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為何大型風洞只有少數幾個國家能建?

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世界上很多東西,都只有少數幾個國家能建造,要么是錢的問題,要么是技術的問題,除了風洞以外,比如說航空母艦、戰斗
為何大型風洞只有少數幾個國家能建?

世界上很多東西,都只有少數幾個國家能建造,要么是錢的問題,要么是技術的問題,除了風洞以外,比如說航空母艦、戰斗機、載人航天等等。缺錢的是玩不起,比如說俄羅斯,本來很多東西走做的不錯,但是缺錢造成人才流失斷層、反倒很多東西造不了。缺技術的是不會玩,比如說沙特,只能買買買,但是一些東西要么買了無用,要么別人不賣。風洞就是這樣,錢和技術缺一不可的存在。

下面來說說為啥就那么幾個國家能建大型風洞:

首先、什么是風洞

風洞是一種“管道狀”試驗裝備,該裝備根據運動的相對性原理,將被試驗模型固定于人為制造的氣流中,以此模擬實際運動中的各種運動狀態,獲取試驗數據。

對于風洞,其實只有大國或者立志成為大國的國家才有需求,中等國家亦或者是小國,根本沒有這種需要(只能想想)。因肇慶陽光網為風洞分為很多類型,按風俗分可以分為低速風洞、跨音速風洞、超音速風洞和高超音速風洞等,按其他類型分還有加熱風洞、結冰風洞等等,總之就是為了模擬物體的實際運動狀態和環境,獲取參數和試驗信息,達到驗證技術和分析特征的目的。(比如下圖,日本的風洞情況)

風洞是一個體系,必須擁有完整的風洞體系才行,也就是要有各種類型的風洞,說白了你就只建設一個、兩個風洞或者一種類型的風洞,根本沒用。除非你能像歐洲國家英法德意那樣,你建幾個,他建幾個,然后湊出一個完整體系?;蛘呦衩绹藝粯?,有需要,花錢拿到美國去做風洞試驗(但是這樣會造成一些機密信息的泄漏)。下圖,美國NASA AMES研究中心的風洞群:

建設風洞的成本和技術就不說了,光說運行風洞吧,這需要長年累月的風洞試驗來積累數據,這些數據可是試驗的寶庫,這些數據庫才是以后分析、模擬、對比的基礎,但是大量的模擬分析試驗工作很可能90%都是白做,真正有用的數據和試驗不到10%,這試驗成本就可想而知。(下圖,各大國風洞數量對比)

風洞體系的存在,很有可能是你建的起,用不起,沒有一個強大國家力量的支撐,根本整不轉。一個完整的風洞體系建立起來都是百億美元起步,況且大型風洞運行起來就是“用電大戶”,有些風洞專門配套了發電站和水庫,燒錢程度不可小覷。這也是為何歐洲幾個大國要聯合起來搞風洞體系,而印度一直志向不小,卻一直搞不起來的原因。

風洞用起來真的貴,單說超音速風洞,單里面的壓氣機運行一小時,就得萬把塊的電費;風洞配的噴管,一般一種尺寸的噴管只能產生特定速度的氣流,而試驗需要不同速度的氣流,所以一個風洞需要配多根噴管,例如6倍音速的噴管、6.5倍音速的噴管、7倍音速的噴管等等,一根噴管造價就幾百萬,且特別的嬌貴,可能一個硬幣大小的雜物就會損壞噴管。而風洞設施上的嬌貴設備又特別多,易損壞、難維護,一個調壓閥門壞了,修一修就好幾萬。

再來說說,風洞里面的易損件(耗材),例如上圖這個壓力傳感器,一方面要求其極其靈敏,以方便捕捉高頻信號,另一方便有要求這個傳感器盡量的小,降低對風洞流場的干擾,就上圖這個幾毫米的小傳感器,一根就得幾萬,一次風洞試驗的模型上就要裝幾十個這樣的傳感器。而這個小東西,很可能一個激波過來,就壞一片,壞了還不能修只能更換,這樣的耗材足以說明風洞設備的“貴”了吧。

