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?

所谓风洞其实就是通过一个管道往飞行器表面吹拂气流,模拟其在快速飞行过程中所受到气流影响以及姿态变化。除此之外,风洞还必须通过高精密的观测仪器,全程记录整个过程和所有数据,由于其外形活像一个吹风的洞,因此也就得名为风洞。目前不管是战斗机、运输机、导弹、火箭,甚至是和谐号高速列车和小汽车都需要通过风洞的试验来检验其机体结构和气动布局。能不能设计出优秀的飞机,很大一部分原因取决于你是否拥有合格的风洞。

风洞当然也是分等级的,主要有亚音速风洞、跨音速风洞、超音速风洞、高超音速风洞这四种。一般来说,风速越快,建造难度就越高,一架合格的战斗机需要通过亚音速、跨音速、超音速至少三种风洞的吹拂才能得到全环境下的各种数据。所以建造风洞一般都是成组配套的风洞群,这就造成了投资金额的直线上升。

建造一个小型亚音速风洞的价格都是以千万计算,而超音速风洞的价格就是以亿为单价了。欧洲各国经济实力都不错,但是体量太小,所以也只能将风洞分散在法国、德国、西班牙、意大利多个国家,你建一个、我建一个,这就能降低成本了,只不过要进行实验的时候就得挪来挪去,相当麻烦。欧洲目前玩不了五代机,和没有合格的超音速风洞也有很大关系。

▲风洞群

全世界目前能够建造超音速风洞的只有五常、日本、德国等不到十个国家,而能要高超音速风洞的只剩下中美俄这三个国家了。印度造不了合格风洞,光辉战机难产了三十年,目前还没有成型,日本造不了高超音速风洞,所谓的高超音速导弹也只能停留在PPT状态,始终无法成型。

▲日本的PPT版高超音速导弹

全世界规格最高的风洞为美国在加利福尼亚的LENS-X超音速风洞,其模拟风速超过25马赫,这也让美国得以在21世纪初就制造除了速度达到6.8马赫的X-43A型高超音速飞行器。而俄罗斯在西伯利亚也拥有AT-303这样的20马赫以上的风洞群,因此俄罗斯才能制造出诸如先锋导弹、皓石导弹、匕首导弹这样领先世界的高超音速导弹。
▲X43A

而全世界目前最先进的风洞为我国在四川绵阳建设的JF12高超音速风洞,虽然这个风洞的最高风速只能达到约9马赫,但是其采用了我国独创的反向轰爆激波驱动模式,试验时间高达100毫秒,喷管直径2.5米,均明显高过西方产品,而我们即将建设成功的JF22风洞,最高风速达到30马赫,全指标超越美国LENS-X风洞,真正是世界风洞之王。东风17之所以成功,与我国目前拥有世界最庞大的高超音速风洞群有着莫大的关系。

大型风洞之所以难建,除了投资巨大之外,技术含量高也是一道难以逾越的天堑。低速风洞一般采用风扇制造气流,而超音速风洞则必须利用压气机压缩空气,然后从狭小的喷管中喷出,从而加速气流运动。由于气压高,并且还要模拟高音速飞行下2500℃以上的高温,所以喷管必须采用耐高温、韧性好的无缝合金钢管制造而成,由于钢管内部还要加装各类设备,因此制造喷管还必须掌握深孔加工技术,而这是制造大口径火炮身管的必备工艺,技术含量相当高。

其次制造出了风洞,还得需要配套的观测和记录设备,这其中就包括了毫秒级超速摄影机、姿态传感器、高精度压力记录仪等多种高新技术设备,而这些设备往往都是国外禁止出口的军用级产品,除了自己开发,别无他法。所以想要制造出一个堪用的高速风洞,没有整个国家完整的工业体系配套,没有强大的工业制造能力,是想也不要去想的,乖乖花高价求着别人给自己用,别人都不一定会给!

