【科普】 风洞究竟是什么？

日前，媒体报道，我国将建成国际最大、整体性能最先进的激波风洞JF22，构成能够覆盖全部高超声速飞行走廊的、具有国际领先水平的地面气动实验平台。“风洞”这一科技术语，成为大众口中的又一热词。提到风洞，可能大家比较陌生。

这可不是黑洞、虫洞一类的东西

那么，什么是风洞？它的具体用途和种类是什么，尤其是在国防军事领域担当了哪些角色？

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风洞是什么

风洞（wind tunnel），即风洞实验室，是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况，并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备。

在当今的科学研究和工程实践中，风洞是开展物体空气动力试验、进行理论验证及和产品设计研发必备的最有效的设备之一。

▲加拿大国家研究理事会的风洞

风洞主要分洞体、驱动系统和测控系统三大部分。洞体前部是形成定向和均匀气流的稳定段以及对气流起加速作用的收缩管（喷管），中部为对物体开展观察和测量工作的实验段，后部是可降低气流速度、减少风能损失的扩压段以及向外排出气流的排流段（如果是节能和抗扰性好的闭环封闭型风洞，则应为将气流导回风洞入口的回流段）。

▲英国范堡罗风洞前端的风机

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风洞的用途

▲法拉利车企的风洞

风洞尽管诞生于飞机等航空飞行器的发展早期，其进步也始终与航空和航天紧密相关，但随着科技的发展驱动和需求牵引，如今它却在很多其他领域都有着重要应用。从飞机到飞船，从火箭到导弹，从汽车到高铁，从大桥到高楼，从体育到军事……风洞实验无处不在，与我们的生活息息相关。

日常生活中见到或用到的一些物体，比如城市中直冲云端的摩天大楼、运动会场馆上高耸的火炬塔、空旷原野或山坡上直立的风能发电用扇叶、公路上跨度大而高的立交桥或跨海大桥和大长度斜拉索桥，还有运送人员货物的汽车、船舶、飞机、高速列车等，它们在建造或制造过程中大都要经历风洞试验，以了解风阻的大小、气流的扰动、流场的形状、姿态的受力、升力的变化等各种气动和运动情况以及声场分布情况，为它们的结构和外形设计以及降噪消噪和性能改进采集数据、确定方案。

▲从上到下依次为：飞机风洞实验；建筑群风洞实验；摩托车风洞试验；桥梁风洞试验

▲滑雪运动风洞实验

▲跳伞运动风洞试验

风洞在国防和军事领域就更为重要，它除了用于士兵特种训练（如跳伞、滑翔、翼装飞行等），开发、设计和改进特战装备（如伞具、滑翔器具、单兵飞行器具等）外，还是很多武器装备研究和试验的核心设备之一。

由于战斗机、航天器、舰艇、火箭、导弹等尖端武器，要求运动速度更快、机动能力更好、静音水平更高、生存能力更强，它们所面临的气动环境要复杂严酷得多，必须利用风洞模拟各种气流和风力来进行试验，观察气动现象和运动特性及噪声来源等情况。

风洞被喻为“飞行器的摇篮”，一度流传着“有什么样的风洞，才能有什么样的飞机、飞船、火箭、导弹”的说法。飞机、导弹、火箭等飞行器在首飞之前，需要进行成千上万次风洞实验。风洞提供不同流速、不同密度、不同温度等飞行环境，模拟飞行器的真实飞行状态，确定飞行器的气动布局并评估其气动性能。

据报道，20世纪50年代美国B-52型轰炸机的研制，曾进行了约10000小时的风洞实验；80年代第一架航天飞机的研制，则进行了约100000小时的风洞实验。

▲美国X-48B飞行器在做风洞试验

▲美国雷神公司增程式AIM-120中距空空导弹的风洞试验

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风洞的类型

风洞种类繁多，按照不同气流流向、气流速度、实验时间、功能用途、形体尺寸等因素，可以分成不同类型。不同类型的风洞，可满足不同领域和不同物体的空气动力学试验需求。

根据实验段的气流速度（马赫数，Ma）范围划分风洞：Ma<0.3的风洞称为低速风洞；当0.3<Ma<0.8范围内的风洞称为亚音速风洞；0.8<M<1.2范围内的风洞称为跨音速风洞；1.2<M<5范围内的风洞称为超音速风洞；Ma>5的风洞称为高超音速风洞。

马赫数在0.3至5之间的风洞，主要适用于枪弹、炮弹、巡航导弹、近程弹道导弹以及高速航空飞行器等；马赫数大于5的高超声速风洞，则可以应对各种运载火箭、航天飞行器、空天飞机、高超声速飞行器、高超声速武器、中远程弹道导弹等。

▲美国NASA艾姆斯风洞

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风洞的重要性

风洞并非人们想象中的只要依靠风机风扇就行的低科技含量设备，而是一种“高大上”的复杂的系统集成项目，其设计和建设要涉及众多学科、跨越很多专业。

据统计，风洞涵盖了包括气动力学、结构力学、材料学、计算机、控制学、声学等20多个学科或专业领域，需要综合动力、电力、机电、控制、测量、模型制作等多种先进技术，配置传感、观察、摄像、测量、记录、消音、加热等多项附属设备，需要巨额预算提供支撑。一般来说，风洞产生的风速越高，造价、技术难度等也越高。

所以说，风洞体现了一个国家综合国力的强弱，反映了一个国家科技和工业发展及国民经济的现状，代表了一个国家空气动力学的试验水平，往往被作为国家的重要战略资源。

中国早已迈入了风洞强国之列，四川绵阳中国空气动力研究与发展中心拥有包括低速、高速和高超声速以及多声速、跨声速、激波等全球门类最为齐全的风洞群就是明证。

中国技术先进的风洞，有力地支撑了基建、造船、航空、航天、国防军事等领域的发展和壮大。近年来，为中国“吹出”了多种最新战机和先进导弹。