再說說風洞里的照相設備,當風洞需要定量測量時,就需要跟拍粒子的示蹤粒子,就是上圖這種粒子圖,超音速狀態下,粒子位移很小,拍照間隔就要很小,一般是微秒(百萬分之一秒)量級,所以相機的照相頻率就要特別高,這樣的相機怎么也得幾十萬一臺。但是照相間隔太短,進光量又不足,又得搭建幾百萬一臺的大功率激光器,而利用激光器搭建光路時,一不留神有可能燒壞相機,這。。。。。。。我們這里所說的,也只不過是風洞建設和使用過程中的冰山一角。

因此,風洞這種裝備,又貴、技術門檻又高,可不就得只有大國強國才建得起、用得著,玩得轉么。

風洞的原理并不復雜,就是用風扇、壓縮機、高壓氣罐等設備,在試驗管道內模擬出接近真實環境的人造氣流,檢驗模型的氣動性能。但原理簡單不等于制造簡單,核潛艇、火箭的原理也很簡單。

什么東西一旦追求極致,標準就快速提高,難度也迅速加大。就像很多國家能造汽車,但法拉利、保時捷這樣的超級跑車只有少數國家能造。大型風洞就是這樣的高精尖設備。

▲美國 NASA Ames研究中心風洞群

它是一個國家航空航天工業不可缺少的關鍵設備,也在汽車、高鐵、建筑、橋梁等領域廣泛應用。

風洞模擬各種極端氣流,材料要求高,能源消耗大,種類眾多。玩一種不行,要玩就得一大堆全上。比如:

按氣流速度不同,分低速風洞(≤0.4馬赫)、亞聲速風洞(0.4~0.7馬赫)、跨聲速風洞(0.5~1.3馬赫)、超聲速風洞(1.5~4.5馬赫)、高超聲速風洞(大于5馬赫)等。

在十幾倍音速氣流吹動下,高強度鋼都被氣動加熱到融化。這正是火箭、彈道導彈、高超音速飛行器在大氣層中遇到的情況。

還有先進的“三聲速風洞”,可以在一個風洞內完成亞聲速、跨聲速、超聲速三種實驗。

高超聲速風洞,按加熱原理和用途不同,又分成:暫沖式常規高超聲速風洞、低密度風洞、激波風洞、電弧風洞、熱沖風洞、長沖風洞、氣體活塞式風洞、炮風洞等。

電弧風洞在千分之一到幾十毫秒內釋放電弧脈沖,瞬間加熱壓縮氣體產生高超聲速氣流,模擬飛行器高溫高速環境,號稱“駕馭閃電的藝術”。其電流高達成千上萬安培,都不能用電線傳輸,得用粗鋼梁才行。

激波風洞用激波壓縮氣體,迅速膨脹產生高超聲速氣流,只獲得5~25毫秒的實驗時間。低密度風洞模擬稀薄氣體環境中氣動特征,測量難度大,需要很多專用設備。

除了常規風洞,還有一大堆專用風洞。比如:

冰風洞研究飛機表面結冰現象;尾旋風洞研究飛機螺旋形成和改出方法;大氣邊界層風洞模擬氣流速度、湍流結構和溫度等等。

各種各樣的風洞涉及流體力學、固體力學、機械設計、壓力容器、熱結構工程、基礎材料等多門學科,是復雜的綜合工程。

“風洞一響,黃金萬兩”,大型風洞群建設成本很高,使用成本更高。需要高精度模型,海量電力,還有每秒運算萬億次的高速計算機。這需要強大工業體系,和大量科研人員共同努力。

中小國家沒有能力,也沒有需求。其產品單一,就一些飛行器、建筑、汽車吹吹風洞,又不搞航天、彈道導彈,用不上大型風洞群。

因此,世界上只有少數國家能建大型風洞群。我們也處于領先水平,這要感謝無數科技工作者的辛勤工作和默默貢獻!

