奧運(yùn)背后的航天科技 -航天風(fēng)洞

每當(dāng)夏季奧運(yùn)會(huì)或冬季奧運(yùn)會(huì)開(kāi)幕時(shí)，全世界的目光都會(huì)聚焦于那些在賽場(chǎng)上拼搏的運(yùn)動(dòng)員們。他們身姿矯健，在賽道上飛馳，在泳池中暢游，在空中翻騰……然而，除了運(yùn)動(dòng)員自身的努力和教練團(tuán)隊(duì)的支持外，還有一項(xiàng)鮮為人知的技術(shù)在背后默默地發(fā)揮作用——那就是航天風(fēng)洞技術(shù)。

“風(fēng)洞”是一種根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理制成的管道形狀的試驗(yàn)設(shè)備，主要由洞體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)量控制系統(tǒng)組成。風(fēng)洞試驗(yàn)通常通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)生成氣流，而測(cè)控系統(tǒng)則負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)與控制這些氣流，使得流經(jīng)風(fēng)洞試驗(yàn)段的物體能夠模擬并重現(xiàn)真實(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)環(huán)境。這樣可以測(cè)量相關(guān)數(shù)據(jù)，并據(jù)此研究物體在大氣條件下的運(yùn)動(dòng)特性。

航空航天器設(shè)計(jì)的革新者

起初，風(fēng)洞技術(shù)主要用于航空航天領(lǐng)域。在飛行器的研發(fā)過(guò)程中，大量的模擬飛行試驗(yàn)是必不可少的環(huán)節(jié)，然而實(shí)際的飛行測(cè)試既不經(jīng)濟(jì)也未必可行。因此，風(fēng)洞作為地面測(cè)試的解決方案應(yīng)運(yùn)而生，它能夠在地面上提供一個(gè)模擬“飛行天空”的環(huán)境。在設(shè)計(jì)飛機(jī)、火箭時(shí)，工程師們會(huì)將模型放入風(fēng)洞中，通過(guò)改變氣流速度、角度等參數(shù)來(lái)觀察模型受到的氣動(dòng)效應(yīng)，以此來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保飛行器能夠更加穩(wěn)定地飛行。每一架先進(jìn)的飛行器在風(fēng)洞中經(jīng)歷數(shù)千乃至上萬(wàn)次的試驗(yàn)研究后，才能最終升空。

風(fēng)洞是推動(dòng)航空航天飛行器發(fā)展的國(guó)家重器，每一代風(fēng)洞技術(shù)都決定了相應(yīng)飛行器的研制水平，彰顯了一個(gè)國(guó)家的科研實(shí)力。

JF-12和JF-22兩臺(tái)超高速激波風(fēng)洞

2012年，我國(guó)成功研制了JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞，其總長(zhǎng)度達(dá)到265米，成為了當(dāng)時(shí)國(guó)際上規(guī)模最大、整體性能最為先進(jìn)的激波風(fēng)洞。2023年，JF-22超高速風(fēng)洞順利通過(guò)驗(yàn)收，該風(fēng)洞全長(zhǎng)167米，能夠模擬40至90公里高空的環(huán)境，最高可達(dá)到每秒10公里的速度。這兩個(gè)風(fēng)洞設(shè)施使我國(guó)成為唯一能夠在高超聲速領(lǐng)域內(nèi)全面覆蓋所有“飛行走廊”實(shí)驗(yàn)需求的國(guó)家。借助這些激波風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，我國(guó)將致力于滑翔式飛行器、天地往返飛行器以及多級(jí)入軌飛行器的研究，推動(dòng)我國(guó)航空航天事業(yè)穩(wěn)步向前。

從天空到地面：航天風(fēng)洞技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展

時(shí)至今日，風(fēng)洞不僅演化出多種多樣不同的形式，其應(yīng)用范圍也日益廣泛，特別是體育科學(xué)領(lǐng)域。在體育比賽中，運(yùn)動(dòng)員與空氣之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生風(fēng)，進(jìn)而形成阻力，減小這種阻力有助于提高運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)。而運(yùn)動(dòng)員在真實(shí)場(chǎng)地進(jìn)行訓(xùn)練面臨諸多挑戰(zhàn)，以跳臺(tái)滑雪為例，運(yùn)動(dòng)員每次前往跳臺(tái)就需要花費(fèi)十幾到二十分鐘的時(shí)間，還需等待適宜的風(fēng)向，遇到天氣變化，則需要在跳臺(tái)上長(zhǎng)時(shí)間等待，甚至臨時(shí)取消訓(xùn)練。即使天氣條件理想，一位運(yùn)動(dòng)員一天也只能進(jìn)行10到15次跳躍，每次飛行時(shí)間僅為幾秒鐘。因此，運(yùn)動(dòng)員利用航天風(fēng)洞來(lái)克服天氣限制和受傷風(fēng)險(xiǎn)以強(qiáng)化訓(xùn)練效果變得越來(lái)越普遍。

“訓(xùn)練神器”：精進(jìn)動(dòng)作表現(xiàn)

風(fēng)洞輔助訓(xùn)練系統(tǒng)

通過(guò)風(fēng)洞產(chǎn)生的氣流，可以模擬運(yùn)動(dòng)員的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度，此時(shí)使用傳感器能夠精確測(cè)量運(yùn)動(dòng)員在不同動(dòng)作姿態(tài)下的空氣阻力變化。哪怕運(yùn)動(dòng)員只是輕微地調(diào)整身體角度或手部位置，這些變化引起的阻力差異也會(huì)被記錄下來(lái)，并在電子顯示屏上呈現(xiàn)出來(lái)。借助這些數(shù)據(jù)，運(yùn)動(dòng)員和教練可以識(shí)別出哪些姿勢(shì)具有更低的風(fēng)阻效果。確定了最佳姿勢(shì)之后，運(yùn)動(dòng)員們就可以通過(guò)重復(fù)訓(xùn)練來(lái)鞏固這種姿態(tài)，從而形成穩(wěn)定的肌肉記憶。除用于訓(xùn)練外，風(fēng)洞還可測(cè)試運(yùn)動(dòng)服裝、設(shè)備器材的風(fēng)阻特性，幫助改進(jìn)裝備設(shè)計(jì)。

綜合風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室示意圖

目前，我國(guó)已建設(shè)了一座用于體育綜合訓(xùn)練的開(kāi)口回流式（帶駐室）風(fēng)洞，其最大風(fēng)速可達(dá)42米/秒，相當(dāng)于14級(jí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度。這座風(fēng)洞能夠涵蓋冰雪運(yùn)動(dòng)所需的全部風(fēng)速區(qū)間，滿足如滑雪、滑冰、雪橇等多項(xiàng)冰雪運(yùn)動(dòng)的模擬需求，幫助我國(guó)體育健兒在多項(xiàng)國(guó)際賽事上摘金奪銀。

從航天器的設(shè)計(jì)到運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的提升，風(fēng)洞技術(shù)正以其獨(dú)特的方式影響著我們的世界。未來(lái)，隨著更多先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展融合，風(fēng)洞技術(shù)必將展現(xiàn)出更加廣闊的應(yīng)用前景，繼續(xù)在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱。

部分信息來(lái)源于人民網(wǎng)、新華網(wǎng)、央視新聞客戶端等

（科學(xué)性審核：周炳紅，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心研究員）

責(zé)任編輯：王磊