空天动力科学技术 2026年2月25日 19:28 北京 3人
现代航空航天飞行器的迅速发展，出现许多新的更加复杂的空气动力学问题，随着飞行器的更新换代和飞行性能的大幅提高，风洞特种试验的作用日显突出，型号研制中的风洞特种试验在风洞试验中所占的比重越来越大。一方面，需要通过精细的风洞试验，获取各种复杂飞行条件下的具有足够精准度和可信度的气动数据，并对复杂的流动机理和流场结构有透彻的了解；另一方面，由于先进飞行器风洞特种试验项目多，技术复杂，试验周期长，试验成本急剧增加，成为风洞特种试验必须考虑的实际问题。因此，对包括风洞特种试验在内的整个风洞试验提出了更高的要求和新的挑战，并推动风洞试验技术不断发展。
(1)继续提高风洞试验的模拟能力
提高风洞试验模拟能力的目的，是使风洞试验模型的绕流流场尽可能接近真实飞行的情况，从而使风洞试验的数据能代表飞行器真实飞行的结果。提高风洞试验模拟能力，是发展特种试验技术最基本的条件保证。
衡量风洞特种试验模拟能力的主要参数是风洞试验雷诺数和试验模型尺度。风洞试验雷诺数不足，将使与空气黏性有关的物理量和流动现象，如阻力、最大升力、边界层转捩、激波/边界层干扰、喷流干扰、底部流动、大迎角流动、进气道的内流等风洞试验数据偏离实际飞行情况。高性能航空航天飞行器都采用先进的气动布局和气动措施，几何外形与结构十分复杂，飞行姿态变化范围大，涉及高度的非线性、非定常气动问题，气动外形和气动特性的微小变化，都可能对飞行器的飞行性能产生较大影响。因此，为了能够准确模拟飞行器几何外形乃至结构的细节，获得可靠的试验数据，应使风洞试验模型尺寸足够大。
解决上述问题，提高风洞试验模拟能力，最根本的办法是建设大型和高雷诺数风洞。多年来，国内外在大型风洞、增压风洞、低温风洞设备的使用、建设和改造上始终不遗余力，发展的热潮长久不衰。
(2)风洞试验与计算机相结合，实现风洞试验与计算机一体化
20世纪80年代以来，风洞试验完全进入了计算机时代，计算机技术融入了风洞试验的全过程，对风洞试验技术的发展起到巨大的推动作用，使风洞试验发生了革命性的变化：风洞控制与测量系统用计算机统一管理，风洞机构、试验装置和气流参数的实时控制与监测，风洞试验数据的实时测量、采集与分析处理等，全部实现自动化；计算机人工智能技术在风洞试验管理中的应用成为风洞试验技术发展的新热点，通过计算机对风洞试验知识、经验进行集成，使其对风洞试验中可能遇到的问题具有判断、推理的能力，从而建立风洞试验咨询和人员培训、试验过程监控和故障诊断、风洞设备维修管理、试验数据库管理与资源调度等智能系统。
计算机技术不仅大大提高了风洞试验效率和试验数据的可靠性，降低了试验成本，而且拓宽了风洞试验的内容，许多以前无法进行的特种试验，例如，外挂物捕获轨迹试验、主动流动控制试验、自适应可变体飞行器气动试验、风洞虚拟飞行试验，以及其他一些动态气动力试验等，在计算机的“帮助”下得以实现。
风洞试验进一步与计算机相结合，实现风洞试验与计算机一体化有着极大的发展潜力。
(3)风洞试验与数值模拟相结合
随着计算空气动力学的迅速发展，风洞试验与气动数值模拟相结合成为大有前途的发展方，可以衍生出多姿多采的理念、方法和手段，起到事半功倍的效果。例如：
①优化风洞试验。用数值模拟方法，对飞行器诸多气动设计方案和外形参数，以及风洞试验方案等进行筛选，给出优化的气动设计方案和参数范围、优化的风洞试验计划，可大大减少风洞试验工作量，尽快地得到理想的气动设计方案和所需风洞试验数据。
②风洞试验中，用数值方法对洞壁干扰、支架干扰、模型弹性变形、流场不均匀性等，以及试验数据进行实时修正，并与数值模拟预测数据进行比较和综合分析，最后给出符合真实飞行情况的风洞试验结果，可显著提高风洞试验效率和数据的可靠性。
③风洞试验与数值模拟风洞仿真系统相结合。用数值方法求解风洞吹风试验的真实过程，给出吹风试验的数值模拟结果和试验中的模型绕流流场画面，像风洞一样，建立起各种试验参数配套、能观察到风洞气流流动情况的数值模拟风洞仿真系统。将风洞试验与数值模拟风洞仿真试验的结果进行对比、分析，既有助于解决数值模拟计算建模和流动机理问题，也可弥补风洞试验模拟能力的某些不足，解决气动问题的能力、范围和质量都会大大增强。
(4)可视化技术在风洞试验的测量中广泛采用
现代先进飞行器绕流流场十分复杂，伴随着复杂的空间涡系、涡结构、涡运动、流动分离和流动干扰。在风洞中，应用流动显示技术，在对流场无干扰的情况下，将这些肉眼看不见的复杂乃至微观的流动现象，变为可视的流动图像或动画，生动、直观地展现在人们面前，不仅能定性地观察到流场情况，而且能定量地给出流场压力、速度、密度、温度等特性，对认识流动现象的本质和流动机理，掌握和解决飞行器设计中的空气动力学问题，进行飞行器气动布局研究，激发空气动力学新思想、新概念的产生具有重要作用。
近年来，实时、定量、三维空间、高分辨率、非定常流动显示技术取得突破性进展，适应不同使用要求、速度范围和流动特点的显示方法层出不穷，有条件使风洞试验完全成为“可视”的过程。
(5)实现风洞试验的综合化
先进的风洞流场显示、光学测量、微机电技术，以及高精度天平、微型传感器等测试技术的发展和普遍应用，为风洞多种试验项目的综合化实施奠定了基础：一次风洞吹风试验中，不同目标的试验项目同时进行，获得更多的试验数据和结果；模型的测力、测压试验与流场显示同步进行，直接建立起气动特性与流动现象之间的联系。这些均可有效地节省吹风时间，提高风洞试验效率和质量。风洞试验的多目标综合化，必将逐步取代传统的单一目标的风洞试验方法。
(6)新的风洞试验技术不断涌现
由于风洞试验模拟能力的提高，以及通信技术、自动化技术、微电子技术、光电技术、计算机技术、人工智能技术等现代信息技术日新月异的发展，特别是先进飞行器发展的需要，为风洞特种试验技术提供了广阔的发展空间。近年来，主动流动控制技术及其在增升减阻、喷流转向、大迎角、进气道、气动噪声、边界层控制等方面应用的风洞试验研究，以及等离子体减阻、自适应机翼和智能飞行器、小雷诺数飞行器、非定常仿生空气动力学、微机电系统(MEMS)应用等有关风洞试验研究正在兴起。这些试验，在风洞设备、试验方法和测试技术等方面均有更加独特的要求，目前，有的试验技术已取得突破性进展，日臻成熟。伴随飞行器的发展，它们必将成为风洞特种试验技术家族中的新成员。