这个问题老梁来回答。

风洞?俺头一次见到这俩字的时候,还闹出过笑话,以为就是一洞,搁一台电风扇使劲搁里头吹风,当然原理理解的是没有错,但打心眼里认为就这技术应该没啥吧!

后来才知道这货的技术含量很高的,而且一个最简单的风洞,您不投个几千万,连风都吹不出来,更加别说造个洞了,所以没几个国家能造出来。

举个最简单的例子,咱要是弄一个娱乐型而且还是那种最简单的小风洞,咋也的一百万。

咱说的风洞,那可是吹战斗机,轰炸机,兴许还得吹个导弹啥的地,甚至咱的高铁和地上跑的小汽车这都能吹,您就感觉吧,就这花费能少得了吗?

而且您单独造一个风洞也没用,这玩意的配套设施就够吓人。这就和航母一样,您以为有艘航母就完事了,航母压根就没啥战斗力,您的配舰载机,还得配护航编队,这里边什么巡洋舰,护卫舰,补给舰,甚至连潜艇您都的打俩艘过去。

这风洞最可怕的是您得配个发电站,因为风洞的风一旦吹出来,就那耗电量,能吓死个人,没个发电站搭配,根本就不行。

举个最简单的例子,咱心里想的电缆圆的,黑皮,硬邦邦的但绕个圈啥的没问题,但风洞里头的电缆,那压根就是一根脑袋一样粗的物件,这要不是有人告诉你这是电缆,你还以为就是一根放大版的钢轨,横在哪里当支撑柱子的使唤,怕了吧!

所以风洞这玩意造费钱,吹一下更费钱。

五十年代美国整了一个B52轰炸机,您知道他搁风洞里头吹了多少时间吗?一万个小时!

这还不算八十年代第一架航天飞机,您知道吹了多少时间吗?十万小时!哎呀!太吓人了!

所以一个物件准备吹的时候,那可不是一次两次就能解决问题的,而且这种动不动就上万小时的数据,您光人工看,能看的完吗?不能够啊!所以您还的配一套类似于银河一样的超级计算机。

所以风洞这就不是有钱您就能弄的起的,欧盟这够有钱的了吧,他们整的风洞,都是你国家搁一个,俺国家搁一个的,要是用起来,这就得挂号排队,吹完这个,想要吹下一个,这不得等到啥时候。

这也是为什么欧盟这块五代机始终搞不起来的原因,你连个气动布局都没整明白,还整啥下一代飞机,就算有,整个都停留在PPT上,实际操作起来,太难了。

高级风洞他们没有。

就题主说的这高超音速风洞,目前世界上就咱,美国,俄罗斯三个国家能搞定,其他国家别想了。

这是按照风速来说最快的一种,因为按照风速可以分为亚音速,跨音速,超音速和高超音速四个类别。

所以题主问的难点在哪里,头一个就是钱的问题,就这超高音速的您没个几亿大洋,想都不用想了,而且这还得搭一大堆配套设施。

在有一个,风洞这玩意,确实是一个洞加一个电风扇,但这里边技术含量那是一点都不低。

您光吹个风,那是这个类别当中最低档的,这里边还有啥低密度风洞,激波风洞,热冲风洞,电弧风洞,氮气风洞等等。

听着这名您就知道,这家伙的价格又高了一筹,而且技术含量又成倍增加。

这东西就算不用,搁那都费钱。没有需求的国家也就不指望自己拥有啥风洞了,毕竟您整一个光会吹风的也不行啊!

所以他们想吹的话,拿出来到有风洞的国家花钱吹吹就完事了,当然最后的数据啥的这就不可避免的要露了,但也只能这样了。

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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?

