飛機是“吹出來的” ——風洞試驗史話
風洞是現代航空航天技術發展中無論如何都不能跨過去的一個坎。飛機在試飛之前必須要經過密集的風洞測試，才能確定其氣動性能，測量出飛機模型表麵的壓力、壓強和流場，這樣一來才能夠獲得飛機的各種數據，包括阻力、升力、加熱特性等等，使得後續飛機的研製工作事半功倍。風洞的作用如此重要，以至於有人說飛機是“吹出來的”。
風洞即風洞實驗室，是以人工的方式產生並且控製氣流，用來模擬飛行器或實體周圍氣體的流動情況，並可量度氣流對實體的作用效果以及觀察物理現象的一種管道狀實驗設備，它是進行空氣動力實驗最常用、最有效的工具之一。
風洞試驗簡單來說，是根據運動的相對性原理，將飛機模型固定在地麵，人為製造氣流流過，模擬真實飛行時飛機周圍的空氣流動情況，以研究飛機與空氣流動的相互作用，了解飛機的空氣動力學特性。
世界上公認的第一個風洞是英國人韋納姆於1869-1871年建成，並測量了物體與空氣相對運動時受到的阻力。它是一個兩端開口的木箱，截麵45.7厘米×45.7厘米，長3.05米。1900年，美國的萊特兄弟建造了一個風洞，截麵40.6厘米×40.6厘米，長1.8米，氣流速度40-56.3千米/小時。為他們成功地進行世界上第一次動力飛行奠定了基礎。1901年，萊特兄弟又建造了一個風速12米/秒的風洞，繼續為他們的飛機進行有關的實驗測試。
我國建造風洞的曆史可以追溯到1936年。當年建造的第一個風洞，在戰爭時被日軍炸毀了，隨後建造的風洞依然難逃厄運，為的就是遏製中國空氣動力研究，而空氣動力研究正是航空航天發展的基礎，風洞試驗的難度和重要性由此可見一斑。
好在中國風洞起步晚，步子卻不小。1968年錢學森、郭永懷倡議，在四川組建氣動中心。目前，中國空氣動力研究與發展中心已經成為我國規模最大、綜合實力最強的風洞試驗基地，是中國國家級空氣動力試驗、研究和開發中心，也是亞洲最大風洞群。包括低速、高速、超高速以及激波、電弧等風洞，具備開展低速試驗、高速試驗、噪聲試驗、結冰試驗等一係列試驗的能力。其中，用於解決飛機飛行降噪問題的航空聲學風洞，背景噪聲隻有75.6分貝，目前是國際最高水平。此外，還包括亞洲首座大型結冰風洞、首次在2.4米風洞建立了工程實用的虛擬飛行試驗平台、首次發現了漩渦破裂區域存在多螺旋結構等。
中國空氣動力研究與發展中心為我國武器裝備發展和國民經濟建設作出了重大貢獻。從“殲-10”“梟龍”戰機和“神舟”係列飛船，到磁懸浮、“和諧號”高速列車；從高達300多米的東方明珠塔，到橫跨30多公裏海麵的杭州灣跨海大橋，都在這裏進行過風洞試驗。2010年5月，發展中心啟動科研試驗新區建設。多種新型飛機在科研試驗新區首次實現了模型飛行試驗，上百萬組數據分類入庫，中心目前已全麵具備了風洞試驗、數值計算和模型飛行三大手段。我國C919大型客機的許多風洞試驗都是在這裏開展的。
風洞試驗並不像看起來那樣簡單，“仿真性”是解決一切試驗共同的難題。飛機在不同飛行階段，遭遇各種氣候條件，隻要有試驗需求，就要能夠在風洞裏麵模擬出來相應的空氣流動情況。要控製空氣這個看不見摸不著的東西，難度著實不小。飛機飛行時，空氣可是沒有邊界的，那在風洞這個有邊界的地方，如何模擬沒有邊界的氣流？飛機飛在空中是騰空而起，在風洞中卻是支在一個架子上，氣流受支架影響，其周邊的氣流會不會發生改變？這些問題的解決都必須靠風洞試驗的數據來說話。
說到風洞試驗，離不開空氣動力學上兩個非常重要的概念：一是馬赫數（Ma）。馬赫數是風洞試驗必須模擬的相似參數，風洞通常按照來流馬赫數進行分類。馬赫數馬赫數=飛行速度/聲速，用於表征飛行器的飛行速度，反映飛行器飛行時周圍空氣的壓縮程度。按照馬赫數的大小，風洞分為低速風洞（Ma＜0.4）：主要用於開展飛機起飛、著陸等空氣動力試驗研究。高速風洞（0.4≤Ma＜5）：高速風洞又可細分為跨聲速風洞（0.4≤Ma＜1.4）和超聲速風洞（1.4≤Ma＜5），主要用於各種航空飛行器空氣動力試驗研究。超高速風洞（Ma≥5）：主要用於開展各種航天飛行器空氣動力試驗研究。二是雷諾數（Re）。雷諾數=慣性力/粘性力，用於表征飛機飛行時受到的粘性力，反映氣流對飛機表麵的粘性阻滯作用。
