鄭玉麟

什么叫做實驗空氣動力學？它的發(fā)展情況怎樣？

空氣動力學是非固體力學里面的一部分，是研究氣體的運動、以及氣體和在氣體中運動的固體之間相互作用的一門科學。它也和其他任何一門自然科學一樣，同時向著理論和實驗兩個方向發(fā)展。

當一架飛機在空氣中飛行時，飛機上會產(chǎn)生空氣阻力。飛機需要克服這個阻力，才能繼續(xù)飛行。這種飛機和空氣相互運動時所產(chǎn)生的阻力的大小和方向，決定于圍繞飛機的全部空氣流型。如果要用理論方法得到準確的解答是有很大困難的。所以，為了求得這類空氣動力的大小和方向，常常利用實驗空氣動力學的方法。

理論空氣動力學，基本上是應用數(shù)學和應用力學。力求深入研究現(xiàn)象的本質(zhì)，深入現(xiàn)象的內(nèi)在規(guī)律性，以及深入現(xiàn)象發(fā)展的原因。為了便于在數(shù)學上進行分析研究，它就只研究包含實際現(xiàn)象的主要方面的簡化了的物理形態(tài)。而實驗空氣動力學則是研究這個復雜現(xiàn)象本身所具有的物理特性。

在過去幾十年中，世界各國的空氣動力學家們，應用理論研究的方法已經(jīng)得出很多寶貴的結(jié)論，如機翼升力理論，附面層理論等，對航空工程起著很大的推動作用；但在實際問題中，還有很多復雜現(xiàn)象，如飛機各部分相互干擾，跨音速流動等，即使經(jīng)過簡化后，還不一定能夠加以理論分析，或則所得的一些理論結(jié)果與實際相差太遠，不合實用。于是必須依靠很多實驗結(jié)果來解決實際問題。

實驗空氣動力學發(fā)展以來，雖然時間不長，但已達到相當完善的程度。進行實驗的方法有許多種：或是氣流流過不動的物體，如利用自然風及風洞等；或是物體在不動的媒質(zhì)中運動，如自由落體法，空氣動力車及旋臂機等。這些實驗方法，除了風洞以外，都是簡陋或極不完善的。它們曾被用于實驗空氣動力學發(fā)展的初期。

世界上第一個風洞出現(xiàn)于上世紀的九十年代(1897年)，是由蘇聯(lián)偉大科學家喬爾可夫斯基建立的。1902年儒考夫斯基在莫斯科大學又建成了一個具有75×75厘米正方形剖面的風洞，獲得每秒9公尺的流速。接著就開始了廣泛系統(tǒng)的空氣動力學研究。以后，在儒考夫斯基的領導下，庫奇諾氣動力研究院，莫斯科大學和莫斯科高等技術學校等都先后建成很多相當大的和完善的風洞。偉大的十月社會主義革命后，蘇聯(lián)共產(chǎn)黨和蘇維埃政府在開展空氣動力學研究方面，給了最大的關懷和支持，撥了巨大的資金，于1918年建立了中央流體動力研究院，它擁有世界上頭等的實驗室和完善的風洞。四十年來，風洞已成為空氣動力學實驗研究的不可缺少的重要工具。

風洞在航空工業(yè)的發(fā)展上有什么作用

風洞設備應用的范圍很廣，可以根據(jù)風洞實驗，來選擇阻力最小的火車、汽車等交通工具的外形；來改進工廠廠房的通風設備；來改進氣動機械裝備的效能。當然，最重要的在于促進航空科學和工業(yè)的發(fā)展。

風洞實驗證明，空氣作用于飛機的空氣動力與空氣密度、飛機迎面氣流速度的平方、飛機的幾何尺寸，外形以及它在氣流中的姿態(tài)有關。在定態(tài)平飛時，升力Y平衡了飛機的重量G，而迎面阻力Q則為拉力P所平衡(見圖1)。

圖1定態(tài)平飛

由于迎面阻力與速度的平方成比例；同時水平飛行所需用的功率則與速度的立方成比例。可見飛機空氣動力方面的改善，在提高飛機飛行速度方面所起作用的巨大。

我們來比較一下，飛機發(fā)動機功率隨其飛行速度而增高的情況：

年代功率(馬力)速度(公里/小時)1920～1927250～400180～2401938～1941800～1200 600～7001942－19482500～3000900～10001949－19565000～90001200～1800

比較1927和1956，最大飛行速度增加約十倍。如果只靠提高功率來求得速度的增長，那就必須把功率增加到1000倍。事實上，發(fā)動機功率只增加了幾十倍。十分明顯，這主要的是由于飛機的空氣動力外形的改善。飛機空氣動力外形的改善，正是由于龐大的空氣動力研究院和風洞實驗室迅速發(fā)展的結(jié)果。

譬如我們設計一架飛機，在進行總體安排時，必須做好空氣動力布局工作。根據(jù)所選的機翼、機身、尾翼等氣動特性數(shù)據(jù)，進行氣動計算和結(jié)構(gòu)強度計算。也就是必須知道：飛機在飛行中要受到那些空氣動力和力矩作用，以及這些力是怎樣沿著飛機各部的表面分布的。這些氣動特性數(shù)據(jù)主要都需要根據(jù)風洞實驗的結(jié)果。同時也需要根據(jù)初步設計的飛機幾何形狀做好模型，進行風洞實驗，來驗證已估計的氣動性能與穩(wěn)定性等數(shù)值。對于飛機設計的結(jié)構(gòu)強度計算，必須根據(jù)飛機各部分的壓力分布與氣動載荷等數(shù)據(jù)來進行設計的計算，這些壓力分布與氣動載荷等數(shù)據(jù)的求得，主要也是依靠風洞實驗。所以，進行一架新型飛機的設計與計算工作，必須有風洞實驗的數(shù)據(jù)；或者進行模型風洞實驗。特別是當新機設計中發(fā)生必須研究及解決的問題，往往需要進行風洞實驗求出氣動數(shù)據(jù)來分析研究，作為改進飛機設計的根據(jù)。所以風洞對于航空工業(yè)生產(chǎn)及航空科學研究發(fā)展，都起著極其重要的作用。

(未完待續(xù))