《飞机可不是靠公式飞起来的》.8 风洞!


前文中我们通过实验开始了对飞机如何飞行的研究——虽然只是区区一块纸板。我们不必为以这种方式开始而感到可笑,因为我们只是在追随伟人的脚步。 动力驱动飞行的先驱莱特兄弟在成功之前也是不得进行此类实验。即使在今天,我们的飞行理论已经进步了如此之多,然而最伟大的设计师在使用任何新设备之前都会在模型上进行试验。
最常见的实验方法是使用风洞(如下图),空气通过由电动机驱动的风扇吸入风洞,然后这些空气再奔向飞行器模型。

正如我们前文所述,我们真正关心的是相对空气速度,因此在大多数情况下,流过静止模型的空气将产生与穿过空气的模型相同的结果。模型上的力通过天平测量,类似于普通的称重机,模型通过细线或细杆连接到天平上(如下图)。

左侧两个天平L1和L2可以测出模型重力,右侧的天平D可以测出阻力,左下角为模型,从翼型判断这个机翼是倒置的,为什么呢?下文中会说。
由于各种原因,风洞实验的结果容易产生误导,其中最主要的原因就是所谓的尺度效应(气动效应的一种)。对模型进行实验的目的是预测全尺寸飞机在空中时所受的力。为了做到这一点,我们必须知道将模型上的力与实际飞行中的力映射起来的定律。只要模型的大小与实际尺寸的飞机之间没有太大的差异,或者风洞试验中的风速和实际飞行速度相差不大,形成理论定律是相当容易的,这些将在后面的段落中提到。当差异很大时(通常情况如此),定律似乎失效了,我们会发现预测错误了。这就是尺度效应,随着飞机尺寸和速度的增加,尺度效应变得更加严重。幸运的是,我们已经掌握了纠正这个错误的方法,而且我们还在建造越来越大的风洞,实际上如今的风洞已经可以大到可以让真正的全尺寸飞机进入其中——但即便如此,如今的风洞中我们也无法达到与现代飞行实际相同的风速。
现在谈谈为什么上图中机翼是倒置的。解释很简单,如此放置,由气流引起的向下的力仅仅增加了由重力引起的向下的力,因此我们只需要测量向下的力。如果机翼以正确的方式放置,由于气流将产生向上的升力而重力向下,因此测量稍微繁琐一点儿。
与尺度效应有关,您可能会听到高人雅士们谈论雷诺数。这是他们试图假装他们正在谈论的技术远远超出您的理解的情况之一。哼!某个测试的雷诺数很高,只是一种装13的说法,即测试的速度或规模接近全尺寸;速度越大,尺度越大,雷诺数越高。由于计算这个数字所使用的单位很小,所以雷诺数在小风洞低速试验中可以小到100,000左右,而在高速飞行的大型机器的可达20,000,000或更多。这是个古老的词汇,可以追溯到十九世纪英国著名物理学家奥斯本雷诺兹教授,他发现当流速乘以管道直径达到一定值时,水管中的流动总是会发生性质变化—— 在他之后这个‘一定值’被称为雷诺数。 专家可能会说我讲的很浅,好多东西没有讲述—— 我确实有保留——但这目前来说足够了。
风洞实验的另一个难点是无法在模型上准确再现全尺寸飞机的所有细节。任何做过模型的读者都会深有体会。飞机上有不计其数的小零件,更不用说表面的粗糙度了,而这些细节往往非常重要! 除了使模型尽可能大和尽可能准确之外,我们目前别无良策。
唉,我们谈到风洞试验有两个困难,尺度效应和上边说的细节问题。 解决之道是应该使我们的模型足够大,但不幸的是,如果模型很大,风洞肯定还要大得多,否则隧道壁会迫使空气以完全不同的方式流动,而在自由大气中空气是几乎不受拘束的。因此,我们再次需要更大型的风洞,这涉及费用问题,当然还有获得高空气速度所需的功率的限制。
怎么办呢?我们的一些麻烦可以通过在压缩空气中工作来克服,并且有压缩空气隧道,可以将其泵送至大气压的 25 倍。这实际上是一种增加雷诺数的人为手段,这样做可以仍将速度和模型尺寸保持在合理范围内。 前面说过关于雷诺数我们没有说的面面俱到,这里恰好提一下流体的密度(和粘度)也会影响测试的雷诺数(是不是可以这么理解,我不能增加模型的大小了,但是我们可以缩小空气分子的间距,这样相对来讲模型变大了)。
人们自然会期望最有价值的实验是这样的——使用全尺寸飞机在真实的天空中进行。 当然,很明显这必须是最终的测试。但是风洞试验是很必要的,因为使用新的和未经尝试的设备飞行可能很危险!!!而且这样的飞行试验会很昂贵。空气从来都不是稳定的,每天的条件也不尽相同,我们无法测试单独的部件。因此,尽管存在诸多缺点,但风洞是必要的。
到顶部