高超音速风洞的难点在哪里？为什么世界上只有极少数国家能够建造超音速风洞？

梁老师说事为您回答这个问题。

一提到风洞，很多人的印象中，就是一个大大的风扇，里边放着飞机，风扇一吹，刮起的风让人在里边站都站不住。

比如，成龙的电影《飞鹰计划》里，就有一段成龙和敌人在大型电风扇下打斗的一幕。

风扇吹在人的脸上，别说保持表情了，脸皮吹得和水波纹一样，能荡起涟漪来。

其实这种风洞是最低级的风洞，高级别风洞都是不用电风扇的，因为光靠电风扇吹出的那点风力，根本就达不到高级别风洞的要求。

怎么说呢？

风洞其实分为好几个类别，由低到高，最低级的是低速风洞，这里边的风速是在一秒一百三十米以下的；亚音速风洞，风速要达到0.4到0.7倍音速；跨音速风洞，风速要达到0.5到1.3倍音速；超高音速风洞，风速要达到1.3到4.5倍音速；高超音速，风速要达到4.5到十倍音速；最高级的就是超高音速，风速要达到十到十八倍音速才行。

而用电风扇可以实现的风速，只有1.2倍音速以下的才行，再高了的话，就得另想办法，也就十说从超高音速风洞开始，就不能用风扇了。

那么为了更好地回答题主的问题，我们先了解一下什么是风洞，风洞的来历，然后再来说说题主的问题。

什么是风洞？

话说我们人类生活的环境，是和空气接触的，那么任何物体和空气接触，不可避免地就会受到两个力量的支配。

第一个是垂直于物体表面的力，这个力量其实就是物体正上方所有空气受到重力对物体的一个挤压；另一种力就是与物体表面相切的力，这个相切的力其实就是风力，我们有时候也叫它空气阻力。

如果我们能弄出一个比空气垂直与表面的力还要大的力量，那么就能把飞机给送上天，如果把相切的力给弄小了，那么就会让飞机用更少的燃料飞出更远的距离。

所以风洞就成为了飞行器的摇篮。

世界上第一个设计和建造风洞的人是英国人温翰姆，这个人当时是英国航空协会的创始人，他在1871年的时候建造了第一个风洞。

一说风洞听起来挺高大上的，其实这第一个风洞仅仅是一个两端开口的木头箱子，横截面是一个45.7厘米×45.7厘米的正方形，长度也只有3.05米而已。

这第一个风洞，确实让人挺失望的。

不过这个风洞，本来就不是用来制造飞机什么的，而是用来研究物体和空气相对运动受到的阻力问题。

那么真正把风洞用在飞机上的是美国的莱特兄弟，他们在1900年建造了一个横截面是40.6厘米×40.6厘米，长度只有1.8米的风洞。

这个风洞吹出来的风速不大，只有十一米每秒。

莱特兄弟使用这个风洞，研究了二百种以上的机翼形状，这才确定了人类第一架飞机的样子。

说道这里，我们就不得不说一下，其实风洞的尺寸历来就不大，放在现在，所谓的风洞大多数看起来，也就是一根长长的铁管道而已。

当然也是可以制作大比例的风洞，但这种风洞建造成本相当高，而且建造的难度也大。

再加上用的时候也用不起，需要的电量将是一个非常可怕的数字，所以一般的风洞都是小尺寸的。

不过这里不得不说上一句，风洞越大其实吹出来的效果越好，因为要是使用模型来吹的话，个头小了，那么飞行器上的几何细节和一些个小部件就看不出效果，做不出数据来。

所以很多小个头的风洞，大多都是在里边吹个等比例模型而已，研究飞机其实就是吹出个气动布局。

当然也有大的，比如美国国家航空航天局艾姆斯中心，就有一个全球最大的低速风洞，尺寸达到了24.4米×36.6米，足可以塞进去一架真飞机。

怎么说呢？

低速风洞还可以做得大一点，毕竟产生的风，使用的是电风扇，越是高级的风洞，这个尺寸就会越小，比如美国兰利中心的跨音速低温风洞，就已经缩小到了2.5米×2.5米了。

不是不想做大，而是成本太高了，运行一次的费用相当昂贵。

说个数据就明白了，12.2米×24.4米的低速风洞，需要的电风扇功率是二十五兆瓦，当这个尺寸变成了24.4米×36.6米的时候，电风扇的功率就已经变成了一百兆瓦。

