奧運背后的航天科技 -航天風(fēng)洞

每當(dāng)夏季奧運會或冬季奧運會開幕時，全世界的目光都會聚焦于那些在賽場上拼搏的運動員們。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，除了運動員自身的努力和教練團隊的支持外，還有一項鮮為人知的技術(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)運動的相對性原理制成的管道形狀的試驗設(shè)備，主要由洞體、驅(qū)動系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)組成。風(fēng)洞試驗通常通過驅(qū)動系統(tǒng)生成氣流，而測控系統(tǒng)則負責(zé)調(diào)節(jié)與控制這些氣流，使得流經(jīng)風(fēng)洞試驗段的物體能夠模擬并重現(xiàn)真實的空氣動力學(xué)環(huán)境。這樣可以測量相關(guān)數(shù)據(jù)，并據(jù)此研究物體在大氣條件下的運動特性。

航空航天器設(shè)計的革新者

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)過程中，大量的模擬飛行試驗是必不可少的環(huán)節(jié)，然而實際的飛行測試既不經(jīng)濟也未必可行。因此，風(fēng)洞作為地面測試的解決方案應(yīng)運而生，它能夠在地面上提供一個模擬“飛行天空”的環(huán)境。在設(shè)計飛機、火箭時，工程師們會將模型放入風(fēng)洞中，通過改變氣流速度、角度等參數(shù)來觀察模型受到的氣動效應(yīng)，以此來優(yōu)化設(shè)計，確保飛行器能夠更加穩(wěn)定地飛行。每一架先進的飛行器在風(fēng)洞中經(jīng)歷數(shù)千乃至上萬次的試驗研究后，才能最終升空。

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

JF-12和JF-22兩臺超高速激波風(fēng)洞

2012年，我國成功研制了JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞，其總長度達到265米，成為了當(dāng)時國際上規(guī)模最大、整體性能最為先進的激波風(fēng)洞。2023年，JF-22超高速風(fēng)洞順利通過驗收，該風(fēng)洞全長167米，能夠模擬40至90公里高空的環(huán)境，最高可達到每秒10公里的速度。這兩個風(fēng)洞設(shè)施使我國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”實驗需求的國家。借助這些激波風(fēng)洞實驗平臺，我國將致力于滑翔式飛行器、天地往返飛行器以及多級入軌飛行器的研究，推動我國航空航天事業(yè)穩(wěn)步向前。

從天空到地面：航天風(fēng)洞技術(shù)的應(yīng)用擴展

時至今日，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，運動員與空氣之間的相對運動會產(chǎn)生風(fēng)，進而形成阻力，減小這種阻力有助于提高運動員的成績。而運動員在真實場地進行訓(xùn)練面臨諸多挑戰(zhàn)，以跳臺滑雪為例，運動員每次前往跳臺就需要花費十幾到二十分鐘的時間，還需等待適宜的風(fēng)向，遇到天氣變化，則需要在跳臺上長時間等待，甚至臨時取消訓(xùn)練。即使天氣條件理想，一位運動員一天也只能進行10到15次跳躍，每次飛行時間僅為幾秒鐘。因此，運動員利用航天風(fēng)洞來克服天氣限制和受傷風(fēng)險以強化訓(xùn)練效果變得越來越普遍。

“訓(xùn)練神器”：精進動作表現(xiàn)

風(fēng)洞輔助訓(xùn)練系統(tǒng)

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

綜合風(fēng)洞實驗室示意圖

目前，我國已建設(shè)了一座用于體育綜合訓(xùn)練的開口回流式（帶駐室）風(fēng)洞，其最大風(fēng)速可達42米/秒，相當(dāng)于14級強臺風(fēng)的強度。這座風(fēng)洞能夠涵蓋冰雪運動所需的全部風(fēng)速區(qū)間，滿足如滑雪、滑冰、雪橇等多項冰雪運動的模擬需求，幫助我國體育健兒在多項國際賽事上摘金奪銀。

從航天器的設(shè)計到運動員成績的提升，風(fēng)洞技術(shù)正以其獨特的方式影響著我們的世界。未來，隨著更多先進技術(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)在多個領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱。

部分信息來源于人民網(wǎng)、新華網(wǎng)、央視新聞客戶端等

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

責(zé)任編輯：王磊