神奇的中国风洞

作为科技壮举的“舞台总监”，它的姓名您也许生疏。火箭定型、飞船上天要有它的“意见书”，飞机出厂、导弹升空要从它那里获得“通行证”。它永远不露声色地辅佐中国尖端国防科技快速前行，并为其插上腾飞的翅膀。这就是 ——

1980年5月18日，我国向太平洋海域成功发射了一枚远程运载火箭，在西方引起一片震惊。某些军事和航空航天专家们惊诧之余迅速作出判断：中国已经建成高水平的飞行器空气动力试验机构。

这确是一个科学的判断，也是一个令西方某些大国意想不到又不得不接受的“严酷”事实。

之后，随着中国研制的火箭、导弹、新型飞机的不断升空，那个被国外军事观察家称之为“高水平的飞行器空气动力试验机构”也渐渐浮出水面。这就是为卫星、导弹、飞船等尖端飞行器提供模拟试验的中国风洞群。此时，它们正在川西北的大山深处高速运转。

昨天的秘密 今天的奇迹

什么是风洞呢？简单地讲，就是依据运动的相对性原理，将飞行器模型或实物固定在风洞试验段内，人为制造气流流过飞行器模型，以此模拟其在空中各种复杂的飞行姿态，获取飞行器设计试验数据的地面模拟试验设备，是现代飞机、导弹、火箭、飞船等研制定型和生产的“摇篮”。

20世纪60年代，一群来自北京、沈阳、哈尔滨的知识精英，来到“天府之国”一个鲜为人知的地方，经过几十年的艰苦奋斗，大山中崛起了一座座寄托中国人强国希望和探索飞天奥秘的神奇宫殿——亚洲最大的风洞群。

风洞群中有低速、高速、超高速风洞和激波、电弧等各种风洞。具备各类飞机、导弹、卫星、运载火箭及飞船等航空航天器空气动力研究试验能力。世界著名空气动力学家、法国宇航院院长奥里维尔博士来此参观后不禁叹道：“我确信，这是一项能使中国走向巨大成功的世界性成就！”

风洞周围群山环抱，植被茂密。当年出于形势的需要，建设的风洞主要安置在巨大的人工山洞里。山洞绵延数千米，横贯几座山，从外表看，很难想象山里有洞，洞里卧虎藏龙。这些山洞都是人工开凿的，其难度可想而知。现在我们仍能在裸露的洞壁上看到大拇指粗的稳固性钢筋头，据说人工山洞其坚固性能抗8级以上地震。洞口掩映在绿树丛中，毫不起眼，只有试验时那一阵阵巨大的轰鸣声，告诉前来参观的人们，这里是航天航空巨人出生的摇篮。不过，如今新修建的风洞已不需要山洞掩蔽，而是昂然矗立地面。

航空航天圣殿的“监察官”国防尖端武器的“度量衡”

在这座国防教育基地里，让人自然产生一种强烈的民族自豪感——共和国的许多“科技奇迹”，使世界诸强不敢小视。我们自行研制的许多武器装备，绝大部分经过风洞测试。

空气动力学是航空航天工业的基础学科，风洞试验作为它的主要研究手段，其水平高低和一个国家的尖端科技水平尤其国防军事的强弱紧密联系。世界发达国家非常重视发展空气动力试验研究机构。德国早在1907年就成立了“哥廷根空气动力试验院”，并在1955年至1975年的20年间，不惜巨资修建了71座低速、高速、超高速和特种风洞，在世界上率先研制出喷气式飞机、弹道导弹；美国于1915年就成立了国家空气动力研究机构，80年代推出的“星球大战”计划，技术上也是以世界上最先进和庞大的风洞群为保障的，并牢牢占据了世界航空航天领域的“霸主”地位。

新中国成立后，我们从零开始发展航空航天事业。当发达国家有了强大的空军和不断升天的飞机、导弹、卫星时，中国还在为买来的飞机苦苦思索：它到底能飞多高？作战半径有多大？爬行极限是多少？买来的飞机性能只有靠试飞员冒着生命危险去摸索；设计的导弹只能做实弹试验；自己研制的飞机只有花大把外汇，拿到别人的风洞里去做试验……一个数据、一个试验都要花很多外汇，还要看别人的脸色行事。往往试验人家给做，但风洞不能进，数据出来，对不对，能不能用，自己看着办。可以说，无风洞，已成为当年制约我国航空航天以及国防工业发展的瓶颈。

