飞机“长成”什么样子更省油？
如何设计噪声才更低？
飞机在高空遭遇结冰气象能否保持安全？
这些都需要风洞试验给出答案。
什么是风洞试验？
风洞试验简单来说，是根据运动的相对性原理，将飞机模型固定在地面，人为制造气流流过，模拟真实飞行时飞机周围的空气流动情况，以研究飞机与空气流动的相互作用，了解飞机的空气动力学特性。
追溯
咻~
风洞试验历史悠久，
早在1871年，
英国人温汉姆建造了世界上第一个风洞。
30年后，莱特兄弟运用风洞技术研究
和改进了自己设计的飞机，
为之后进行的人类历史上
第一次带动力飞行奠定了基础。
中国建造风洞的历史可以追溯到1936年。
目前，中国已经拥有了亚洲最大的风洞群，
国内最具规模的风洞试验基地是位于
绵阳的中国空气动力研究与发展中心。
C919大型客机的许多风洞试验在这里开展。
风洞的分类
马赫数是风洞试验必须模拟的相似参数，风洞通常按照来流马赫数进行分类。
● 低速风洞（Ma＜0.4）：
主要用于开展飞机起飞/着陆，低速飞行器、建筑、车辆、桥梁等空气动力试验研究。
● 高速风洞（ 0.4≤Ma＜5 ）：
高速风洞又可细分为跨声速风洞（0.4≤Ma＜1.4）和超声速风洞（1.4≤Ma＜5），主要用于各种航空飞行器空气动力试验研究。
● 超高速风洞（Ma≥5）：
主要用于开展各种航天飞行器空气动力试验研究。
风洞按照驱动方式还可分为连续式和暂冲式。
● 连续式风洞：
由风扇压缩机系统驱动气流在风洞回路中运动。优点是运行时间长，运行成本较低；缺点是技术较为复杂，建设成本较高。
● 暂冲式风洞：
由预先压缩的高中压气源驱动或真空罐抽吸形成流动。其优点是建设技术相对简单，建设成本低；缺点是：运行时间短，运行成本高。
马赫数（Ma）
马赫数=飞行速度/声速，用于表征飞行器的飞行速度，反映飞行器飞行时周围空气的压缩程度。
雷诺数（Re）
雷诺数=惯性力/粘性力，用于表征飞行器飞行时受到的粘性力，反映气流对飞行器表面的粘性阻滞作用。
为什么要做风洞试验？
风洞试验作为飞机气动设计的重要手段，其最广为人知的作用就是飞机的气动布局设计。C919大型客机气动布局设计实现综合减阻5%的目标，风洞试验实在功不可没。
C919的气动布局是“常规布局”，但要实现这个“常规布局”也不是简单的事儿。“差之毫厘，谬以千里”这句古话用在飞机气动布局设计上再合适不过。拿飞机气动设计的核心——机翼设计来说，机翼剖面哪怕差个几毫米，对于飞机整个气动性能都有巨大影响，发动机吊在机翼的不同位置也颇多讲究。
飞机的气动外形不存在“照葫芦画瓢”，每个型号都有独特的气动外形，飞机的主制造商对飞机的气动外形拥有完全自主知识产权。它是设计师根据飞机的顶层性能指标，采用CFD方法设计、修型、优化得到。
那这个在电脑里采用CFD方法模拟计算得出的气动外形是否符合设计要求？
这就要依靠风洞试验进行验证！
风洞试验难点——仿真性！
风洞试验并不像看起来那样简单，它必须解决一切试验共同的难题：仿真性。
飞机在不同飞行阶段，遭遇各种气候条件，只要有试验需求，就要能够在风洞里面模拟出来相应的空气流动情况。
要控制空气这个看不见摸不着的东西，难度着实不小。飞机飞行时，空气可是没有边界的，那在风洞这个有边界的地方，如何模拟没有边界的气流？飞机飞在空中是腾空而起，在风洞中却是支在一个架子上，气流受支架影响，其周边的气流会不会发生改变？
事实上，中国1936年建造的第一个风洞，在战争时被日军炸毁了，随后建造的风洞依然难逃厄运，为的就是遏制中国空气动力研究，而空气动力研究正是航空航天发展的基础，风洞试验的难度和重要性由此可见一斑。
好在中国风洞起步晚，步子却不小。目前，中国已经拥有了亚洲最大的风洞群，具备开展低速试验、高速试验、噪声试验、结冰试验等一系列试验的能力，其中有许多试验水平已经达到国际先进水平，基本消除了上面提到的边界影响、支架影响等。
当然，“基本消除”并不代表“完全消除”。风洞试验测取的数据并不能完全代表真实情况，需要进行一系列的数据修正，才能获得压力分布这些后续设计必需的分析数据。而这是真正考验飞机设计师水平的地方。
因此，C919飞机还开展了高雷诺数风洞试验、动力影响试验、气动弹性风洞试验等一系列用于数据修正的风洞试验，建立起一套从“风洞数据”到“真实数据”的修正模型，保证了试验数据的有效性。
（图 / 网络）
不止于气动外形设计，
飞机还要开展结冰试验、噪声试验、抖振试验等特殊风洞试验。
结冰风洞试验
飞机结冰一直是飞行安全的大敌，在飞机失事案例中占很大比例。以往，我们国家的飞机都要到国外去开展结冰风洞试验，2013年，我国终于建成了自己的结冰风洞，成为世界上第三个可以开展民机全研制过程结冰风洞试验的国家。
通过结冰风洞试验，设计师们可以获得在不同气象条件下飞机的结冰位置和结冰冰型等，从而确定结冰容限及必须防除冰的表面，为飞机防除冰提供安全设计的依据。
▲ 3米x2米结冰风洞开展飞机平尾部件结冰试验 （摄 / 秦三春）
噪声风洞试验
噪声水平是民机的重要技术指标，关系到飞机的舒适性和环保性。
为了摸清C919飞机噪声水平，开展了多项风洞试验。通过在风洞中屏蔽背景反射噪声，在远场区布置麦克风阵列，测量飞机的主要噪声源和噪声水平。
▲ 5.5米x4米航空声学风洞开展C919全机模型气动噪声测量试验。(摄 / 黄奔)
静气动弹性风洞试验
一般风洞试验使用的是金属材质，属于准刚性模型，但是飞机其实是弹性体，这就要通过气动弹性风洞试验对常规试验数据进行修正，以获得更为准确的飞机气动特性。
风洞被称为“航空航天飞行器的摇篮”，被世界各国视为重要的战略资源。从第一架飞机约20个小时的风洞试验，到现在一般飞机型号所需的上万小时风洞试验，风洞试验技术一直伴随着飞机研制技术的发展而不断提高，重要性也愈加凸显。
听说科研人员已经开始研究磁悬浮技术在风洞中的应用，进一步减小支架影响，提高试验的仿真性，这对于我们飞机设计师来说，的确是个好消息。
内容来源｜微信@翱翔、中国军网
图片来源｜新华网、微信 @装备科技、网络
编辑｜李琰
校对｜孙力
出品｜中国商飞新闻中心
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