從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器,風洞還能干什么?

眼下,北京2022年冬季奧運會正在火熱進行中。


為了進一步促進冰雪運動的普及發展、幫助我國冬奧健兒取得佳績,航空科技再次“發威”助力:從2020年開始,航空工業空氣動力研究院為我國冬季項目“量身定制”的4座體育風洞陸續交付國家體育總局。


做中國自己的跳臺訓練風洞



2019年,航空工業氣動院院長袁立得知我國跳臺運動員每年都要專程到國外進行風洞訓練,時間成本和經濟成本都極高,他主動請纓,立志要利用氣動院的風洞建設和試驗技術,為我國跳臺滑雪國家隊打造專業的訓練風洞。

從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器,風洞還能干什么?的圖1

“空氣動力學技術在國內一直以來主要服務于軍用領域,比如先進的戰斗機都是通過風洞試驗‘吹’出來的?,F在,我們要把空氣動力學技術應用到體育科研領域。


氣動院的專業團隊將自主設計和制造跳臺滑雪專用風洞,風洞將為運動員模擬出助滑、起跳及飛行階段的風阻環境,解決跳臺滑雪項目訓練受氣候條件和體能限制的難題,大大提高訓練效率?!?/p>


幾年間,航空工業氣動院體育科技專業團隊基于航空空氣動力學技術成果,深入開展體育空氣動力學相關研究工作,結合冬季運動項目特點,先后為國家隊建設了4座體育科研訓練風洞,分別安裝于崇禮、壩上、淶源及秦皇島訓練基地。


從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器,風洞還能干什么?的圖2


從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器,風洞還能干什么?的圖3


在北京2022年冬奧會召開前夕,為了表示感謝,國家體育總局冬季運動管理中心向航空工業發來感謝信,特地感謝航空工業氣動院為跳臺滑雪國家集訓隊設計建設的跳臺滑雪專用科研訓練風洞,幫助跳臺滑雪國家集訓隊實現了新的突破;袁立也榮耀當選為冬奧會火炬傳遞手。


從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器,風洞還能干什么?的圖4


現代生活離不開風洞的“打造”



風洞原本多應用于航空航天領域,轉移應用到體育訓練上,其主要功能是為運動員提供強勁、持續的迎面氣流,使運動員能在保證安全的情況下,長時間專注訓練一些特定狀態下的動作技巧。


從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器,風洞還能干什么?的圖5跳臺滑雪的滯空過程非常短暫。對于需要不斷重復訓練的運動員來說,大量的精力與時間都被消耗在獲得恰當的運動條件上。       


在真實場地的跳臺滑雪中,運動員每次滑行、特別是空中滑躍的持續時間都非常短暫,而折返又需要很長時間,總訓練次數是有限的。因此,即便持續一整天不間斷的訓練,關鍵的滯空環節能積累下的訓練量也非常有限,而且被嚴重地分散了。而在體育風洞中,運動員就可以長時間停留在高速氣流模擬的滯空狀態下,訓練效率能夠得到極大提升。

       從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器,風洞還能干什么?的圖6       從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器,風洞還能干什么?的圖7體育運動領域應用風洞并不罕見,跳傘訓練就是已經得到廣泛應用和認可的例子。


其實,服務于跳傘、跳臺滑雪、自行車、甚至是跑步等體育訓練項目對風洞來說只能算小眾的“冷門業務”。事實上,只要你生活在現代社會,即便從來沒有接受過以上項目的專業訓練,甚至從沒有坐過飛機、收過快遞,也在時刻受益于風洞科技。


譬如,汽車的設計就非常依賴風洞科技。


當汽車行駛到60-90千米/時的速度范圍時,氣流的一系列影響就開始變得相當明顯,并且會隨著車速度的持續提高而急劇強化。它們會形成阻礙汽車前進的阻力,也會在薄弱的結構處形成振動變形并創造出噪聲,還會在凹凸不平和急劇轉折的地方形成尖銳的氣流嘯聲......