这里能圆“飞天梦”这里通往强国路

在人类实现航空航天飞行的道路上，“音障”曾是一座险峻的高峰，其强大的阻力使飞行器很难达到超声速飞行，而且容易造成机毁人亡。必须事先借助风洞的准确试验，找出应对办法。

我国于20世纪60年代中期开始建造1.2米跨超声速风洞。因众所周知的原因，这座风洞竟是建在几百米深的花岗石山洞中，这在世界风洞建设史上都是罕见的。1.2米风洞在建成后的14年时间里，共完成500余项课题和型号研究试验，吹风10万余次，为我国国防军事工业的迅速崛起立下了汗马功劳，被誉为“功勋风洞”。

毫无疑问，风洞越大，模型越大，试验误差就越小。另外，随着飞行器速度、机动性、越来越多的外挂物等功能的增加，小型风洞已无法满足试验，只有求助于大型和特种风洞。为此，我国于1994年开始建造亚洲最大的2.4米跨声速风洞，1998年底正式投入试验。它的建成，使我国高速风洞综合试验能力跻身世界先进行列。

此外，风洞群中还有2米激波风洞和200米自由飞弹道靶等一些特种风洞装置。后者是空气不动模型动，即用一种特制发射装置在瞬间使模型快速运动，在几十毫秒之间模拟出导弹、卫星飞行的环境，求出飞行器需要的准确参数。 这些特种风洞在我国战略武器的研制和航天技术的发展中发挥了巨大而独特的作用。随着我国航空航天向外围空间的不断拓展和战略武器性能的提高，高超声速风洞将起着越来越重要的作用。

风洞不仅适用于国防军事，还服务于国民经济建设，像低速风洞还更多地应用于工业设备研究。随着国家经济建设的发展， 低速风洞在民用航空、铁路、汽车和机车、风能利用、建筑、环保等方面也起着越来越巨大的作用。现在仍雄居亚洲之首的8米×6米风洞无疑是亚洲低速风洞中的“大哥大”。该风洞自1977年建成以来，在国家经济建设中发挥了巨大作用，近30年来先后进行了多枚通信卫星、上海东方明珠电视塔、杨浦大桥及高速机车等近千项地面风载试验，一大批国家重点建设项目相继在风洞里获得合格与专利证书。

2003年10年15日，我国自行研制的神舟五号载人飞船发射成功。这是中华民族将在本世纪实现强国梦的重要信号。世界再次聚焦中国风洞。我国航空航天事业和尖端国防技术从零起步， 迅速取得巨大成就，风洞试验功不可没。

自卡尔·央斯基偶然发现了来自银河系的射电辐射，雷伯建造了世界上第一台天文射电望远镜，美国就成为射电天文学的发源地。到了20世纪50年代中期，国际上形成了几个射电天文中心，以英国的实力最强：剑桥大学发展大型射电干涉仪，继而孕育综合孔径射电望远镜方案；曼彻斯特大学建造了世界上口径最大的76米可跟踪射电望远镜。而此时的美国逐渐落在了其它国家的后面。为了重新夺回射电天文学的领先地位。在20世纪60年代初，他们开始构想建造甚大阵，分辨率要达到1角秒，灵敏度则要达到0.1毫央斯基，目的就是要超过英国剑桥大学的综合孔径射电望远镜。从构思到实现花了20年，终于在1980年向世人推出世界上最强大的综合孔径射电望远镜——VLA。

威力强大的甚大阵

甚大阵的设计原则是按照英国赖尔提出的原理，但是从灵敏度、分辨率、成像速度和频率覆盖四个方面全面超过英国赖尔综合孔径射电望远镜。

甚大阵从1961年开始筹划、设计，经过20年的努力，终于在新墨西哥州的一个荒原上出现了一个巨大的天线阵，它相当于一个中等城市，巍巍壮观。望远镜由27面直径25米的可移动的抛物面天线组成，分别安置在三个铺有铁轨的臂上，呈Y形。2个臂长是21千米，另一个臂长为20千米。每个臂上放置9面天线。工作波段最短可达到0.7厘米，因此天线抛物面的精度非常高。最高分辨角为0.05角秒，已经优于地面上的大型光学望远镜了。甚大阵望远镜进行观测是依靠自动化系统来控制和管理的。

