【深度】美俄全尺寸亚声速风洞探析

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风洞是飞行器空气动力学试验研究的重要地面基础设施。由于受风洞建造技术能力和风洞运行使用成本的限制，从亚、跨、超声速风洞到高超声速风洞，风洞试验段所能达到的最大尺寸是依次减小的。通常情况下，受风洞试验段尺寸的限制，大多数风洞试验不得不采用缩尺模型进行，这就不可避免地带来模型缩尺效应、模型细节模拟等问题，并将对风洞试验结果的不确定度产生影响。因此，在可承受的风洞试验成本下，人们期望能够用更大模型、在更大的风洞中进行试验，以便获得更加可靠的气动力试验结果，或开展一些用缩尺模型在小风洞中无法进行的气动力与飞行器系统的耦合试验。

20世纪30年代以来，在亚声速领域，美国建设了两座全尺寸亚声速风洞，它们是美国国家航空航天局（NASA）兰利研究中心的兰利全尺寸风洞（LFST）和艾姆斯研究中心的国家全尺寸空气动力学设施（NFAC）。2003年和2006年，LFST遭遇两次特大暴风雨袭击，风洞损毁严重，2011年，美国经过评估，拆除了LFST。俄罗斯（前苏联）也建设了一座全尺寸亚声速风洞，即俄罗斯中央流体动力研究院（TsAGI）的T-101风洞。目前，世界上只有美、俄各拥有一座全尺寸亚声速风洞，即：美国的NFAC和俄罗斯的T-101。

01

美俄在全尺寸亚声速风洞建设上的角力

“全尺寸风洞”的概念变迁

美俄全尺寸风洞的角力

风洞试验段尺寸是风洞试验能力的一个重要指标，它意味着风洞能试验模型的大小。对全尺寸亚声速风洞而言，风洞试验段的尺寸和能达到的试验风速是此类风洞能力和国家航空试验设施实力的象征。因此，美俄在全尺寸亚声速风洞建设中，一直在追求“最大”的试验段尺寸和“最大”的试验风速，这种“最大”标志着一个国家在风洞试验领域的引领地位和自豪感（图1）。

图1 世界最大的风洞-NFAC

1939年，俄罗斯中央流体动力研究院（TsAGI）建成T-101全尺寸风洞。T-101全尺寸风洞结构布局形式与美国LFST基本一致，但尺寸更大，试验段尺寸：14m(高) x24m(宽)x24m(长)，试验风速70米/秒。

1944年，美国NASA在艾姆斯研究中心建成40X80英尺风洞。试验段尺寸：12.2m(高) x24.4m(宽)x24.4m(长)，最大试验风速150米/秒。

1982年，美国在利用40X80英尺风洞动力段和部分风洞回路的基础上，建设了80x120英尺风洞，试验段尺寸：24.4m(高)x36.6m(宽)x57.9m(长)，最大试验风速50米/秒。40x80英尺风洞和80x120英尺风洞被统称为NFAC。

从上可知，试验段尺寸增大，不仅是技术进步和需求的驱动，也暗含了美俄在风洞试验领域的角力（表1）。

表1 美俄全尺寸风洞

02

美俄全尺寸亚声速风洞的发展现状

美国LFST风洞

美国NASA兰利研究中心的LFST风洞是世界上第一个全尺寸风洞，也是20世纪30年代风洞试验能力（雷诺数、模型尺度）最强的风洞。该风洞建于1931年，建设的初衷是进行全尺寸飞机地面模拟试验，2011年拆除。

LFST风洞经历过第二次世界大战期间大量的全尺寸型号试验；50、60年代开展了各种航空航天飞行器的基础和技术预研，如航天飞机、升力体、V/STOL飞机、直升机、可变性机翼概念、超声速运输机、登月计划等等，该风洞是NASA亚声速风洞模型自由飞试验的指定风洞；90年代后期，美国国家风洞试验设备开始“去产能”（从1993年到2006年，消减了50%），许多冗余设备被拆除，如：兰利4.8米跨声速风洞等，LFST风洞相对艾姆斯的NFAC风洞更加老旧，因此被关停，后被旧多米宁大学接管运营，取得了很好的经济效益，在航空航天、车辆、风工程等领域继续发挥作用。

图2 KC-135R空中加油机在LFST风洞中的自由飞试验

2003年和2006年，LFST风洞遭遇两次罕见的暴风雨袭击，风洞损毁严重。考虑到恢复和维持成本，且有NFAC风洞可以满足国家未来需求，经过众议院科学技术委员会、国家设备评估委员会、国会质询、历史名胜保护等各种审议程序后， 2011年，NASA最终拆除了该风洞。

俄罗斯T-101风洞

1932年，俄罗斯专家通过对美国的访问，了解到的美国全尺寸风洞具体情况。1939年，中央流体动力研究院（TsAGI）建成用于飞机研究的T-101全尺寸风洞。T-101风洞在结构布局形式上几乎与美国的LFST一样，但在试验段尺寸和试验风速这两个衡量全尺寸风洞能力的主要指标上，全面超越美国。

