【45】-风洞：给空气“做一个模型”

如果你曾经去过航空博物馆，或者看过一些关于飞行的读物，你或许已经知道，人们在设计和制造新飞机的时候，常常要经过一个叫做“风洞试验”的关键环节。如果飞机设计得不合理或者不够完美，往往在这时候就会现出原形，而不至于等到真的把飞机造出来了，才发现有问题。有这样本领的风洞究竟是何方神圣？它为什么能帮助飞机设计师查错呢？风洞在我们对大气的研究上又有什么作用呢？今天，科学队长就来带你认识一下风洞和它的多种用途。

大炮。

图片来源：Pixabay，Public Domain

早在200多年前，英国的炮兵想要知道，一枚炮弹从离开炮口算起，到坠落地面为止，它在飞行过程中受到的空气阻力是怎么变化的。于是，有人制造了一种类似于游乐园旋转飞机的装置，放在不透风的房子里，然后将炮弹固定在旋臂的顶端。研究人员转动这种装置，根据旋转的速度和施加在装置上的力道，就可以推算出炮弹受到的空气阻力。

莱特兄弟（上）和他们制造的飞机（下）

图片来源：Wikipedia Commons，Public Domain

1901年，美国的莱特兄弟在家乡建造了一座风洞，在两年的时间里，在风洞中研究各种各样的飞机机翼的形状，并得到了当时技术条件下最完美的机翼，这才有了1903年成功起飞的“旅行者一号”飞机。

风洞。

图片来源：Pixabay，Public Domain

在风洞中，通过人工制造出一股吹过物体的风，而且让风的速度保持稳定，就可以模拟物体的运动，继而测出它所经受的空气阻力了。

风洞工作示意图。

图片来源：Tomia and Liftarn – Wikipedia Commons，CCBY-2.5

风洞是一种特殊的实验室，在称为“洞体”的一段密闭的管道里，制造出气流或者说“风”，这个“风”吹起来的速度和方向，都是人们事先设定好的。

风洞中的气流。

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通过特定的技术，人们甚至可以直接观察到风洞中流过物体表面的气流是什么样子的。

风洞中的飞行器测试。

图片来源：Wikipedia Commons，Public Domain

到现在，100多年过去，通过风洞试验来优化飞机细节的案例已经非常多了。今天，我们已经能够建造很大很大的风洞，足以容纳一些大型的飞机；有的风洞甚至可以模拟出数倍于声速的狂风，用来测试一些特殊的飞机。

航天飞机。

图片来源：Pixabay，Public Domain

美国在研究航天飞机的时候，就曾经做了大约10万个小时的风洞试验，反复打磨航天飞机的细节。正是这样，我们人类才可以试验和制造出各种各样的飞机、航天器，在看似平和、实则危机四伏的地球大气中安然无恙的飞行。

城市建筑。

图片来源：Pixabay，Public Domain

在大城市里，有了越来越多拔地而起的高楼，有些楼附近会是“风口”，风特别大，而有些楼附近则是死角，风再大也很难吹得到，如果大量高层建筑挡住了城市的“风道”，就可能会让城里的空气更加污浊，这就需要在高层建筑开土动工之前，建造出城市的模型并且进行风洞试验，搞清这个建筑可能带给环境的影响。

沙尘暴。

图片来源：Pixabay，Public Domain

扬尘、沙尘天气是由于地表的尘土和沙土被风吹起来后而形成的，科学家如果想要知道怎样的天气可能会导致尘土飞扬，就可以通过风洞实验室来模拟沙尘吹起的过程，从而减少了很多耗时又耗力的野外工作。

奥运火炬。

图片来源：Pixabay，Public Domain

每一届奥运会之前，都会有传递圣火的环节。但圣火在传递中熄灭，总不是一件好事。所以，奥运火炬其实是一种有很高科技含量的装置，因为它需要确保圣火在绝大多数极端天气里不至于熄灭。为了做到这一点，火炬在设计阶段就需要接受风洞试验，模拟它在狂风中的工作状态，检验防风设计是不是足够可靠。

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