引言

当今航空航天技术迅猛发展，以微电子技术为基础的光电技术、生物技术、超导技术、纳米技术和计算机、新材料、新能源、传感器技术等一系列相关领域技术的迅猛发展，使得飞行器的发展也进入了一个前所未有的巨变期。飞行器出现高速化、隐身化、无人化、精确化、信息化的趋势。预计05年前后可能研制出一批全新的飞行器，如高超声速攻击机、无人攻击机、无人作战机、微型、超微型侦察机、智能结构飞机、高超声速巡航导弹、空天飞机等。这些飞行器是隐身技术、高超声速技术、无人技术、动能技术、航天器技术及激光技术的综合应用。?

未来飞行器的研究和发展离不开风洞试验，风洞是研制飞行器的关键地面试验设施，在航空飞行器研制中具有非常重要的主导作用，有人就形象地把风洞试验称作飞行器研制的“先行官”，没有先进的风洞试验设备，就不可能研制出先进的航空飞行器。就拿美国的F-“猛禽”战斗机来说，它的研制就历经了0年的风洞试验过程，它的3种模型先后在5座不同类型的风洞进行了75项、合计约4.4万小时的高低速风洞试验，才最终确定了F-“猛禽”战斗机最优的气动外形，为它赢得了“最强战机”的称号。

一、什么是风洞？?

当飞行器以某一速度在静止空气中匀速直线飞行时，飞行器与空气的相对运动规律和相互作用力，与飞行器固定不动而让空气以同样大小和相反方向的速度绕过飞行器的结果是等价的。风洞即风洞实验室，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，并可度量气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状试验设备，正所谓“一代风洞、一代飞行器”，它是进行空气动力实验最常用、最有效的工具之一。

二、风洞可以做什么？?

飞行器风洞试验是将飞行器的缩比模型、全尺寸模型或飞行器的某个部件（如机翼和尾翼等）安装在风洞试验段内，获得飞行器设计和改进需要的基础数据，包括阻力系数、升力系数、气动加热特性等。风洞试验主要研究导弹和飞行器在各种空域和速域条件、不同飞行姿态和各种干扰影响下的气动力特性和操控特性，主要包括：气动力布局试验与常规气动力特性试验，舵面气动力与铰链力矩特性试验，喷流干扰特性试验，分离模拟测力试验，强迫振动及自由振动动导数试验，模型自由飞试验等。

图NASA超声速风洞试验段

航空发动机的研制也离不开风洞试验，从部件到整机都要进行大量的风洞试验，以确定发动机的性能和可靠性。发动机自由射流试验将进气道与发动机连接在一起进行模拟试验，更加真实地模拟发动机的实际工作状态。发动机的推进风洞试验将包括进气道、发动机短舱（或后机身）、发动机和尾喷管在内的整个推进系统放入闭式风洞中进行高空模拟试验，真实模拟飞行状态下发动机的实际工作状态。

图超燃冲压发动机氢氧推进风洞试验

相对于后期的飞行实验，风洞提供了飞行器研发前期一个高效、方便、经济的试验手段。现代飞行器的设计对风洞的依赖性很大。例如50年代美国B-5型轰炸机的研制，曾进行了约小时的风洞实验，而80年代第一架航天飞机的研制则进行了约0小时的风洞实验。

为了满足各种特殊试验的需要，还可采用各种专用风洞，如：结冰风洞供研究飞机穿过云雾飞行时飞机表面局部结冰现象；尾旋风洞供研究飞机尾旋飞行特性；声学风洞开展噪声控制和降噪试验等。

图3FL-6结冰风洞试验

图4FL-5立式风洞

图5FL-7声学风洞

风洞测试技术包括：天平测量飞行器的气动力、温敏漆（TSP）和压敏漆（PSP）测量飞行器表面的全场温度压力分布、粒子图像速度场（PIV）测量速度分布、激光诱导荧光技术（LIF）测量密度分布，经典的流动显示技术有纹影、丝线、烟线、油流等。