T-101风洞是俄罗斯国家风洞设备体系中的重要一员。20世纪40-80年代，T-101风洞为战斗机、运输机和直升机研制，进行了大量风洞试验。俄罗斯TsAGI与各飞机设计局密切合作，所有飞机或直升机型号都在该风洞中进行过试验，如：图系列轰炸机、伊尔系列运输机、米格系列战斗机、米系列、卡系列直升机等等。T-101风洞在俄罗斯第一架后掠翼喷气远程轰炸机图-16的控制面铰链力矩精确测定、首架喷气客机图-104飞行安全、结构载荷、大迎角纵向静稳定性降低等问题研究解决中，发挥了重要作用。为 “伊尔”系列运输机、“安”系列运输机进行了一系列试验研究，解决了采用涡轮喷气发动机和涡轮螺旋桨发动机两类动力的大飞机研制遇到的气动布局、操稳特性、起飞降落、经济性等问题。90年代以后，俄罗斯航空新型号减少，T-101航空试验研究减少。在工业风工程方面，开展了莫斯科Moskva河大桥、莫斯科Poklonnaya山上的感恩纪念塔、电视塔等试验研究。近年来，开展了新型大型运输机试验研究。

图3 俄罗斯双体大型运输机在T-101中试验

美国NFAC风洞

20世纪40年代，为满足飞机起降、全尺寸垂直短距起降飞机和旋翼机试验研究需要，美国建设了40x80英尺风洞，80年代，为了节省建造成本，又在40x80英尺风洞的基础上，建设了80x120英尺风洞，二者统称NFAC。40x80英尺风洞建成后至80年代，进行了上百个各种布局航空航天飞行器、约500余项试验研究；80x120英尺风洞在倾转旋翼机、短距垂直起降飞机、直升机等方面发挥了重要作用，1995-1998年，NFAC进行了试验段声学改造。

图4 美国NFAC 40x80英尺（左）和80x120英尺（右）风洞部分试验量

从图中分析可知，NFAC的主要用户是美国NASA和军方，商业试验项目很少。2003年，NASA取消了旋翼机研究项目，NFAC也因NASA财政预算减少难以维持正常运行而关停。2006年，经过美国国防部的评估，该风洞对未来美国武器装备发展仍很重要，是旋翼机试验的首要设备。因此，NFAC被租赁给美国空军，由AEDC负责运营。

03

全尺寸亚声速风洞的风洞结构布局分析

欧美等发达国家的国家大型亚声速风洞配置

全尺寸亚声速风洞试验模拟能力强，特别是能进行一些小风洞无法进行的试验，如飞行器气动与结构/动力/操控系统等耦合的综合试验，试验数据更加可靠，但全尺寸风洞造价高、风洞运行成本高、模型大而复杂，风洞相对利用率不高。因此，合理配置国家大型亚声速风洞是非常重要的。表2给出了世界主要发达国家国家航空航天机构中的大型亚声速风洞配置情况。其中，美俄配置有1个全尺寸风洞和一个6-7米量级的风洞；欧洲、加拿大、日本等主要配置有1个6-9米量级的大型低速风洞和1个2-5米量级的风洞。除国家机构外，国外企业考虑到经济效益问题，通常拥有的商业风洞相对较小。

表2 发达国家的国家大型亚声速风洞配置

美俄全尺寸亚声速风洞结构布局分析

建于20世纪30年代的美国LFST风洞采用双回路、开口布局形式，梢后建设的俄罗斯T-101风洞沿袭了与美国一样的布局，两个风洞都采用了开口试验段、椭圆或准椭圆形横截面，如此有利于试验更大的模型和提高风速，但试验的噪声和流场品质都有待提高，此种结构布局也很难达到更高的试验风速。

40年代，美国建设了40x80英尺风洞，该风洞采用了回流式、闭口试验段这一常见的现代亚声速风洞的布局形式，试验段界面形状仍采用准椭圆，有利于获得更高的速度。80年代，在40x80英尺风洞的基础上，扩建了80x120英尺风洞，由于在已有风洞上扩建，结构布局受到一定限制，因而采用了直流回路和矩形截面试验段布局。

LFST、T-101、NFAC全尺寸亚声速风洞设计受时代限制，一些现代风洞的设计理念未能很好地体现，后期虽进行过改造，但风洞的流场品质与欧洲的DNW-LLF相比仍有差距。

全亚声速风洞是美俄国家风洞设备体系中的重要成员，在20世纪30-90年代，为美、俄两国航空航天飞行器型号发展进行了大量试验、做出了重要贡献；90年代以来，由于发达国家航空航天型号锐减，以及科技发展、经验积累，致使全尺寸风洞的利用率较低，较高的维持使用成本使其生存受到影响。由于美俄的全尺寸风洞建造年代久远，许多现代风洞的设计理念未能体现，风洞的流场品质不高。从美、俄对特大型亚声速风洞的使用和评估看，未来仍需要特大型亚声速风洞；从经济效益角度看，此类风洞建设、维持和使用需要国家支持，不是某个单位或企业所能负担得起的。美国风洞设备的“去产能”、及发达国家的国家大型亚声速风洞数量配置，值得我们深思。

作者：战培国

本文即将刊载于《飞航导弹》2017年第12期

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