建造风洞有什么难度 进行风洞实验的投入有多大

相信很多朋友在看到“风洞”一词时，会自然联想到在一个洞里放置风扇使劲地吹风，当然“风洞”的简化概念可以这么去理解，不过实际上要想建造高质量的风洞特别是高超音速的风洞，难度是非常大的。

我们先来看一下什么是“风洞”。简单说，就是利用人工干预的手段，利用特殊的装置产生一定强度的气流，通过特定的途径控制这些气流，将其引导到相关飞行器模型表面（比如飞机、战斗机、导弹模型等），通过安置在模型表面的一系列监测设备，可模拟出飞行器实体飞行时周围气流的流动状态，从而定量化推算出气流对飞行器运行时的影响和作用效果。

由于飞行器在生产之后，特别是新型飞行器投入使用之前，为了安全性和实用性考虑，并不能直接开始启用，而是需要对性能进行充分检验，同时对压力进行深入测试，而开展空气动力学实验是其中的一项重要内容，而“风洞”正是提供这种实验最可靠、最常用和最有效的工具。

对于依靠“风洞实验”要求不是太高的实验来说，只需要普通的“风洞”即可，这种普通的“风洞”吹出来的风速一般都达不到音速，或者仅超出音速一点，这样的“风洞”建造起来相对容易的多，简单说只要使用大功率风扇就可以实现了，必要时再额外配置喷流管提高一下风速即可。

不过，对于大多数飞行器来说，普通“风洞”是满足不了测试需求的。根据提供风速的不同，可以将高于普通“风洞”技术要求的，划分为跨音速风洞、超音速风洞、高超音速风洞这几种。随着风速的提高，原本只是提供一般速度的风扇，对气流的压缩作用会逐渐达到瓶颈，也就是说风扇对吹动气流的能力是有上限的，如果被测试的飞行器需要进行“风洞实验”的要求较高（比如飞行器实际飞行速度远高于音速），那么仅靠风扇或者喷流管是难以达到实验预期的。

所以，在建造大型高速“风洞”时，必须实现技术升级，改用空气压缩的方式，配备必要的大型空气压缩机、压力罐、高耐受性喷流管等设施，在情况允许时，还可能要将模型周围环境转化为真空状态，目的就是提高储存压缩空气和外界的压力差，从而进一步增加空气的流动能力，实现更高的风速。另外，为了更真实地对飞行器高速的运行状态，理想合格的“风洞”实验，还要模拟出高速飞行时因表面与空气流的摩擦产生的高温环境，所以对于连接压力罐与周围环境的喷流管来说，其材料还必须满足能够耐受2000摄氏度以上的高温条件。

以上是从技术层面展开的分析，实际上，对于需要进行高质量的“风洞实验”来说，需要从低到高依次开展亚因素、跨音速、超音速和高超音速的系列实验，这就需要“风洞”中要配套建设多种规格、多重模式、多种条件、多套机组、多套配套设施等共同构成的“风洞”群，所以建造的费用很高，即使普通的“风洞”投资都需要几百万美元，而一个高超“风洞”的价格可达上亿美元。

第三个方面，要完美、准确地进行“风洞实验”，模型上相应的精密监测设备必不可少，比如超高速相机和摄影仪、压力传感器、温度传感器、姿态感应仪等等，很多都是具有密级的军工产品或者高科技产品，国际间不太容易进行信息的交流和共享，如果一个国家没有完备的工业体系、强大的制造能力和充足的原材料供给，这些监测设备就无法生产，因此即使花大价钱造出了“风洞”也无用武之地。

综上，建造“风洞”开展相应实验，是建立在一个国家财力、科学技术、工业化体系等基础之上的，是综合国力的一种体现，并不是想建就能建的，截至目前，也只有我国和美国、俄罗斯这3个大国有这样的实力。

见过截面10cm^2的“玩具”风洞，全透明的，并且流场品质炒鸡棒。好想装上二极管拿回家当装饰品也就几万块。然而不是等比例放大就能保证10m^2截面的风洞也能有一样的流场品质。这就是难度。风洞烧的是电，然而并不是每一次吹风都能有所收获。低速风洞靠风扇吹，用电即可。跨声速、超声速、高超声速得用压缩空气或者真空罐，试验窗口按秒计，还得考虑风速起来下去两条速度曲线、两道激波，试验设计就是一门学问。错过了就是重来一遍的节奏，烧的都是银子。这就是难度。风洞是一回事，配合风洞的设备又是一回事，不是风开了试验就能做好的。高精度的模型，还得经得住风吹。台风算个屁，1米开口风洞开30m风速，人站在里面观察样件状态是常事，40m都开过。一般的模型强度够？都是死贵死沉的合金模型，死沉的攻角机构，还有死贵死娇气的天平。数采、放大器、高精度电源都是基础配置，然后不同的科目不同的设备，一套PIV几十万还是乞丐版，配的都是国产激光器，设备买回来还要会用，一个调不好所有其他环节都白搭。设备升级了活能少干一半，当年吹一夜风的数据还比不上师弟现在吹300秒的，说多了都是泪。这就是难度。风洞再好，也是要人开的。实验是人做的。模型是人做的。设备是人用的。流程是人设计的。学科建设，人才引进，需要多少投入？钱就够了？这就是难度。

什么是风洞？很多人在看到这个词汇时候就会产生一系列联想，大多数人对于这个词汇的传统概念就是放一个风扇在洞里使劲得吹，虽然原理是这样的，但是实现起来难度其实是非常大的。

风洞在实现过程中需要经历N多挑战：先是人工干预利用特殊装置产生气流，然后再通过特定的途径控制这些气流，接着把它放到飞行器模型当中，应用比较广泛的飞行器模型有导弹模型、战斗机以及飞机。然后通过安置在这些模型上的监控设备模拟出飞行器在飞行过程当中气流流动状态，进而能够推算出气流对飞行器运行时一个作用效果。

那为什么会出现高超音速风洞以及高超音速风洞难点在哪呢？其实之所以会出现这一个词汇，最简单原因就是因为普通的风洞是没有办法满足测试需要的，尤其是对于大多数飞行器来说必须要使用跨音速、超音速以及高超音速风洞。关于难点主要体现在1、技术方面。在建造大型高速风洞的时候，必须要配备压力罐、大型空气压缩机以及具有高耐受性的喷流设施。2、资金方面。在建立高质量风洞实验的过程当中，必须要对周围因素进行从低到高的勘察。需要多种规格、多种模式、多种条件、多套机组、多套设备等风洞配合，投资怎么能是一星半点呢？所以，即使只是一个普通的风洞实验投资就可以达到几百万美金。

除了技术和金钱方面有压力之外，如果你要进行一个十分精准的风洞实验，在模型监测设备方面也需要改进，必须要使用非常精密的监测设备。所以综上来看，想要完美地实现风洞实验。必须要建立在一个国家有财力、科学技术比较先进、工业化体系比较完善的基础之上的。