和風漫談原創文字,歡迎關注。圖片來自網絡,個人觀點,僅供參考。

航空航天專業的同學來回答一下這個問題。

如下圖所示,就是所謂的風洞,就是用人工的方式在一個洞里面朝著要測試的設備吹出來風,來模擬這個設備運動起來與空氣之間的相互作用、測試這個設備的性能【專業術語叫做氣動性能】。一般來說,像飛機、航空發動機、導彈,甚至于汽車都需要放在風洞中來測試性能——這是設計過程中必要的一環。

而根據吹風的速度,可以分成低速風洞和高速風洞。速度最高的風洞甚至于可以吹出30倍音速的風速,來模擬航天飛機的運動情況。

比如說位于美國加利福尼亞的超音速風洞LENS-X,它是目前唯一能讓風速達到30馬赫的風洞,而目前中國最大的風洞是位于北京郊區的JF-12風洞,可以模擬十倍音速。

小的、低速風洞很容易建,但是大的、高速風洞很難建。

小的、低速風洞用風扇吹吹就可以形成低速氣流了,所以很好建,甚至于很多大學里面都有一兩個風洞【我們學校應該有三個還是四個吧】,但是大的、高速風洞可不是隨便用電扇吹吹風就行了,而是要有一系列的復雜設備來把氣流加速到那么高的速度,而且不是什么東西都需要放到這么高級的風洞里面來吹的,只有高超聲速武器、航天飛機之類的才需要這樣的高超聲速風洞【如下圖所示,是美國的高超聲速試驗器X-43A】。

所以說為什么大型的超高速風洞很少有國家建呢?有以下幾個原因:

1,對于絕大多數國家沒有必要。

實際上除了少數幾個大國之外,已經很少有國家能夠玩轉得起高超聲速飛行器了,而且國際環境也只允許少數幾個國家擁有高超聲速武器。就算不是高速風洞,普通的大型風洞也是給大型飛機、尤其是大型軍用飛機和相關設測試氣動性能用的,這些裝備也不是一般國家玩得起的。

所以說對于絕大部分國家而言,沒有必要建大型風洞。

2,技術復雜、耗能巨大、維護耗錢。

不要以為風洞就是吹吹風,技術很簡單,但是你想要建起來還真的不容易,比如說下圖的風洞,全長達到了265米,而且其中通過的可是超高速氣流,不是隨隨便便就可以建起來的。

而且你就是建起來了,還不一定能夠用得起,一些大型風洞,需要單獨的水電站來進行供電才能夠驅使這樣的風洞運轉,一開機就相當于一個幾十萬人口的城市在用電,簡直就是可怕的電老虎。

另外,風洞本身花錢還不是大頭,大頭是大量的測試設備,特別是高超聲速風洞,可能你建風洞十個億,研發、購買測試設備也得十個億,畢竟一次高超聲速風洞試驗可能就堅持幾毫秒,而且是特別惡劣的高溫、高壓、高速環境,要在這么短的時間、這么惡劣的條件下進行測量,那樣的設備可不是一般的設備。

所以說,想要建大型風洞,真的是要有需求、要有技術、要有錢,缺一不可,但是大部分國家是又沒需求、又沒技術、又沒錢,那就自然建不起來了。

近日,中國空氣動力研究院放出重磅消息,國產10倍音速超燃沖壓發動機風洞試驗獲得重大突破,在短短5毫秒,即百分之一的眨眼時間以內,氫燃料在每秒3千米的超高速度之下瞬間點火并穩定燃燒,這一過程的實現,不亞于在龍卷風當中點燃一根火柴的難度。

與對飛行器氣動構型進行吹氣的一般風洞不同的是,這次實驗所采用的風洞是專門為10倍音速超燃沖壓發動機而打造的,因而也需要承受高溫燃燒以及高速氣動所造成的影響,其技術含量乃至難度之高,無需多言。

眾所周知,人類目前對于渦輪風扇發動機的探索已經登峰造極了,那么為什么還要另辟蹊徑搞什么超燃沖壓發動機呢?其實根本原因就在于此,2到3倍音速已經是當前的技術瓶頸,再快的話,精密卻又嬌貴的發動機整體結構就會被巨大的離心力拽得分崩離析。

而超燃沖壓發動機則沒有這個問題,它能夠將燃料點燃并壓縮,最后再噴出以形成推力,整個過程就像打氣筒一般直接且粗暴,由于沒有渦輪以及葉片等構件的制約,搭載著這種發動機的飛行器,其最大速度理論上可以達到10倍音速。