图6翼型测压原理图

图7风洞某民机发动机短舱PSP试验

图8丝线法

图9烟流法

图0油流法

图风洞流动显示PIV试验

图PIV测速处理结果

图3纹影法（北美公司的X-5模型在马歇尔太空飞行中心的风洞测试）

三、风洞的分类和原理

风洞种类多种多样，外观形式和用途也各有不同，国内外都比较认可的分类方法有按试验段流动速度和按运行时间两种。

风洞按照流速分类：M0.3的风洞称为低速风洞，特点是气流密度几乎无变化；0.3M0.8范围内的风洞称为亚声速风洞，特点是气流密度在流动中已有所变化；0.8M.范围内的风洞称为跨声速风洞，特点是有透气壁；.M5范围内的风洞称为超声速风洞，特点是采用拉瓦尔喷管；M≥5的风洞称为高超声速风洞，特点是需要对空气预加热。

按风洞的运行时间则可分为连续风洞（可长时间运行）、暂冲风洞（数秒至数分钟量级）和脉冲风洞。

、低速和亚声速风洞（M0.3~0.8）?

低速和亚声速风洞可以进行模型气动力试验，包括测力、测压和流动显示试验，低速风洞还有一些特种风洞，能进行结冰、尾旋、气动噪声等试验。

低速和亚声速气流，是通过“电风扇”吹出来的，由电机驱动叶片转动产生气流，气流流经风洞收缩段，根据伯努利定理，截面小流速大，气流得到加速，能达到高亚声速。

、跨声速风洞（M0.8~.）

当风洞中气流在实验段内最小截面处达到声速之后，即使再增大驱动功率或压力，实验段气流的速度也不再增加，这种现象称为壅塞，跨声速风洞实验段采用开孔或顺气流方向开缝的透气壁，如图所示，实验段内的部分气流通过孔或缝流出，可以消除风洞的壅塞，产生低超声速流动，减小洞壁和支架干扰、提高风洞动态气流品质。

图4FL-6跨声速风洞

3、超声速风洞（M.~5.0）

若要气流达到超声速，则需要通过收缩-扩张式的拉瓦尔喷管实现，见图5。在低于声速时，气流经过收缩段，截面小流速大，气流得到加速，在喉道处加速到声速，再经过扩张段，气流性质变为截面大流速大，气流再一次加速，达到超声速。这时，试验段的气流速度取决于：喷管前后足够大的压力比，实验段截面积与喷管喉道截面积之比。

图5拉瓦尔喷管

要想继续提高风速，电机的“吹风”能力有限，就得提高拉瓦尔喷管前后压力差。采用压力罐代替电机，通过贮气罐后面的调压阀来控制压力。

图6压力罐驱动风洞示意图

要在风洞中获得更高马赫数的气流，一般来说单靠上游高压罐的吹冲作用还不能产生足够的压力差，这时要想气流流动更快，只需在风洞下游出口处接上一只容积很大的真空容器，靠上冲下吸便可形成很大的压差，从而产生超声速气流，称为高压下吹-真空抽吸暂冲式风洞，气流可以到达5马赫。

图7高压下吹-真空抽吸式风洞示意图

4、高超声速风洞（M≥5）

高超声速风洞主要用于导弹、人造卫星、航天飞机的模型实验。高超声速风洞主要有常规高超声速风洞、低密度风洞、热冲风洞、激波风洞、弹道靶等形式。

常规高超声速风洞是在超声速风洞的基础上发展起来的，运行原理与超声速风洞相似，主要差别在于高超声速风洞必须给气体加热。气流在经过喷管加速到高超声速的过程中会急剧膨胀，温度会随之急剧下降，从而引起气体的自身液化，这时就需要对风洞中的气体进行预先加热，防止凝结，这是高超声速风洞的一个基本特点。

低密度风洞就是形成稀薄（低密度）气体流动的高超声速风洞。它为研制航天器提供高空飞行的气动环境，也是研究稀薄气体动力学的实验工具。

热冲风洞包含电弧风洞和放电式风洞，都是利用电弧放电所释放的能力对驻室气体进行加热的高焓高超声速风洞。

激波风洞是利用激波压缩实验气体，再用定常膨胀方法产生高超声速实验气流的风洞。它由一个激波管和连接在它后面的喷管等风洞主要部件组成，实验时间短，通常以毫秒计。目前，激波风洞驱动方式主要分为三大类：加热轻气体驱动、自由活塞驱动和爆轰驱动。其中爆轰驱动激波风洞，顾名思义，其原理就是用爆轰产生高温高压驱动气体，用化学能代替机械能驱动风洞。爆炸能在短时间内产生巨大的能量，如图8所示，这能量能作为气体的驱动力。该原理是我国俞鸿儒院士首创的，为中国人在世界空气动力学界赢得了声誉。

