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无人机的研发和生产越来越面向大众,它在被人们普遍接受的同时,也引起了一场又一场的争斗。关于民用无人机到底要不要做风洞测试,支持者和反对派长期以来,你来我往、唇枪舌战好个热闹,可谁也没能把谁说服,面对这个问题您又是怎么看呢?

可能对于很多人来说,并不知道什么是风洞测试。从流体力学方面讲,风洞实验指在风洞中安置飞行器或其他物体模型,研究气体流动及其与模型的相互作用,以了解实际飞行器或其他物体的空气动力学特性的一种空气动力实验方法。空气动力学实验分实物实验和模型实验两大类 。实物实验如飞机飞行实验和导弹实弹发射实验等,不会发生模型和环境等模拟失真问题,一直是鉴定飞行器气动性能和校准其他实验结果的最终手段,这类实验的费用昂贵,条件也难控制,而且不可能在产品研制的初始阶段进行,故空气动力学实验一般多指模型实验。

宝宝头好痛,感觉好深奥,怎么完全不懂呢?

风洞测试到底是什么鬼?

简单地讲,就是依据运动的相对性原理,将飞行器的模型或实物固定在地面人工环境中,人为制造气流流过,以此模拟空中各种复杂的飞行状态,获取试验数据。这是现代飞机、导弹、火箭等研制定型和生产的“绿色通道”,是在地面上人为地创造一个“天空”。

所谓风洞并不是一个洞,而是一个大型隧道或管道,中间有巨型电扇,可产生强劲的力流,经格栅等装置整理减少涡流后送入实验段,来吹实验模型。

最大风速在100米/秒以下的风洞,称为低速风洞。再高一级就是高速风洞到高超声速风洞。

飞行器风洞实验所用的一般为大型低速风洞。一般用于新型飞机和飞行器的设计是否科学合理,能否达到设计的初衷,为设计、检测人员提供数据和事实,以便进行改进改装。主要用于军事飞机和空中高速运载方面。如对飞机的飞行状态、翻滚、失速,尾旋性能的特点进行数据收集。

风洞实验既然是一种模拟实验,不可能完全准确。概括地说,风洞实验固有的模拟不足主要有以下三个方面。

1、边界效应或边界干扰

真实飞行时,静止大气是无边界的。而在风洞中,气流是有边界的,边界的存在限制了边界。

2、支架干扰

风洞实验中,需要用支架把模型支撑在气流中。支架的存在,产生对模型流场的干扰,称为支架干扰。虽然可以通过试验方法修正支架的影响,但很难修正干净。

3、相似准则不能满足的影响

风洞实验的理论基础是相似原理 。相似原理要求风洞流场 与真实飞行流场之间满足所有的相似准则,或两个流场对应的所有相似准则数相等。风洞试验很难完全满足。

风洞实验 尽管有局限性,但有如下四个优点:

1、能比较准确地控制实验条件,如气流的速度、压力、温度等;

2、实验在室内进行,受气候条件和时间的影响小,模型和测试仪器的安装、操作、使用比较方便;

3、实验项目和内容多种多样,实验结果的精确度较高;

4、实验比较安全,而且效率高、成本低。因此,风洞实验在空气动力学的研究、各种飞行器的研制方面,以及在工业空气动力学和其他同气流或风有关的领域中,都有广泛应用。

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风洞试验/图 来源网络

风洞--汽车工业最 “烧钱”的实验

汽车风洞测试,被称为汽车工业最高大上的试验,作为一项并非国家强制性的测试,它每分钟耗资高达400元,一辆车从最初的设计到改进、验收一般要经过三次测试,每次测试最短一天时间,这意味着将耗资75-90万元,堪称“最烧钱”的实验。

当汽车时速达到110公里以上的时候,风的阻力占到总行驶阻力的70%,也就是说大部分燃油消耗在了克服风阻上。同时风噪将会明显增加,超越发动机噪声、路面噪声成为主要的噪声源,影响乘员舒适性。因此优化汽车外形设计,减少风阻、提高行车安全性、降低噪音,是汽车风洞实验的主要目的。