望远镜的灵敏度由总接收面积决定，甚大阵的27面25米的天线，总接收面积达到5万3千平方米，相当于口径为130米的单天线。 因此甚大阵的灵敏度比赖尔望远镜高出12.5倍。就空间分辨率来说，甚大阵的最大基线是36千米，比赖尔望远镜大7倍多，在相同的波段上的分辨率要提高7倍，由于最短工作波长可达0.7厘米，因此甚大阵的最高分辨率要比赖尔望远镜高20倍，达到0.05角秒。相当于在150千米外看清楚一个高尔夫球。赖尔望远镜的8面天线是东西方向一字排开，利用地球自转，需要对一个目标观测12小时，才能移动天线以获得另一种天线间距的观测。而甚大阵采用Y形排列，可以获得小于8小时的快速成像。

甚大阵的天线和接收机

甚大阵是在1973年4月开始兴建的，1975年9月第一个天线到位，1980 年甚大阵全部完成并投入使用，比原计划提前1年。在1977～1978年，科学家们已经用建成的部分天线取得了很好的观测成果。。

甚大阵的每个天线的直径为25米，重230吨。在使用时有4种阵形： A阵，天线分离最大，36千米；B阵，天线分离3.6千米； C阵，天线分离1千米。望远镜每4个月换一次阵形。以适应不同的观测课题。天线的运转和控制快速而灵活。方位角每分钟可移动40度；仰角每分钟20度。地平8度以上的天体均可进行观测。

甚大阵的频率覆盖很宽，从74MHz到50GHz（约为400～0.7cm）。因此馈源和接收机系统就比较复杂。在低频段，可实现4个频段的同时观测，较高的频段则分为P、L、C、X、U、K、Q七个频段。各频段的视场、分辨率和系统的噪声温度如上表所示：

扩展的甚大阵（EVLA）

为了进一步提高甚大阵的威力，美国射电天文学家要在现有的基础上（27面25米天线）加以扩建，取名为EVLA。在离现在的甚大阵250千米远增加8个新的观测站。这将使现在的设备的科学能力大大提高，使所有的观测参数品质提高10倍。

在频率5GHz以下灵敏度提高5倍，在10～50GHz灵敏度要提高20倍。频率范围在1～50GHz，但是可以延展到300MHz。频率分辨率很强，具有262144个频率通道可提供灵活、可变化的频率分辨率1MHz和1Hz。最大的空间分辨率从0.004角秒（50GHz）到0.2角秒（1GHz），这个分辨率已经达到了一般的甚长基线干涉（VLBI）的高分辨率了。

成就卓著

甚大阵在1980年建成后使射电观测能力极大地增强。它的分辨率和灵敏度都比剑桥大学综合孔径射电望远镜的情况提高了一个数量级，看得更远，分辨得更清楚。20年来，来自世界各国天文研究院、所的2200多位学者使用甚大阵进行了1万多个课题的观测。这些课题几乎涉及天文学研究的全部领域，无所不包，从行星学科到宇宙论。当然，最具威力的是对遥远而微弱的天体的分辨和成像观测。

在金牛座中，有一个名为LDN1551的由气体和尘埃组成的巨大的分子云。在那里类似太阳大小或更小一些的恒星不断地诞生，成为年轻恒星集聚的地方，引起天文学家的关注。甚大阵对准一个以前的红外和射电观测都认为是单个的恒星，出人意料的发现这个天体并不是一个单个的年轻恒星，而是一对年轻的双星。（尺度棒代表20天文单位的距离）甚大阵超群的分辨率把这个相距很近的双星分辨得很清楚，而且，还把围绕恒星的由尘埃组成的轨道盘状物清楚地显现出来。这个离我们450光年远的双星的线间距只有太阳到冥王星的距离，其角径非常之小，要不是甚大阵超强的分辨率，是不可能分辨出的。