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。

风洞是包括飞机、导弹等在内的飞行器进行气动特征研究的场所,原理其实很简单,就是把飞行器的精准等比例模型放入一个特殊的通道中,然后在飞行器表面放入观测点和传感器,然后在风洞内部加入气流测定的仪器。在风洞的通道两边是进气口和出气口,进气口把大量气流吹入,模拟出飞行器飞行时的气流状态,从而记录出气流和飞行器接触部分的状态。

图为我国的高超音速风洞,内部有高超音速飞行器的模型,风洞可以对他们的气动特征进行研究。

风洞可以分为普通的低速风洞,以及研发飞机使用的高速风洞,甚至是研究先进战斗机的超音速风洞、研究高超音速武器的高超音速风洞等。普通的低速风洞比较常见,可以用来测试高铁、汽车的空气外形是否合理。风洞是影响现代武器装备性能的关键装备,因为风洞能够精确模拟飞行器的气动特征,让研发人员对飞行器的气动外形进行专门的调整,获得最优外形。

图为在超音速风洞中进行测试的战斗机气动模型,上图为歼8II战斗机。

但是能够对战斗机、导弹进行研究的高速风洞、超音速风洞、高超音速风洞的制造难度较大,本身研发难度并不亚于对研究飞行器的难度。他的难度首先在于材料。要让风洞内部吹出超音速的气流,甚至达到高超音速的气流,首先需要风洞的吹风喷口材料能够承受强压、高温,他的材料和战斗机涡轮风扇叶片的材料特征差不多,甚至寿命还要更长。如果材料不达标,那么喷口处的材料会因为高速气流而碎裂、融化,会造成严重的事故。

图为一般的低速风洞中的高铁模型。

其次,风洞内部要有先进的传感器设备对内部的气流场和飞行器模型的状态进行记录,包括毫秒级超速摄影机、姿态传感器、高精度压力记录仪等先进传感器,要处理这些传感器记录的大量数据,还需要超级计算机进行信息解算和动画模拟。对气流和飞行器的状态进行模拟不但需要超级计算机进行运算,还需要开发出能够进行复杂运算的专用软件,软件甚至能够详细记录飞行器表明的温度区间,这样的软件开发难度也很大。

上图为风洞中的运输机模型,下图为一个高速风洞的喷气口。

要开发先进风洞,还需要有先进的技术项目来带动。建造风洞是要使用的,如果没有先进的高超音速导弹武器或者先进的战斗机需要去研发,那么开发高超音速的风洞就无用武之地,耗费千万美元打造的设施如果扔在那里不用,岂不是一种浪费。只有国家规划的高科技飞行器研发需求进行拉动,才会推动和风洞有关的研究开展,才会不断促使风洞开发人员和研究中心拿出更好、更优秀的风洞来。

图为风洞的结构图,可见其基本的结构是一个前后贯通的通道。

因此,世界上能够掌握高超音速风洞技术的国家很少,光是材料一道关口就只剩下中美俄英法五大国能够开发,再加上超级计算机、先进软件系统、先进传感器的开发,就只剩下中美俄三大国拥有自己建造先进风洞的能力了,整个欧洲联合起来也只在法国建设了一些风洞设施,而且不算是高超音速风洞,只是高速风洞,目前拥有高超音速风洞的只有中美俄三大国。很多国家都是因为没有先进的风洞,从而影响了整个航空产业的提升,比如日本和英国等国,可见风洞技术的关键性了。

主要原因无非这几个:1、投资巨大;2、技术难点大;3、场地原因;4、产出和投入比不划算。

其实不仅仅是大型风洞,包括其他大型的复杂工程,比如航母、大飞机、载人航天等,都只有少数几个国家能建,原因都差不多。

首先,我们要了解风洞的作用。比如超音速风洞,主要就是模拟超音速设备在实际运动中的各种运动状态,从而获取实验数据,为制造设备提高支持。任何工程,都是有需求才去建设,中小国家一般没有大规模的工业规划,比如说制造各种超音速飞机,所以就没有必要花费巨大投资去建设。

再者,风洞是个一个体系,包括各种风速和各种特点的风洞,要有完整的风洞体系才能有完整的实验数据。因此,除了大国,其他国家没有必要也不一定有能力去建设这么多风洞,有需要也可以租用其他国家风洞做实验。

