù)大風的地方測試飛機，但很快意識到，在海灘或山腰上不可能重現(xiàn)一致的飛行條件。
第一個設計風洞的人是英國工程師弗蘭克·溫漢姆，他意識到，讓物體靜止不動，然后吹過它，他就能更多地了解它的空氣動力學性能。根據(jù)他的設計，第一個風洞于1871年投入使用。
風洞是如何工作的?
風洞產(chǎn)生連續(xù)的氣流，通常使用電動風扇。被測對象不會移動?？諝鈬@著靜止的被測對象運動，創(chuàng)造出與現(xiàn)實生活中預期盡可能接近或相同的相對空氣運動。同時，通過精確的載荷測量裝置，可以測量作用在物體上的空氣阻力、升力等氣動力。物體周圍的氣流流動特征也可以通過一些技術來可視化，比如在測試物體上噴煙和油流，這意味著“制造看不見的空氣”。
有史以來，一些最強大的電動機是在風洞中建造的，你會在風洞推進設施中找到它們。在田納西州的阿諾德空軍基地的阿諾德工程發(fā)展中心，它是三個風洞的家：16英尺(4.8米)跨音速風洞(16T)， 16英尺(4.8米)超音速風洞(16S)，以及4英尺(1.2米)跨音速風洞(4T)。該設施有兩層樓那么高，像火車頭那么重。
在田納西州阿諾德空軍基地的阿諾德工程發(fā)展中心16英尺的超音速風洞測試設施中，技術人員站在轉(zhuǎn)向的葉片上。攝影師菲爾·塔弗在1960年拍攝了這張標志性的照片。(攝影:Phil Tarver)圖片來源:美國空軍)
風洞試驗的目的是什么?
風洞測試有助于發(fā)明者和制造商更好地了解車輛或被測對象上方和周圍空氣流動的性質(zhì)，以及空氣對物體造成的影響，特別是空氣動力。航空航天工程師利用這些測試來測量飛機的升力和阻力特性，以及穩(wěn)定性。測試結果可以產(chǎn)生更符合空氣動力學和燃油效率的飛機設計。
在計算機輔助設計出現(xiàn)之前，改進設計需要建立連續(xù)的風洞模型，這給飛機項目增加了成本和時間延誤。隨著計算流體動力學(CFD)工具的出現(xiàn)，工程師們能夠加速這一過程，并在虛擬環(huán)境中測試數(shù)百種(如果不是數(shù)千種的話)設計。因此，只有最有前途的設計配置才能進行物理風洞測試，從而大大降低了開發(fā)成本。
大約在1977年，一名ARO公司的工程師在田納西州阿諾德空軍基地的阿諾德工程發(fā)展中心的四英尺跨音速風洞測試中對F-111飛機模型進行炸彈架調(diào)整。(圖片來源:美國國家檔案館)
工程師能從風洞試驗中學到什么?
風洞試驗驗證了工程師的計算結果，并確定了設計中需要改進的地方。以飛機為例，這些測試幫助工程師改善空氣動力學性能——減少阻力和增加升力——同時確保飛機的穩(wěn)定性和可控性。當飛機有更好的空氣動力學性能時，它們就會更省油，因為它們在空中飛行時需要的動力更少。
聲學工程師也使用風洞嗎?
聲學工程師利用風洞來測量車輛在空氣中移動時產(chǎn)生的聲音。測試結果幫助他們驗證預測，改進設計，最終制造出更安靜的車輛、飛機等，為乘客提供更好的體驗。
NASA艾姆斯研究中心的鳥瞰圖，東南方向是風洞設施。照片拍攝約在1983年。(圖片來源:美國國家檔案館)
Boom公司在2021年底開始對Overture進行風洞測試。在多輪測試中，工程團隊在歐洲和美國的五個風洞中測試“Overture”模型，測試范圍從低速機身聲學到高速空氣動力學。該團隊于2017年完成了XB-1超音速樣機的風洞測試，并將這一經(jīng)驗推廣到Overture系列測試中。
這張拍攝于20世紀60年代的幕后照片展示了一架YF-12飛機模型在劉易斯菲爾德的約翰H格倫研究中心一個10x10英尺的風洞中測試。YF-12“黑鳥”是洛克希德A-12偵察機的一個實驗性的戰(zhàn)斗攔截機版本。它是SR-71黑鳥的前身。(圖片來源:美國國家檔案館)
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