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风洞试验:人造气流的管道

2017-09-10 10:07  来源: 科普中国-科学原理一点通

风洞是一种产生人造气流的管道,专门用来研究物体在气流中,产生的气动效应以及进行耐热抗压实验等,样机做风洞试验,是为了测量物体与空气相对运动所受到的阻力。

 

新型飞机上天前为什么要进行风洞试验

 

弄清楚飞机的动力学性能,才能完成一架飞机的设计。如果一架根据理论设计的样机直接飞上天空,危险性很大,需要进行反复测试。

从莱特兄弟开始,在飞机上天之前尽量弄清其性能,就充分利用风洞进行地面测试。风洞是一种产生人造气流的管道,专门用来研究物体在气流中,产生的气动效应以及进行耐热抗压实验等。第一个世界上公认的风洞,是英国人韦纳姆在1871年建成的,设计的目的为了测量物体与空气相对运动所受到的阻力。1901年,为了得到正确的飞行资料,莱特兄弟也利用风洞进行了200多个机翼模型的测试。他们根据模型测试的结果,不仅建成了当时最大的双翼滑翔机,而且发明了世界上第一架带动力的飞机在1903年。风洞试验把飞机、机翼或模型固定在管道中,与试飞时飞机在空气中运动正好相反,用风扇、高压存贮气体释放等手段产生人造气流,通过准确地控制气流的压力、温度、速度等实验条件。可以高效地模拟飞机在飞行状态下的空气动力学特征。此后,飞行器研发中不可或缺的环节就是进行风洞试验。风洞种类按气流速度分多种多样,可分为跨声速、超声速、亚声速、高超声速等类型;在直径尺寸上,大到可容纳整架飞机,小到几厘米。

风洞试验毕竟只是一种模拟实验,并不是完美的,如气流会受到边界、模型支架的干扰,有局限性。因此,通过风洞试验的飞机还必须到真实环境中进行反复测试和验证。风洞中的气体参数不能完全替代真实情况等。

 

飞机模型进行风洞试验

 

工程师为什么要把好好的飞机弄坏

 

为了验证飞机结构的强度,工程师们在飞机刚诞生的时期,常把一些沙袋放到飞机上加力,以了解飞机在什么负载下会发生破坏。这称为地面静力试验。如今的试验使用液压作动器进行加力,已经不再使用沙袋,直到飞机破坏,由计算机控制精确地实现自动加载和数据采集。飞机结构破坏时通常是使用载荷的1.5倍,载荷称为极限载荷。验证飞机的使用载荷可以通过这个实验知道是否符合设计要求。

其实,从很小的零件在飞机研制过程中,到机翼这样的大型部件都要进行结构试验。保证飞机在所能遇到的最大载荷(使用载荷)的作用下,要求飞机零件的设计,不会发生永久的变形。这些零件虽然在飞机设计过程中,已经过很严格的计算,但最终还是验证计算的准确性,要通过地面静力试验。还要进行疲劳试验,疲劳试验的载荷要小得多。试验方向反复变化,载荷大小,以检验飞机及其部件的抗疲劳能力。疲劳试验为了解飞机的使用寿命,最终也会将飞机结构破坏。

为了让飞机的设计更合理、更可靠,工程师破坏飞机的目的,保证在实际飞行中更安全。正因为飞机以这么多的破坏为代价,才成为相对来说比较安全的交通工具,除人为或意外之外。

 

C919飞机全机静力试验

 

试飞员为什么要故意制造“事故”

 

一种新飞机诞生后,首先要进行非常多项目的试飞。考查飞机的操纵性是其中一项。操纵性也称飞机操纵品质,指的是飞机对飞行员所做的控大动作的反应程度。

对控制的反应飞机不能过于敏感。在很小的操纵力下,过于敏感的飞机就会发生很大的反应,难于精确控制,反应量过大,如果产生失速或结构损坏等问题就比较容易。过于迟钝的反映飞机也不宜。飞机过于迟钝,容易使飞行员产生错误判断,在很大的操纵力下反应还是很小,也可能造成飞机的大幅度振荡运动,会导致结构破坏或失速。如果飞机不需要飞行员进行复杂的操纵,在作机动飞行时,位移和驾驶杆的力都适当,飞机的反应不过慢,也不过快,该飞机就具有良好的操纵性。试飞员为了验证飞机的操纵性,常常需要做一些非常规的动作,甚至是一些“事故”。比如:尾旋、失速、急转弯等会使试飞员处于危险的境地,正常飞行时不太遇到的动作。

这就需要试飞员有过硬的心理素质,良好的身体素质,还要具备相当的分析能力和理论基础,能够做出科学理性的判断对空中出现的情况,以便制造人员更好地改进、设计飞机。

 

试验试飞后安全返航

 

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作者: 科学原理一点通   [责任编辑: 吕芮光]