尺寸没翻一倍，功率倒是翻了四倍。

这要是超音速风洞的话，这种翻倍就不是几倍的问题了。

接下来，我们就简单说说风洞是如何运行的，从这里了解一下风洞制作的难题。

风洞的运行文章之前我们就说过，风洞里边的风速如果是1.2倍音速的话，那么一台电风扇就足够，制造出相应的风速，如果没有达到只能说这电风扇的功率不够。

那么想要吹出较高速度的风速怎么去做呢？

这就需要知道，风是怎么来的才行。

其实这个知识点，我们初中的物理就接触过。

比如一栋建筑物，一面背阴，一面向阳。

向阳这一面的空气，因为太阳晒得暖烘烘的温度急剧上升，那么空气的体积膨胀，但他的质量不变，这就会导致密度变小。

哎，太阳一晒，空气变轻了，热空气就会上升，那么建筑物向阳的一面空气就变少了，而建筑物背阴的一面，相对来说是冷的，背阴的空气就一直在地面上。

那么这个时候背阴的空气和向阳的空气就形成了一个空气差。

如果打开向阳和背阴的窗户，向阳的这一面没有空气或者空气少，而背阴的这一面空气多，必然就会让背阴的空气向着向阳的一面流动，这风就形成了。

所以风的形成，是由于空气的压力差造成的。

那么制作高级风洞就可以利用这个原理了。

建造高级风洞的时候，就需要一个高压气瓶，将一些高压气体给储备起来，用高压气瓶的超高压缩空气来代替电风扇来工作。

其实这么做还是不够的，这个时候空气的压力差是有了，但并没有做到最大压力差。

什么时候是最大的压力差呢？

和高压气瓶相对应的管道如果是真空的话，那么这个压力差就会达到最大。

所以这个时候，还得把管道里的空气抽干净才行。

真空的管道形成之后，一打开高压气瓶，高压气体打着呼哨就涌入了管道，最终就形成了更高的风速。

我们在网络上看到的风洞外观，往往会看到一个个大圆球，那其实叫真空球，里边啥也没有。

说到这里，就必须插一句话。

如果这种风洞，建造成能够塞下一架真飞机的规模，想想哪超大个的高压气瓶，以及要抽干净空气的哪个粗壮的大管道，这绝对不是一件容易的事情。

因为越大的风洞，就需要越大的压气机，而且在使用压气机的过程，必须是连续性的，因为物体吹风洞的时候，并不是说，吹一下就可以了，而是连续不断的吹上一阵才行。

再加上风洞的实验并不是说，吹风就可以了，还得有相适应的温度才行，这个时候又需要一套复杂的加热系统。

而风洞越大，这套加热系统就会变得越麻烦，他不仅仅是成本问题了，同样是一个技术问题。

除了加热以外，还要有空气干燥器，空气湿度还要准确。

说个数据就明白了。

比如在实验五到十倍音速的时候，空气的比湿度一磅空气含水量是0.00075磅水（为了精确一点数据就根据文献中走了，没有转换单位），那么对风洞中模型产生的受力变化，就会有1％的误差。

所以一套风洞下来，准备的设备是很多的，有些设备都叫不出名字。

其实用压力差做出来的风洞，吹出来的风，还是不够的，因为最终利用这种压力差吹出来的风速也就是五倍音速左右，要想提高风洞的风速，就要另辟蹊径来想办法了。

什么办法呢？

这就需要来一次剧烈的爆炸。

我们都知道，炮弹在地面上发生爆炸，会产生冲击波，这股冲击波推动空气运动，而冲击波推动空气的速度要比空气移动的速度还要快，这就会对空气进行一个压缩，而这个压缩出来的空气，比我们制作出来的压缩空气的压力还要大。