在此之前,這個領域有涉獵且有突破的國家無非美國和蘇俄,其中最著名的當屬美國X43A以及X51A兩型乘波體飛行器,前者早在2004年的時候就已經達到了7倍音速,不過隨后因為燃料無法支持長時間燃燒而中止發展。

后來美國人決定降低速度,于是搞出了速度降低至5.1倍音速的X51A,雖然速度降下來了,但是卻換來了426公里的航程,這也是目前為止高超音速飛行器飛行距離最遠的記錄,但總的來看,美國和蘇俄所取得的成就都不能算作是真正的突破。

事實上,人類在追求速度的道路上所取得的成績遠遠超出了大多人的想象,動輒超過多少倍音速的新聞已經充斥了我們的腦海,想把速度放大其實對于如今的人類而言,并不是什么天大的難事,即使是最普通的火箭發動機所推動的彈道導彈在末端的速度都可以超過30倍音速了,但是這需要攜帶大量氧氣來供應燃料燃燒,無形中限制了其性能的發揮。

如果能夠利用好大氣層的氧氣,不就可以省去這一環節了嗎?于是,乘波體這種在大氣當中高速翱翔的空天飛行器成了時下的熱門研究課題,超燃沖壓發動機就是研究乘波體的必須前提,而專用的風洞則是更進一步的前提。

在未來,無論是民用還是軍用,無論是空間位移,還是第六代戰斗機乃至空天軌道轟炸機,亦或者是高超音速打擊武器,都將不可避免地采用超燃沖壓發動機技術,目前,我國和美國均在這方面已經進行了多次試驗,并積累了很多經驗,將是未來該領域的探路者。

目前,擋在人類面前的困難主要有兩點,其一,如何保證氫氣燃料與氧氣在毫秒之美瞬間融合并燃燒,注意,是穩定燃燒,超燃沖壓發動機雖然有其結構先天優勢,但物理性質畢竟是無法違背的,在超高的速度之下,任何物質的表面以及內在屬性都是不穩定的。

其二,在于如何解決燃料燃燒過快的問題,雖然美國X51A已經取得了426公里航程的記錄,但是這對于飛行器實用角度而言,很顯然仍然是遠遠不夠的,關于這個瓶頸,目前只能從飛行器本身體量以及燃料配比方面下手,未來究竟會有何發展,國產超燃沖壓發動機能否彎道超車,目前仍不得而知。

加油吧!中國!加油吧!人類!

作為包括飛機高鐵等尖端設計必須的一個重要設備,目前也只有少數幾個國家具備建造能力。目前中國和美國是世界上少有的能夠同時建成品類齊全的風洞群的國家。

首先,風洞并不是每一個國家必須的,只有那些需要設計建造諸如戰斗機、高速列車或者超級大橋這些設備的時候,才會需要風洞這種設備,從這個角度上來看,已經將大多數國家對風洞的建設行列中排除了,畢竟在目前世界上能夠進行這幾項研究的國家已經越來越少了。

第二,具備風洞建設能力的前提,就是擁有強大的資金支持和技術積累,這些又會將俄羅斯這樣的國家給最后排除,畢竟這幾年俄羅斯經濟大滑坡,因此對于風洞這些燒錢同時有很少使用的設備,最后還是出現落后。

最后,對于很多國家而言,風洞這種使用頻次低,但是又有需求,最好的辦法就是抱大腿,比如美國的盟友,如果設計需要使用風洞技術,可以向美國爸爸提出請求,但是這樣也面臨著自己的研發技術泄密的巨大風險,但是對于美國盟友而言,也基本上沒有什么秘密可言了。

提一嘴,中國最大的風洞群處在西南某地的大山當中,品類相當齊全,該風洞群是中國軍工技術進步的重要助推器之一,目前依然在發揮著巨大的作用,此外中國還擁有JF12激波風洞這種用以研發高超音速武器的尖端風洞。

因為大型風洞實在是太花錢了。僅舉幾個風洞的建設費用為例:

美國NASA艾姆斯研究中心的36米*24米低速風洞,2.22億美元。

加拿大國家航空研究院9米*9米低速風洞,2000萬美元。

法國國家航空航天研究院4.5米*3.5米低速風洞,5870萬美元。

荷蘭、德國合作DNW9.5米*9.5米低速風洞,6300萬美元。

所以,如果在航空領域沒有足夠的雄心壯志,沒有幾個國家敢于斥巨資建設這樣的大型風洞。

建設成本已經如此昂貴,運行成本同樣居高不下。艾姆斯巨型低速風洞的電機總功率為10萬千瓦,換算可得每平方米所需功率為140千瓦。而更高的跨音速風洞每平方米所需功率則達到4000千瓦,超音速風洞每平方米所需功率進一步增加到16000千瓦-40000千瓦!所以風洞試驗速度越高,試驗段面積就越小。

由于大型風洞的試驗段足夠寬敞,大尺寸模型所受的洞壁干擾很小甚至可以忽略,反過來又提高了被測參數的精度,因此,航空大國們都不吝于投入巨資建設大型風洞:1934年美國首先建成了世界上第一個可進行整機全尺寸吹風的大型風洞。到了1939年,蘇聯打破山姆的紀錄,建成了當時世界最大的T101低速風洞,試驗段尺寸為24米*14米,并長期保持這一紀錄。美國急起追趕,于1944年在NACA艾姆斯中心建成24米*12米風洞,又于冷戰中進一步擴充風洞實驗能力,終于在1982年建成36米*24米風洞,從蘇聯手中奪回了桂冠。美蘇之所以能在冷戰期間成為主宰天空的兩大霸主,這些大型風洞立下了汗馬功勞。

說到風洞,大家應該會想到成龍大哥《飛鷹計劃》中的經典場景,其中一段對打戲就是在一個風洞裝置中完成的,風力之強足以將人吹起。但是大家知道嗎?那只是一個參數很低的風洞,一些參數很高的風洞足以吹化鋼鐵,人類的血肉之軀根本無法在那種環境下生存。

風洞的原理十分簡單,一個筒狀設備,一端送風,就可以稱其為風洞。不過這樣的設備很粗糙,粗糙到沒有任何實用價值。風洞的應用十分廣泛,航空航天、建筑、汽車、高鐵、風力機等行業都對風洞有極大的依賴性。不過雖然風洞原理簡單,但要達到高標準、高要求就很難了。

至于為什么大型風洞只有少數幾個國家能夠建造,我認為主要有以下三點原因:技術難度高、投資大、沒必要。

先說第一點,風洞發展到今天,早已不是當初的樣子了?,F在的風洞需要模擬的環境太多了,速度區間從低速一直到超高音速,有的需要低密度介質來模擬外太空環境,有的需要不同溫度介質來模擬不同工作環境等等,此外,為了盡可能接近現實情況,對風速、風向、穩定性等等都有極高的要求,一些配套的設施也需要很高的技術。這些想來不難,但需要面對的技術難點實在是太多太多了,一些小國家根本不具備這些技術儲備。

再說第二點,風洞不僅僅是一個風洞,需要配套的東西很多,譬如大功率電機、大型計算機、影音設備等,一些特殊的風洞還需要對介質、洞內溫度、氣壓等等進行較大的改動,這些東西需要花費巨額資金。風洞特別是風洞群的能耗也是巨大的,或許修建一個風洞實驗室還需要配套的修建一個甚至多個發電廠,需要花多少錢不言而喻了吧。

第三點,風洞是用來研究一些高新技術設備的,而一些小國家可能根本沒有這些體系,他們一般通過購買直接獲得大國的研究成果轉化為的設備,而不會花費巨大的投入去親自研究。畢竟對于一些小國家來說這樣有點得不償失。一個很小的國家沒有必要自己研究這些,相比較花錢請其他國家幫忙,這樣的投資更大。權衡利弊,建造大型風洞是沒有必要的。

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不用說大型風洞了,我現在給噴子們腦補一下有多少武器是我國和極少國家以外,大部分國家造不出來的。常規航空母艦和核動力航母,常規潛艇和核動力潛艇,,艦載機,五代機,多功能無人機,隱形無人機,大型運輸機,遠程轟炸機,洲際彈道導彈!洲際潛射導彈。還有055,052,野牛,大型補給艦這類的大噸位艦船。中型武裝和運輸直升機。還有大口徑自行榴彈炮,坦克,裝甲車。防彈衣,頭盔,步槍,反坦克火箭炮,單兵防空武器。自行火箭炮。衛星武器,反衛星武器這類的空天武器。以上這些,除了美俄中幾乎能全造出來以外,大部分武器連英法都造不出來!