第三就是技术和工程建设力量,超音速和高超音速风洞对风管喷嘴材料、结构、传感器水平、风流控制等有很高的技术要求,一般非科技强国没有这个技术能力。而且建设这么大的系统工程,对国家的工程力量也是一个要求。

第四、想一想发达的中小国家,可能技术上没有问题,钱也没有问题,为什么不建设呢?这还涉及到一个占地问题,国家已经很挤了,哪里找那么多地方给你建设?这也是国土广阔的一个好处。欧洲的几大发达国家也是大家各建几种类型风洞,共享使用。

最后还有一个就是风洞的产出和投入比,如果不是产品需求较多,单一两产品就建设各种风洞,是非常不划算的。风洞实验的数据,绝大部分可能是没有用的,只有一小部分才有作用,但是由此产生的花费确实巨大。偶然有需求的中小国家,没有必要去花那么多钱去建设风洞。

希望以上的回答能够解决你的问题。



实际上,无论是核潜艇,弹道导弹,风洞,航母还是五代机研发计划,重型鱼雷研发,大型战斗舰艇,外层空间探测,三代核武器,等技术均只有少数国家可以研发,而且,这些国家高度重合,即联合国五大常任理事国+德意日两韩以伊印巴等14国

风洞是用来干嘛的?用来试验气动外形的。大因素风洞是应用范围最广,也是建造数量最多的 甚至于一些大型企业都会选择自建亚音速风洞。

亚音速的风洞可以用来验证车辆,高铁,大型建筑的气动外形,还可以用来做娱乐设施,应用领域广泛,并且相对而言投资较低,对于技术的要求较低,总体成本低。

跨音速风洞,可以验证速度较快的 一般是用于验证民用飞机,毕竟地上跑的一般跑不到这个速度。

超音速风洞,顾名思义,那就是用于验证超过一马赫速度的飞行器的气动外形的。

高超音速风洞指的是内部速度在三马赫以上的风洞。

也就是说,如果武器装备依赖外购的话1 研发风洞纯属和尚买梳子一一没事找事。

亚音速的能用来吹车,跨音速的能用来吹民用飞机,但是超音速和高超音速的,基本上就只能用来吹一吹导弹 吹一吹战斗机吹一吹高超声速飞行器之类的。但是问题是一般国家也没这个技术…..

没有需求自然就没有研发的动力,这也是为什么高超音速风洞集中在中美俄三国的原因。因为世界上只有这三个国家有高超音速飞行器研发的能力和研发的动力以及研发的实力。

没能力研发战斗机就不需要超音速风洞,没有弹道导弹和高超音速飞行器的研发需求就不需要高超音速风洞,自然也就不会耗费大量的人力物力财力去研发相关设施。

航母是如此,没有需要的国家不会研发弹射器,也不会研发舰载机。因为这东西完全是亏本买卖,对于企业而言是血亏的那种,只有国家意志,才可能推行航母计划

没有争霸或者说雄心壮志,成为地区一霸的国家没有研发核武器的需求,没有夺取全球霸权就没有研发第三代核武的需求。

没有核武器的国家,研发核潜艇没有丝毫意义,更没有理由耗费大量人力物力财力去攻克相应的科技树。

并且再观察一下 就会发现,大量内容于经济的关联性有,但是不是很强。

有关联性是因为,没钱,研发不出来。

但是不是很强是因为,单纯考虑经济因素,研发上述的所有都是血亏,如果国家战略需要不考虑这方面的话,根本没有必要研发。

对,没错说的就是日本跟韩国。

既然有钱没钱,有钱有能力没能力,如果愿意的话,调动全国潜心研发5年还真有这个能力。

但是问题就是血亏呀。反正有美国在前面扛着,他们的国防需求不是很剧烈。

风洞是研究航天航空器的重要设备,其可以通过人工的方式制造并控制气流,来模拟飞行器在飞行时的气体流动情况。风洞实验不仅在研制航空航天飞行器时有重要的作用,在工业领域也有着广泛的应用。如在车辆的空气动力学研究、房屋建筑的设计以及风能利用等方面有着广泛的的应用。风洞的种类有很多,难度也随着风洞的实验条件的提升而逐渐增大。一般来说,风洞分为亚音速、跨音速、超音速和高超音速四种,建造难度也是逐渐增大的,这主要是由于风洞的性能所决定的。