       從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器,風洞還能干什么?的圖8氣動外形設計是汽車運行中能更加省油、安靜、平穩的關鍵所在。


要克服這些問題,設計者就必須將汽車模型或者實車,長時間暴露在各種條件的氣流下進行精密的試驗分析,形成針對性的改進方案加以驗證……如此反復直至得到一個良好的結果。而風洞就是這一過程中不可缺少的關鍵設施。


譬如,在數萬次的風洞試驗后,人們就發現,汽車不一定是跑得越快,阻力系數越?。?/span>


對于普通家用汽車來說,減小阻力、減少油耗和噪聲是首要的設計需求。而對于行駛速度更高的超級跑車或方程式賽車來說,它們的空氣阻力特性反而會更高一些——因為它們要通過包括尾翼在內的車身結構,在高速行駛過程中形成強烈的負升力把汽車牢牢壓在地面上,讓輪胎和地面間形成足夠大的摩擦力,確保汽車高速急轉彎時依然能穩定行駛。

       從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器,風洞還能干什么?的圖9風洞測試中的F-1賽車模型

             

如果說超跑和方程式賽車的氣動設計和大多數人的生活還沒有直接關系的話,已經成為我國重要“名片”的高鐵的設計制造也離不開風洞試驗。


高鐵的行駛速度通常在250-350千米/時,這個速度實際上已經和絕大多數飛機的起飛速度相當,如果外形上設計不當,僅僅是氣流的作用力,就足以使列車傾覆出軌。       

       從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器,風洞還能干什么?的圖10風洞測試中的高速列車


更高的行駛穩定性、更小的降阻成本、更低的噪聲和震動……這些要求對高鐵的外形設計提出了極高的要求,因此,高鐵必須在風洞中經歷長時間的反復打磨才能獲得接近最優的方案。


發現航空科技更大潛力



在服務于汽車和高鐵之前,風洞最先服務的領域是航空航天,這是由飛行器的固有特性決定的:長期運行在高空低壓的環境中,飛行器的設計與制造工作面臨大量獨特的困難,為了在地面的基礎研究和針對性試驗中復現飛行器的運行環境,風洞被創造了出來。


從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器,風洞還能干什么?的圖11


我國風洞事業也如是,并且隨著我國航空航天產業的蓬勃興旺而不斷發展。


從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器,風洞還能干什么?的圖12


以航空工業氣動院為例,而今,、航空工業氣動院已經實現了風洞試驗最高速度達到8倍聲速,達到高超聲速范圍,并形成了成熟的CFD仿真、風洞虛擬飛行及模型自由飛試驗能力,服務范圍囊括飛機、導彈、艦船、兵器、高鐵、汽車、體育訓練、環境綜合治理等多個領域。


從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器,風洞還能干什么?的圖13

FL-64風洞(1米高超聲速氣動力風洞)


風洞的推廣應用并不是孤例,而代表著一種普遍性的規律:


從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器,風洞還能干什么?的圖14

飛行器設計制造在人類工業體系中始終處于近乎頂點的上游地位。


現代社會中絕大多數最先進的工程技術,都是首先為飛行器設計制造而開發出來的,隨后才擴散到更下游的其他行業。     

    

再比如,如今從汽車到各種超高建筑,結構上能實現輕巧、結實、長壽命的結果,都離不開以斷裂力學/有限元分析為代表的一系列先進理論和設計手段。而這些理論和設計手段的實用化最早都被飛行器設計制造而催生的——飛機結構既要極其輕巧、又要非常結實、還需要盡量長壽……這些“嚴苛”要求所結出的航空科技成果,正在造福全人類。


從冬奧跳臺滑雪到高超聲速飛行器,風洞還能干什么?的圖15

而助力冬奧運動員訓練的風洞此次“火出圈”,也讓人們通過這一抹“反光”,再次發現航空科技這座“巨大冰山”所蘊含的龐大力量。




登錄后免費查看全文
立即登錄
App下載
技術鄰APP
工程師必備
  • 項目客服
  • 培訓客服
  • 平臺客服

TOP

2