很多種原因造成了風洞大多集中在少數強國手中,有主觀原因,也有客觀原因。我總結有三個主要因素,一是技術原因素,而是需求因素,三是經濟因素。

風洞不是簡單的一個風扇,有前期的規劃,設計,理論計算,才能為先進的風洞做好技術基礎,還要有一定的基建和裝備制造能力,風洞需要開山修路,需要大功率的電機風扇,壓氣機,大量傳感器,觀測設施,以及整個體系的建立,這都是要以技術儲備為基礎的。所以小國弱國干不了這事。這是技術原因。

既然建立風洞需要做那么多的事,需要培養人才,那必定要花錢,而且不是小數目。光是基建,要開山,要修路,要建立整個實驗場地,高精尖設備的投入就是不小的花費,實驗體系建立后的設備維護,配件是損耗,必然很昂貴,一般風洞的功率都很大,電力消耗巨大,需要有配套的發電和輸變電工程來維持實驗風洞的運行,條件允許的,比如中國,要建水電站。想想就貴。

至于最后一個需求因素,有了以上兩個因素的牽絆,那就要好好考慮一下,自己有沒有能力建,有沒有必要建,風洞最初建立的目的就是服務于航空航天等國防領域,小國弱國自己根本就沒有完整的國防工業體系,要風洞又有何用?有些國家確實有需要但國力有限,它可以借用別國的風洞,或者聯合幾個有一定需求的國家共同建立。

中國必定是要屹立于世界之巔,所以風洞對中國來說是必須的重大基礎實驗裝備,舉國之力都是要建起來的,而且中國的風洞水平也是不低的。

昂貴的成本

大型風洞是吞金巨獸。僅舉幾個風洞的建設費用為例:

美國NASA艾姆斯研究中心的36米*24米低速風洞,2.22億美元;

法國國家航空航天研究院4.5米*3.5米低速風洞,5870萬美元;

荷蘭、德國合作DNW9.5米*9.5米低速風洞,6300萬美元。

不僅建設成本高昂,運行成本也是數額巨大,艾姆斯巨型低速風洞的電機總功率為10萬千瓦,換算可得每平方米所需功率為140千瓦。超音速風洞每平方米所需功率進一步增加到16000千瓦-40000千瓦!為什么風洞試驗速度越高,試驗段面積就越???因為一線城市的房價一樣,寸土寸金??!

試想,若是不是鉚足了勁在航空領域要干出一番事業,哪些國家會愿意斥巨資耗費在這個吸金獸上面呢。

人口、經濟、地域等因素交叉影響

打個比方,天波雷達,目前全世界只有中國,美國,俄羅斯有,日本韓國就做不來。是沒錢沒技術嗎?NO,領土不夠大。中國可以一個放新疆,一個放四川,一個放廣東,就可以通過內陸交叉設置,達到無盲區。日本韓國領土縱深就那么點,辦不到呀。采用多國共享數據,可行是可行,問題是麻煩,歐盟都肇慶旅游沒弄,日韓就更不要說了。

再例如造航母,那不是簡簡單單就造一條船的事,造完了要不要配套機場,艦載機?要不要培養飛行員,要不要設置護航編隊?要不要深水港口,旁邊再建造航空港?這辦下來哪一項不是需要龐大的人力物力?

大型風洞也類似,建造是一筆費用,還有投入實驗耗費大量的電力。假如你不自主研發大飛機,四代機五代機,你造大風洞意義也不大呀!

所以說綜合國力很重要,人口和國土面積都是優勢資源,俄羅斯現在人口負增長,經濟很快就要衰落到3流國家了吧,日本即使有技術有經濟實力,也犯不著去研發這個,畢竟美國爸爸的大飛機賣不出去,還得塞給日本幫忙消化呢。

標簽:懷集新聞,國家,需要

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