风洞测试到底测了啥？
原标题：风洞测试到底测了啥？
从速滑选手到航天器，工程师们通过风洞测试来设计最佳的空气动力学和性能。
风洞测试可能是利用新技术的方法，但测试气流的概念已经有几百年的历史了。
几个世纪以来，发明家们一直在努力复制空气是如何在飞机、交通工具和其他物体上移动的。但在过去的100年里，技术的进步使得复杂的风洞测试成为了现实可行的方法，测试对象包括汽车、风力涡轮机，甚至服装等各种产品的设计师和制造商生产的产品。
Boom公司即将在其超音速客机Overture上进行的风洞测试的预期中，本文将介绍航空工程师如何重新创建风的力量，以优化空气动力学和性能的多种设计。
什么是风洞?
风洞是一种有空气通过的结构——通常以管道的形式，通过电动风扇(或其他具有相同效果的机构)使空气流动。所用风洞的类型和大小取决于所测试物体的大小，以及所需的气流流动条件。
有许多不同类型的风洞，以测试飞行器为例，它们通常根据飞行器的飞行速度来分类：亚音速、跨音速(0.8到1.2马赫之间)或超音速。
风洞通常被用来测试飞机、汽车、宇宙飞船，以及几乎所有与周围空气流动有关的工程应用，甚至高尔夫球。
一些风洞甚至可以容纳全尺寸模型，但出于实用性和成本考虑，大多数风洞都是为了适应小型化模型而建造的。美国有世界上最大的风洞，位于加州的NASA艾姆斯研究中心。该设施包括一个40x80英尺(12x24.3米)的风洞电路(下图)和一个80x120英尺(24x36.5米)的测试部分。它由6个直径40英尺(12米)的风扇组成，包含15个大的木质层压叶片。每个风扇叶片长12英尺(3.6米)，重量超过800磅(362.8公斤)。
阿诺德工程开发综合公司的工作人员将NASA/陆军倾转旋翼试验装置放入加州莫菲特试验场40 x 80英尺的风洞中。(图片来源:美国空军)
能在风洞中测试什么?
风洞能被用来测试几乎所有在空气中移动的东西，从降落伞、拖拉机拖车到航天器、导弹和无人机等。工程师还利用风洞去进行优化，如对浮动风力涡轮机和舰载直升机操作进行优化(帮助优化旋翼叶片的设计和海风条件下的操作)。
风洞的测试对象不限于车辆和物体。体育专业人士和教练使用风洞来测试运动员的空气阻力。由于运动员在运动过程中不断改变身体姿势，工程师们会测量他们主要的运动特定位置的空气动力阻力。
在1974年的美国空军/NASA联合计划下，X-24B升降体模型正在准备进行风洞测试。测试的目的是生成数据，以便与在加利福尼亚州爱德华兹空军基地获得的飞行数据进行比较。(图片来源:美国国家档案馆)
第一个风洞是什么?
从18世纪中期开始，发明家们试图更好地理解空气是如何在物体表面上移动的，并获得对升力和阻力的理解。“旋臂”的出现推进了研究，但也有其局限性。一些发明家求助于大自然，在持续大风的地方测试飞机，但很快意识到，在海滩或山腰上不可能重现一致的飞行条件。
第一个设计风洞的人是英国工程师弗兰克·温汉姆，他意识到，让物体静止不动，然后吹过它，他就能更多地了解它的空气动力学性能。根据他的设计，第一个风洞于1871年投入使用。
风洞是如何工作的?
风洞产生连续的气流，通常使用电动风扇。被测对象不会移动。空气围绕着静止的被测对象运动，创造出与现实生活中预期尽可能接近或相同的相对空气运动。同时，通过精确的载荷测量装置，可以测量作用在物体上的空气阻力、升力等气动力。物体周围的气流流动特征也可以通过一些技术来可视化，比如在测试物体上喷烟和油流，这意味着“制造看不见的空气”。
有史以来，一些最强大的电动机是在风洞中建造的，你会在风洞推进设施中找到它们。在田纳西州的阿诺德空军基地的阿诺德工程发展中心，它是三个风洞的家：16英尺(4.8米)跨音速风洞(16T)， 16英尺(4.8米)超音速风洞(16S)，以及4英尺(1.2米)跨音速风洞(4T)。该设施有两层楼那么高，像火车头那么重。
在田纳西州阿诺德空军基地的阿诺德工程发展中心16英尺的超音速风洞测试设施中，技术人员站在转向的叶片上。摄影师菲尔·塔弗在1960年拍摄了这张标志性的照片。(摄影:Phil Tarver)图片来源:美国空军)
风洞试验的目的是什么?
风洞测试有助于发明者和制造商更好地了解车辆或被测对象上方和周围空气流动的性质，以及空气对物体造成的影响，特别是空气动力。航空航天工程师利用这些测试来测量飞机的升力和阻力特性，以及稳定性。测试结果可以产生更符合空气动力学和燃油效率的飞机设计。
在计算机辅助设计出现之前，改进设计需要建立连续的风洞模型，这给飞机项目增加了成本和时间延误。随着计算流体动力学(CFD)工具的出现，工程师们能够加速这一过程，并在虚拟环境中测试数百种(如果不是数千种的话)设计。因此，只有最有前途的设计配置才能进行物理风洞测试，从而大大降低了开发成本。
大约在1977年，一名ARO公司的工程师在田纳西州阿诺德空军基地的阿诺德工程发展中心的四英尺跨音速风洞测试中对F-111飞机模型进行炸弹架调整。(图片来源:美国国家档案馆)
工程师能从风洞试验中学到什么?
风洞试验验证了工程师的计算结果，并确定了设计中需要改进的地方。以飞机为例，这些测试帮助工程师改善空气动力学性能——减少阻力和增加升力——同时确保飞机的稳定性和可控性。当飞机有更好的空气动力学性能时，它们就会更省油，因为它们在空中飞行时需要的动力更少。
声学工程师也使用风洞吗?
声学工程师利用风洞来测量车辆在空气中移动时产生的声音。测试结果帮助他们验证预测，改进设计，最终制造出更安静的车辆、飞机等，为乘客提供更好的体验。
NASA艾姆斯研究中心的鸟瞰图，东南方向是风洞设施。照片拍摄约在1983年。(图片来源:美国国家档案馆)
Boom公司在2021年底开始对Overture进行风洞测试。在多轮测试中，工程团队在欧洲和美国的五个风洞中测试“Overture”模型，测试范围从低速机身声学到高速空气动力学。该团队于2017年完成了XB-1超音速样机的风洞测试，并将这一经验推广到Overture系列测试中。
这张拍摄于20世纪60年代的幕后照片展示了一架YF-12飞机模型在刘易斯菲尔德的约翰H格伦研究中心一个10x10英尺的风洞中测试。YF-12“黑鸟”是洛克希德A-12侦察机的一个实验性的战斗拦截机版本。它是SR-71黑鸟的前身。(图片来源:美国国家档案馆)
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