飛機操縱麵嗡鳴實驗，對馬赫數的大小很敏感。嗡鳴是飛機作跨聲速飛行時由於翼麵上的激波、波後的邊界層分離和操縱麵偏轉的相互作用而產生的單自由度不穩定運動。發生嗡鳴會降低操縱效率甚至使操縱失效，嚴重時將導致結構的疲勞破壞。通過嗡鳴實驗，可以確定飛機操縱麵振動的性質，提供排除振動的方法和確定剛度指標。
飛機結冰一直是飛行安全的大敵。實踐表明，飛機結冰是飛機安全飛行的致命弱點之一，在世界軍、民用飛機失事案例中占60%以上。以往，我們國家的飛機都要到國外去開展結冰風洞試驗，2013年，我國終於建成了自己的結冰風洞，成為世界上第三個可以開展民機全研製過程結冰風洞試驗的國家。通過結冰風洞試驗，設計師們可以獲得在不同氣象條件下飛機的結冰位置和結冰冰型等，從而確定結冰容限及必須防除冰的表麵，為飛機防除冰提供安全設計的依據。
噪聲水平是民機的重要技術指標。氣動噪聲風洞試驗是飛機研製重要的地麵試驗項目，是評估飛機的適航符合性、舒適性、環保性以及聲隱身等性能的重要依據。2019年5月20日，我國型號研製首次8米低速風洞（FL-10風洞）氣動噪聲試驗在航空工業氣動院順利完成，宣告我國正式形成8米量級低速風洞氣動噪聲試驗能力。風洞在建造之初便預留了消聲室空間，通過風扇低噪聲設計、動力段降噪、消聲拐角導流片等多種手段，確保風洞自身具有低背景噪聲特性。消聲室長49米、寬33米、高26米，是目前國內規模最大的消聲室，也是國內技術難度、實施難度最高的大型消聲室。
風洞試驗測取的數據並不能完全代表真實情況，需要進行一係列的數據修正，才能獲得壓力分布這些後續設計必需的分析數據。而這是真正考驗飛機設計師水平的地方。因此，現代飛機還必須開展高雷諾數風洞試驗、動力影響試驗、氣動彈性風洞試驗等一係列用於數據修正的風洞試驗，建立起一套從“風洞數據”到“真實數據”的修正模型，保證試驗數據的有效性。
靜氣動彈性風洞實驗是測量模型剛度對氣動特性影響的實驗。通常風洞實驗中的模型都是用強度和剛度較大的金屬製作的，而飛機的剛度比模型低得多。因此，需製造一種由金屬作骨架、用輕木或塑料作填料、能模擬飛機各部件彎曲和扭轉剛度的彈性模型，把它放在風洞中作模擬飛行條件的高動壓實驗，測量對模型剛度的影響，修正剛體模型實驗的數據。
可見，飛機的設計對風洞的依賴性很大。風洞試驗作為飛機氣動設計的重要手段，其最廣為人知的作用就是飛機的氣動布局設計。從第一架飛機約20個小時的風洞試驗，到現在一般飛機型號所需的上萬小時風洞試驗，風洞試驗技術一直伴隨著飛機研製技術的發展而不斷提高，重要性也愈加凸顯。因此，在學術界，風洞被稱為“航空航天飛行器的搖籃”，流傳著“有什麽樣的風洞，才能有什麽樣的飛機、飛船、火箭、導彈”的說法。同時，風洞也被世界各國視為重要的戰略資源。例如，50年代美國B-52型轟炸機的研製，曾進行了約1萬小時的風洞實驗，而80年代第一架航天飛機的研製則進行了約10萬小時的風洞實驗。
我國C919大型客機氣動布局設計實現了綜合減阻5%的目標，風洞試驗功不可沒。C919的氣動布局是“常規布局”，但要實現這個“常規布局”也不是簡單的事兒。“差之毫厘，謬以千裏”這句古話用在飛機氣動布局設計上再合適不過。拿飛機氣動設計的核心——機翼設計來說，機翼剖麵哪怕差個幾毫米，對於飛機整個氣動性能都有巨大影響，發動機吊在機翼的不同位置也頗多講究。飛機的氣動外形不存在“照葫蘆畫瓢”，每個型號都有獨特的氣動外形，飛機的主製造商對飛機的氣動外形擁有完全自主知識產權。
麵向未來，風洞還承擔著載人航天、火箭、航空發動機等眾多啟動數據的測量和關鍵結構設計任務，作為科技較量的製高點，我國空氣動力研究能力將穩居第一梯隊。