(风洞是研发航空航天飞行器的重要设备)

风洞的原理并不复杂,其是由洞体、驱动系统和测量控制系统组成的。洞体就是主要的实验部分,可为模型提供必要的实验条件和测量条件。驱动系统主要是用来产生气流的,而测量控制系统则用于各种实验数据的采集和分析。简单来说,风洞就是在洞体内利用驱动系统产生的高速气流,来模拟物体在高速条件下的状态,并对相关数据进行收集分析的装置。高超声速风洞通常是指马赫数在5马赫以上的超音速风洞,主要用于模拟导弹、人造卫星和航天飞机等模型的实验。其技术难度是风洞设备中比较高的,对于一个国家的工业能力有着比较高的要求,因而只有很少的国家有能力制造。

(风洞的原理其实并不复杂,但技术要求比较高)

高超音速风洞的制造难点主要集中在以下几个方面。首先,就是要制造出满足需求的高速气流。由于高超音速对于速度的要求比较高,采用传统的风扇产生风力显然难以满足实验条件。因此,高超音速风洞更多的是采用压气机压缩空气,再从狭小的喷管中喷出的方式,以此来达到给气流加速的目的。而且在高超音速状态下,还需要对由此产生的高温进行模拟。这就需要风洞的喷管采用耐高温韧性好的钢管制造而成,还必须做到全程无缝。这就需要很强的工业加工能力和材料技术。同时,喷管内部还要安装各类测量设备,这就需要很强的深孔加工技术,这个技术含量可是非常高的。要知道,同样是耐高温韧性好的无缝炮管,只有少数几个国家可以制造,而且风洞喷管的尺寸要远远大于炮管,这就使得风洞喷管的制造难度更高,对于工业能力的考验也更大。

(风洞需要产生符合条件的风力,对动力和喷管的要求很高)

其次,为了得到所需的数据,需要配套安装大量先进的测量仪器。如毫秒级的高速摄影机、各种姿态传感器、压力和速度传感器等精密的观测仪器。这些设备很多都是限制出口的,即使有钱都是买不到的,只能依靠自己研发,难度可想而知。这不仅需要多学科的技术力量进行支撑,更反映了一个国家在顶尖科技上的技术水平。

(风洞实验也需要大量精密的观测仪器)

此外,高超音速风动的使用和维护成本也是非常好的,没有点国力基础还真的玩不转。单单是工作时的惊人耗电量,就足够很多国家望而生畏的了。这还不算建造和平时维护的费用。那么多精密仪器和设备,其使用和维护成本自然也是非常可观的。

(风洞的使用和维护成本是比较高的)

正因如此,想要建造高超音速风洞必须要具备强大的全套工业制造和生产能力,还要在材料科学、光学、流体力学等方面拥有雄厚的技术实力,还要有足够的财力给予支撑,这对于一个国家的综合国力要求非常的高。目前也仅有中美俄等极少数国家有能力建造高超音速风洞,并展开高超音速飞行器的研究。正因为有了高超音速风洞,这些国家在高超音速飞行器的研究方面才能走在世界前列。而像欧洲则由于技术和财力问题,无力建造大型超音速风洞,只能将不同类型的风洞分散到不同国家,这就使得其研究受到了很大的限制,也增加了时间和成本。综合来看,高超音速风洞对一个国家的整体实力要求很高,因而只有极少数国家才有能力建造。

高超音速风洞是发展高超音速武器的必备设备

技术门坎太高,基础技术涉及面广,对制造业要求高,检测设备对精度要求级高,这不是一般的国家可以做的,只有制造业全面且有级高技术累积的及少数国家才能胜任这个高难度项目。