图8爆炸产生的冲击波

我国中科院力学所的JF有65米长，为世界之最，被国际同行称为“高超巨龙”，如图9所示，是国际首座可复现飞行条件的超大型高超声速风洞。目前这个风洞可以复现5-40km高空、马赫数5-9飞行条件；试验时间超过00ms；内部温度最高可达瞬间把金子汽化的摄氏度（金子沸点为℃）。JF-成功应用于国家重大专项和多项航天任务，在飞行器气动力/热特性、关键部件分离、高马赫数发动机、飞行器带动力一体化等重大和特种试验方面发挥了不可替代的作用。

图9JF-爆轰风洞

弹道靶能同时模拟飞行器在稠密大气中飞行的高雷诺数、高马赫数、高焓值的气体动力学环境。弹道靶还用于研究高速飞行体流场的高温气体辐射特性、电磁波特性、边界层和尾流特性，以及再入飞行器热防护材料的烧蚀情况。

想要获得更高的速度，可是气流的加速能力达到极限，就应用相对速度，将模型加速，气流产生更高的相对速度。弹道靶设备将试验模型以高超声速发射出去，能同时模拟飞行器在稠密大气中飞行的高雷诺数、高马赫数、高焓值的气体动力学环境。

图0弹道靶示意图

图为中国空气动力研究与发展中心的气动物理靶，采用二级轻气炮将飞行器缩比模型发射至超高速状态，模型在环境气体真实、组分和压力可调的靶室内自由飞行，通过雷达、谐振腔、干涉仪、光辐射测量等系统获得模型的光电特性参数的方式开展试验。该设备主要从事超高速飞行器再入目标特性、再入气动物理现象、超高速碰撞机理等试验研究，模型发射速度能达到6.km/s。

图FD-8B气动物理靶

除上述风洞外，高超声速风洞还有氮气风洞、氦气风洞、炮风洞（轻活塞风洞）、长冲风洞(重活塞风洞)、气体活塞风洞、膨胀风洞和高超声速路德维格管风洞等。

风洞的分类和原理总结见下图。

图风洞分类和原理总结

四、未来飞行器发展趋势

、高超声速飞行器

对于高超声速飞行器，通常都要求具有突出的强机动、强突防、远程精确打击能力，可利用其优异的飞行性能与装载能力发展成为通用投送平台，并携带各类有效载荷，有效执行各种任务。高超声速飞行器的关键技术包括高超声速推进系统、机体/推进系统一体化设计、材料和结构、热防护系统以及气动力研究等。高超声速飞行器在各种空域和速域条件、不同飞行姿态和各种干扰下的气动特性和操控特性都需要通过风洞来验证。高超声速流动的特殊流动现象，如稀薄气体、高温化学反应等，都对现有的风洞试验技术提出了新要求，飞行器高空、高速和高温的流动特点、风洞毫秒级的试验时间，给风洞测试设备和测试技术带来了新的挑战。

、下一代战斗机

下一代战斗机具备高信息化、高敏捷性、低可探测性和短距起降能力，采用翼身融合体和具有隐身能力的气动布局；大量采用复合材料的机体结构；配装推重比0一级航空发动机，飞机起飞推重比超过.0；机载火控系统采用可同时跟踪和攻击多个空中目标的多功能火控雷达；主要机载武器是具有大离轴角和发射后不管能力的空空导弹。下一代战斗机代表机型有：F-，F-35，Su-57。我国的对应机型为歼-0、歼-3。正所谓“一代风洞、一代飞行器”，下一代战斗机的隐身研究、主动流动控制、翼身融合气动力设计等都离不开新一代风洞试验的支撑。

3、分布式作战无人机

分布式作战无人机的特点是高自主能力，低人力成本；人机编组，协同作战；互操作性强，立体作战，无人机集群技术在军事领域得到了重视和高度发展。分布式作战无人机在进行风洞气动力试验时，可能面临一些新的挑战，如小的力和力矩的准确测量、高品质低速低雷诺数流动的模拟、多机干扰试验、队形动态重构试验等。