喷流现象是天文学家观测到的宇宙中最奇特的现象之一。甚大阵的高分辨率观测给出一批射电源的喷流资料。射电源3C449是一个巨椭圆星系，甚大阵展示出了它的“核－双喷流－双展源”结构。两个分离的展源称为射电源的瓣，两个瓣之间有一个致密源为星系核，星系核的两边有两个准直性很强的射电辐射束，称为喷流，一直射到两个瓣。喷流是能量从核传输到外面的射电展源（瓣）的通道，而光学观测到的喷流尺度只有射电的1/10。

1994年发现的微类星体是甚大阵在建立以来最有价值的成果之一。微类星体被认为是由中子星或黑洞组成的双星系统，发射X射线，只有几个太阳质量。它与有着巨大质量的星系核或类星体有着共同的现象，如极端的能量和喷流。甚大阵给世人展示一个生动的产生双源的爆发过程。左下图最上面图像是第一次观测结果，其核心是X射线源，天文学家推测是由黑洞和一个伴星组成的双星系统。在几天以后，一个巨大的喷射事件产生了两个分别向左右移动的致密体，第二个图中的十字符号是固定源的位置。图的右边标出观测的日期，从3月18日到4月16日近一个月，这两个致密源的分离超过了1万个天文单位。两个致密源真实的速度为0.92倍光速。黑洞的引力把持正常恒星在一个紧密的轨道上，从伴星来的气体被传输或吸积到黑洞，产生百万度的高温，从而辐射X射线。

甚大阵综合孔径射电望远镜已经在天文观测上奠定了自己辉煌的地位，向人们展示了宇宙演化中多姿多彩的场景。在天文学家的眼中，它无疑还会是今后一段时间内的宠儿。

相关链接

空气动力学是目前世界科学领域里最为活跃最具有发展潜力的学科之一。它的巨大作用我们也无需赘述。世界各发达国家对空气动力学的发展都给予了高度重视。不惜花费巨额资金建设有关空气动力实验设施和开展研究工作。

美国 早在20世纪80年代中期出台的震憾全球的超级跨世纪工程——“星球大战”计划中，曾把作为基础学科的空气动力学放在非常突出的重要位置上。的确，不首先在空气动力学上获得重大突破，这个将耗资1万亿美元的超级工程，很多关键技术将无法解决。紧接着在1985年发表的“美国航空航天2000年”中，也把空气动力学列为需要解决的七个问题中的第一位。而剩下的六个问题中还有四个与空气动力学有关。并花费巨额投资研制了每秒20亿次的超级计算机专门为空气动力学研究服务。

苏联在“十月革命”胜利后的第二年，列宁就下令组建了国家空气动力研究机构——中央流体动力研究院，任命“俄罗斯航空之父”儒可夫斯基担任院长，为苏联成为世界上另一个航天大国奠定了坚实的基础。二次大战之前，斯大林曾下令建造了世界上第一座可用以进行整架飞机试验的全尺寸风洞。与美国相比，苏联在空气动力学的整体水平上毫不示弱，甚至在许多方面领先于美国，它在航空航天领域取得的一系列成就足以说明这一点。

英国、法国 两国在二次大战前均为名列前茅的老牌航空先进国家，战后突然发现自己比美、苏等国落后了一截，于是重整旗鼓、奋起直追。在战后第二年，法国政府便决定把因战争和被占领分散到全国各地的研究机构组织到一起，组建了国家空气动力研究机构，并在阿尔卑斯山腹地开始创建莫当试验中心，堪称世界上第一流的大功率空气动力试验风洞设备。曾经发明了世界上第一座风洞的英国人更是不甘落后，除了政府加强对空气动力学的领导规划之外，充分利用大学进行基础学科的研究。据有关资料透露，在英国的46所大学里，至少有30个以上高水平的空气动力研究试验室。

日本 在战后受到限制的情况下，日本的航空工业曾有过长达8年的空白。但在此期间，其基础研究——空气动力学则进展神速。仅60年代，就先后仿制出11种飞机，自行设计8种飞机。

推荐访问:风洞 中国 神奇