淘金客因为工作的关系,做民用项目时曾经借用过最普通的风洞,稍微有些了解。高超音速风洞的难点,首先是高超音速;其次是尺寸,尤其是全尺寸;至于说到资金倒还不是最主要的难点。其它国家不建造,主要原因还是没有需求,而且有需求也尽量想办法用样机实际去飞,一定要用风洞也尽可能去共享。相关的知识有点复杂,淘金客尽量讲简单点。

高超音速

风洞大家应该都知道,简单说就是用气流去吹静止的飞行器模型或者实物,得出相关的数据。因此可以认为,风洞吹气的速度就必须等于飞行器实际飞行时的空速。好了,高超音速是一般认为要超过5马赫,气流速度要超过1700米/秒,这问题就来了:首先,拿什么做风力来源?常规喷气发动机的尾喷口气流都达不到这么高的,因此如何把空气加速到这么高速度首先就成为难点

当然,火箭发动机的尾气、炸药爆炸的气流速度是可以达到这么高,但这些气体并不是空气!不能用来模拟。通常的做法是一吹一吸,在风洞上游用很大功率的压气机产生极高的喷气速度,风洞下游用真空(最直接的做法就是真空容器)吸气,这样才能形成足够的气流速度。不过,新问题又来了,空气在这样的环境中膨胀很快会降温,甚至变成液体,所以还要需要对空气进行加温

淘金客这里只是讲了理论上的一些,具体到怎么加速空气?怎么加温?怎么产生真空?怎么控制气流的方向和流场的均匀?吹风的时间是多长?……这里面的难度看官可以自己想像一下。

尺寸上的难点

了解一些流体力学的人,都知道一个东西叫相似理论,其中“雷诺数”是非常重要的。简单讲,就是空气有粘性,所以尺寸不同的物体在空气中运动表现出来的特性完全不一样。具体讲,你有一个空客A380的模型,哪怕是非常精确的模型,放进风洞里吹,跟真实的A380数据都差很远。再说极端一些,一个1米直径的球,和一个1厘米直径的球,在风洞里的表现是完全不一样的!因为空气的粘性使两者的“雷诺数”差很远

不太懂“雷诺数”的意思不要紧,就记住一个结论,通常做风洞实验用的模型,和原型机的尺寸之间最好不要超过1:10,还要通过各种方法尽量使雷诺数接近,否则得出的数据基本没什么价值!有人可能想,直接用数学模型来补偿“雷诺数”的差异不就行了?对不起,一来空气动力学非常复杂,基本原理都还还有存疑的地方;二来具体到飞行器本身形状又比较复杂,想简单用调整雷诺数来进行补偿是几乎不可能的。

列位看官看到这里应该明白了,风洞的尺寸也是非常重要的,高超音速风洞本来就很难,如果要把尺寸做大,大到能容纳1:10的模型,甚至是1:1的模型(全尺寸风洞,上图),还要流场均匀,那个难度又呈几何级数增长

为什么做出来的国家不多

前述的难度是首要因素。其次是其它答主提到的耗资巨大,大到什么程度呢?淘金客也不知道,但有个实例佐证:一个最简单的模型,借用一下普通的民用低速风洞——就是设计普通民用跑车时用的那种,2010年,非常给面子的友情报价的是30万,1次

另外,必要性也是个问题。因为CFD(计算流体力学)发展的速度很快普通的民用低速风洞基本被计算机模拟给取代了。所以一般国家现在建风洞的需求不大。不过高超音速这种领域还有太多未知的东西,CFD是取代不了的,必须有风洞甚至是实际飞行来采集有效数据。但一般国家这方便的需求又不大,而且如果跟中、美、俄关系足够好的话,完全可以共享设备和数据。

