用风洞“捕风捉影”

孙伟敬

在神魔小说《西游记》中，天庭中的风神是风婆婆和巽二郎。他们有一个大口袋，口袋打开后就能起风，口袋收住风就停了。研究流体力学的科学家也有这样一个“口袋”，并且功能更加强大：它能制造风，能研究风中的飞行器，还能帮助运动员逆风飞扬。这个能“捕风捉影”的“神器”就是风洞。

风洞是一种管道状的试验设备，可以人工控制风量与风速，用于测量空气流经物体时所产生的气动效应。它“诞生”于一百多年前，其出现和发展与航空航天科学紧密相关。现在，它不但在航空航天业中起重要作用，还可以用于设计汽车、火车等交通工具，甚至可以模拟测试舰船在水流中的状况、测量高层建筑和大型桥梁的风压、控制火灾、规划城市等等。可以说，风洞是现代空气动力学研究和试验中使用最广泛的工具之一。

为什么风洞的适用对象这样广泛呢？因为在空气中运动的物体都会涉及空气动力问题，而静止的物体由于风的作用，会产生空气动力问题。当这些问题对物体产生较大影响时，就必须做风洞试验。

风洞试验的优点有很多。首先，它符合科学，依据运动的相对性原理，风洞测试的数据适用于试验对象在真实状态下的相关情况。比如，设计师在设计飞行器时，可以参考在飞行器不动而空气动的状态下风洞试验的数据。其次，它成本低，比如美国在设计建造第一代航天飞机时，历经约十万小时的风洞试验，如果在大气层中进行相关实验，成本将是一个天文数字。再次，它可控性强，因为是在实验室中进行，所以科学家可以根据试验对象确定风洞空间的大小、风速的快慢，可以模拟试验对象在高温、低温等状态下的化学反应，可以利用烟幕和激光灯来模拟气流等。最后，它可重复性高，科学家能在试验中准确测试并记录相关数据，然后利用这些数据调整试验的环境和步骤。风洞便于开展科学试验，就像摄影棚便于影视剧拍摄一样，难怪它颇受科学家的重视。

怎样进行风洞试验呢？以飞行器为例，首先，将飞行器的缩尺模型或实物放置于风洞中，使其保持静止状态;然后，人工制造气流，模拟实际飞行时飞行器的各种情况;接着，利用高灵敏仪器测试飞行器各部位的受力情况，记录其表面与周围空气的流动状况;最后，科学家根据试验结果为飞行器的设计与制造给出建议，或者调整相关数据进一步测试。一般情况下，风洞试验的数据越详细、越准确，和真实情况越相似。

冬奥会上有些竞速类运动员也会使用风洞进行训练。在这些项目中，毫秒之差决定胜负，只有保持空氣阻力最小的动作，才能领先于对手，所以需要借助特制的风洞确定比赛时的最佳姿势与动作。2020年，中国国家体育总局与航天部门合作，建成了两个体育风洞。体育风洞不但具备安全性和人性化，而且可以拍摄存储画面，记录运动员的姿势、重心变化等数据，为训练提供参考。进行风洞试验时，运动员会站在六分量传感器上，风洞制造出相当于运动员运动时的风速，运动员动作和重心的细微变化都会带来风阻的变化，具体数据可以通过其脚下的传感器测得，并实时反馈给运动员和教练员。运动员可以借此发现转弯、加速等动作的最佳姿势。

唐代诗人王勃说风“来去固无迹，动息如有情”，但在科学家眼中，风“来去不再无踪迹，动息依然如有情”。