所以这个爆炸产生的风速更快，可以突破五倍音速。

当然了这种爆炸不是以破坏性为主的，所以技术就得上去，即要爆炸产生的空气压力差，还要这个爆炸不会对设备产生破坏性的影响。

这个工艺可就麻烦了，不是一般的国家可以做得了。

那么这种爆炸，因为各个国家研发的方向不一样，所以手段也就不同了。

比如用氢气和氧气混合后的爆炸，还有避开爆炸使用电弧打出的冲击波直接对空气进行压缩的等等。

而使用的方法不一样，那么遇到的难题就不一样了，爆炸我们了解，使用电弧击发冲击波，不说他的破坏性大不大，就说他使用的能量哪绝对是超大型的。

毕竟电弧就需要放电，放电就需要电力，而想要获得好的数据，就必须持续吹风，好吧，这个持续吹风，耗费的电力，绝对惊人。

至于有多少？

没有相关数据，但猜也能猜得出来。

所以使用爆炸来产生高速空气，进而让实验对象吹一口高质量的风，显然是不稳定的。

后来人们又改变了思路，用另一个办法来获得，更高的风速。

这就需要我们知道的另一个知识点了——相对运动。

再拿来之前的高压气瓶开始吹风，接着在管道的另一头让模型也开始对着高压气瓶的方向进行运动，那么当风和模型在管道里相遇的一刹那，这个风速就是模型的速度加上高压气瓶吹出来分的速度。

这样做，最终可以获得四十倍音速或者更高的风速。

但这种最高级的风洞，我们听起来就知道，他的尺寸绝对不会太大，因为太大的模型想要打出几倍音速，太困难了。

所以目前最高级的那种风洞，也只能研究一下飞行器的稳定性，想要研究气动布局什么的，是没法获得数据了。

而想要获得数据，就必须加大最高级风洞的尺寸，但加大尺寸又很麻烦的，成本，维护，使用费用刷刷刷地往上涨。

这也是为什么很多国家不造这些高级别的风洞，太费钱了，而且这些国家对这些高级别的风洞没有多大需求，毕竟能够造五代机或者六代机的国家，就那么几个。

其他国家就算是造了高级别的风洞，也不会使用的，造出来也纯属浪费。

最后我们来说说，风洞一般是如何使用的。

最常见的风洞使用，就是吹飞机。

比如在上个世纪五十年代，美国研制B—52轰炸机的时候，就用风洞吹了一万多个小时，才吹出了B—52轰炸机的外壳。

还有八十年代造的第一架航天飞机，据说模型在风洞里一吹就是十万小时，各种姿势，各种速度，各种大气条件等等，但凡能想到的情况，吹了个遍，这才造出了航天飞机。

这也是为什么，美国自从航天飞机全部退役之后，有一段时间就没有研制航天飞机，这些大家伙研制起来，光一个风洞就能吹这么长时间，就知道他的研发成本是何其的惊人。

其实随着科技的进步，风洞的作用已经不光是给飞行器吹吹风这么简单了。

比如说，降落伞，船帆，标枪，汽车，桥梁，建筑物，甚至于火炬都会在风洞里吹一吹的。

以上这些例子，有些事情想都想不到。

举个例子就明白了，比如在1940年的时候，美国西北部的塔科马大桥，刚刚建成没多久，就遇到了一股并不是很强的大风，也就是十九米每秒的风速，一吹过去，八百多米长的塔科马大桥就垮塌了。

原因是共振引起的。

但不管是什么振，一定是设计问题，想要知道那部分设计出问题，最终就要通过风洞吹模型来复刻当时的情况，才确定了那部分设计。

所以从这里之后，以后的桥梁，尤其是跨度很大的桥梁，设计完成之后，都会在风洞里吹一吹，确定是不是符合空气动力学。

还有汽车的设计，也会去吹风洞。

过去小汽车的阻力系数是0.4到0.6，如今通过风洞出来的小汽车，阻力系数达到了0.28到0.4，这种数据，不说别的，省油。

如今还有研究大气环境的风洞。

所以随着科技的发展，风洞的应用领域会越来越广泛，毕竟我们人类生活的环境就是在大气层里。

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