最后结论

综上所述,高超音速风洞技术难度大、耗资巨大,使用的饱和度也不高,一般国家由于需求不大或者可以和已有的国家共享,是不会轻易去建造的。

1-2级的微风,吹到脸上,感觉清爽,可是一旦风速高达音速(340米/秒),那就要人命了。人类如果没有防护装备,在这样的风中吹一两分钟,可能造成永久性伤害。

同样,过高的气流,也会对飞行器产生伤害,比如表面材料的撕裂、剥离、结构的损伤等。

因此,很多与气流打交道的工具、建筑等,都要经受风洞的洗礼,比如飞机、汽车、导弹、大楼、大坝、电视转播塔等。用汽车举例,家用小轿车,自身重量轻,轮胎抓地力小,如果在120公里/小时的速度下,遭遇强烈的侧风,很容易被吹翻,最常发生在高山隧道的出口处。

那么工程师在设计小汽车的时候,就必须考虑到风速的影响,据说,小汽车顶部的“鲨鱼鳍”,就是在风洞中的测试数据产生的,一般汽车的风洞实验,就是将整车开进风洞,让不同的风,全方位地吹啊吹。

(上面那个小玩意,就是某个飞行器的模型,在接受各种风的吹。)

哪怕一个细小的线条更改,也会降低风阻,提高燃油的利用率。如今,小汽车不吹吹风洞,都不可能上市的。

当然,汽车属于低速物体,飞机、火箭这样的高速运动物体,对于气动外形的讲究才是高水准的。战斗机、侦察机能够遇到的风速,也就在2-5倍音速之间,再快的好像还没发明出来。

火箭(导弹)则不然,它要摆脱地球引力,起码要20倍音速,因此,空气对火箭外形的作用力,非常可观,火箭的整流罩,以及整个箭体,都要经受住高超音速的考验。

风洞的原理很简单,就是在通道的一端,加装高功率的风扇,将通道中的气流通过暴力给吸出来或者吹进去,让通道中形成稳定的气流,对各种工程学的模型进行不同风速的吹动,看看有什么破坏作用,一旦发现问题,立即整改,再次试验。

电风扇吹进去的风,存在着杂乱的涡流,分布不均匀,需要经过多道工序的调制,比如不同角度的栅格,最后获得“理想”状态的标准气流,必要的时候,气流还能够独立开来,分成好多股,配上彩色的烟,就可以清晰地“看到”风了。

建造风洞的第一难度就是场地,需要尽可能平坦宽敞的场地,还要靠近大型电站,因为这是一个耗电巨大的工程项目群,同时,风洞会产生巨大的噪音,还可能影响局部气候,因此要远离城镇居民。

这条要求,就可以屏蔽掉世界上绝大多数国家,比如荷兰、比利时这样的小国,寻找这样的场地都十分困难。有条件的只能是国土面积比较大的国家,中、美、俄、印度等,其实澳大利亚也可以,不过澳大利亚人比较懒。

接下来就是高昂的基建费用,风洞群,相当于一座小城镇,工作人员多,机械、电子设备复杂,建设周期长。没有几百亿的投入,一两代人的奉献,是很难成功的,就这一点,能够建造大型风洞群的国家,不会超过10个了。

此外,风洞的各种测试仪器,这种仪器本身就要经历风的摧残,其灵敏度、可靠性都非常高,由于使用数量的限制,导致价格会非常高,技术层面也几乎是绝密状态。

更重要的是人才的储备,从事风洞项目研究比较枯燥,这里没有市井的繁华,没有鸟语花香,到处是噪音,人迹罕至,培养高素质的风洞检测专家,并不比培养飞行员轻松。

高超音速的风洞,模拟的环境是弹道导弹的弹头再入大气层,或者是宇宙飞船返回地球的严苛环境,这种风速吹到设备上,会产生高温,直接对表层物质进行高温淬炼,没有风洞测试,直接上天,那是会出大问题的。

想想看,这个世界上,能够自主建造载人航天飞船,并取得巨大成功的国家,能有几个?

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