五、风洞试验设备发展趋势

随着航空航天事业的发展，未来飞行器研究将聚焦在高超声速飞行器、下一代战斗机、分布式作战无人机，对风洞试验能力和测试方法提出了一些新需求，那么未来风洞将发生怎样的变化？

、风洞试验技术创新、功能扩展，提高试验能力

为解决未来飞行器可能面临的问题，必须对现有风洞进行改造，实现功能扩展，发展风洞试验技术，以满足新的需求，甚至发展一些新概念风洞。

例如发展高超声速飞行器，飞发一体化试验将是重点，目前能进行推进系统高空模拟试验的推进风洞试验段只有4.88m×4.88m，只能进行小型飞行器（如巡航导弹）的全尺寸高空模拟试验，对于一般的战斗机或民用客机，则只能进行缩尺寸或部分模型试验。未来可能发展尺寸更大的风洞，能进机体/推进系统一体化试验乃至全机全尺寸试验。对于高超声速飞机的高空高速飞行条件，风洞将具备模拟高马赫数（5以上）、高空总温、总压、雷诺数等，高品质复现飞行器飞行环境，并且试验时间相较于目前的风洞将有明显提升。对于高超声速特有的流动特征，未来风洞需加强这方面的模拟能力，如稀薄气体、高温化学反应等。高超声速中，激波和支架以及洞壁的干扰也会更加显著，未来风洞必须发展精确的修正方法，尽可能降低或避免激波和洞壁、支架等的干扰。

、风洞测试技术改进、方法创新，提高测试水平

未来风洞必须改进和创新风洞测试技术，具备快速响应，非接触，高信息密度的特点：①提升现有测试技术的精度、频响等参数，并拓展测试技术的应用环境，能够在毫秒级时间内、高温、高压环境中实时、定量显示模型表面和周围流场信息，并发展相应的数据修正技术；②风洞测试数据要与计算模拟数据整合，综合评估；③发展先进光学全场测量系统，应用于采集模型表面和周围流场信息一些定性的测试技术要向定量化、精细化发展；④测量范围逐渐从空间单点向某个平面以及整个三维流场发展；⑤非接触式测量方法逐渐取代接触式测量方法。

3、风洞设备自动运行、自主检测，提高智能化水平

目前的风洞在调试、试验、故障诊断等过程中还是主要依赖于人工，风洞数据和CFD计算数据以及试飞数据之间没有交互的平台，这样不仅耗费人力和财力，风洞试验的效率和进度也会受到影响，甚至试验时还存在较高的风险。

未来风洞试验发展趋势将是高度自动化试验，模型姿态、试验条件等变化更加容易、快速，风洞试验效率将得到提升。风洞将是一个融入网络、高度互联的设备，风洞试验数据将与CFD或飞行试验数据库紧密结合，相互支持，提高型号研发效率，减少风险，降低成本。风洞还将发展智能自动诊断系统，实现风洞故障诊断，运行风险评估等，能极大提高风洞试验效率，降低风洞试验风险。

4、特种风洞攻坚克难、健全能力，提高模拟水平

现有特种风洞如结冰风洞、声学风洞、等离子体风洞、环境风洞等，还存在一些技术上的难点，例如结冰风洞目前还存在过冷大水滴的模拟问题等，现有风洞试验能力还无法复现所有飞行状态，以后这些问题将逐一解决，形成全面的试验能力，满足未来飞行器的研究和试验需求。

5、风洞设备降低成本、节能减排，提高能源利用率

目前风洞的试验成本较高，而且随着速度的提高，风洞功率大幅度提高，成本也极大上升，再加上如果复现一些特殊的高温状态等，风洞吹一条风的价格就极高。而飞行器和发动机的研制又离不开大量的风洞试验，试验花费巨大，占研制成本比例较高。

未来风洞试验的成本需要下降，效率需要提高，使风洞试验能更好地服务于国家建设发展，同时也要考虑风洞试验的低碳节能要求。

六、总结

大型风洞试验设备和试验技术研究是提高未来航空航天飞行器性能的基础，展望未来风洞将是一种融合先进试验方法、测控技术等高度自动化的试验设备，是一种与计算和飞行试验、型号设计部门融为一体的试验设备，是一种由知识复合型人才队伍操控进行的试验设备。

参考资料：

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等电，风洞之家

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