通过风洞试验,研究人员可以判断汽车的外形设计,是否符合空气动力学原理,并做出一定的改良,把感性设计变成理性设计。

风洞--研制飞行器的先行官

决定一架飞机或其他飞行器的飞行性能,如速度、高度等,除飞机重量、发动机推力等要素外,最重要的因素是作用于飞机的空气动力。空气动力主要决定于飞机的外形。在设计和研制飞机时,首先是设计其外形,由此就可以确定作用于飞机的空气动力并推算飞行性能。但是,这个工作只能做在最前,不能在飞机造出来以后。确定飞机空气动力的实验设备主要是风洞。人们把风洞和风洞试验叫做航空航天的先行官是恰如其分的。

风洞试验在飞机气动力设计中占有极其重要的地位,它是认识气动力流动机理,进行气动力分析,获得可供设计使用的气动力原始数据的重要手段。由于模拟上更为真实、直接,因此其作用是数值模拟计算手段所无法取代的。飞机设计部门应用的气动力原始数据绝大部分取自风洞试验的结果。为此,目前国内外飞机气动力研究及设计部门都十分重视这一手段,在风洞试验设施上、试验技术上、测试设备上不断发展、改进、完善。

早在2012年,中国空气动力研究与发展中心低速所,自行研制的4米×3米风洞大迎角尾撑系统试验装置,首次成功应用于某无人机型号试验,这标志着该装置已完全具备风洞试验能力,对我国无人机等新型飞行器研制具有十分重要的意义。

可是4年过去了,关于无人机到底要不要进行风洞测试的争论却从未间断。

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无人机/图 来源网络

支持派:所有无人机必须进行风洞试验

飞船,火箭、导弹,无一不是在风洞完成试验,然后才能翱翔九天,凭什么无人机可以例外!

除了一般民用无人机也常说的飞控外,一架无人机的设计的流程就与有人机也差不太多了。需要考虑翼型设计、发动机选择、需要吹风洞、需要出厂试飞、也需要到阎良试飞院进行国家级验收审定。

风洞试验分好几种:从常规风洞到特种风洞,航空声学风洞,主要用于研究解决飞机飞行降噪问题;结冰风洞,是解决飞机飞行结冰与防、除冰技术的关键等等。现如今“风洞试验、数值计算、模型飞行”三大技术手段融合成为现实,上百万组数据分类入库,数据再利用软件平台日趋完善,成为助推我国空气动力试验研究能力跃升的宝贵资源,将对无人机起飞、着陆状态下的气动力设计进行综合验证,提出改进剂完善意见,提供型号设计所需的低速气动力原始数据。确定各部件对低速气动力贡献及相互间的干扰;进行全机表面及空间流态观察;提出对气动力设计的修改意见。

有了风洞的检测才能让无人机的创新与技术在科学的验证之下向着前进的方向发展,更何况还能保证其安全性与稳定性,防止意外的发生。

反对派:民用无人机做风洞测试意义不大

目前军用无人机有风洞测试的检验准则,但是就民用无人机领域来说合格标准几乎是空白的。从行业未来发展来讲,必须具有一套严谨务实的检测平台,有科学统一的标准来配合检测鉴定,如同现在被大家关注的无人机“黑飞”问题。配合相关机构建立行业应用操作规范;建立民用无人机行业标准,规范行业管理准则;统一整机生产配套时所采用的部件质量标准、风洞测试合格指数并实施检测,才能消除安全隐患。

民用无人机一般都体积小,操作简单,完全可以进行实飞测验,在不同海拔、不同气压、不同湿度等条件下来验证。

民用无人机做风洞测试=浪费钱:做一次风洞实验确实造价昂贵,风洞设备要求非常复杂,涉及到光、电、风等几百个学科,试验场地、科技设备、模型、专业人员等软件硬件要求非常之高,说它是顶级烧钱的土豪实验也不为过。目前,世界上只有为数不多的国家能进行风洞实验,我国正是其中之一。对在国际市场上,嘀嗒“吹风”一秒就是1欧元,真可谓是世界上最贵的风了。因此有些公司为了节约成本就“偷工减料”只做数字模拟风洞试验。

说到这里,就不得不提CFD了。

CFD是计算分析流体力学的英文缩写,出现于商实际70年代,归功于计算机的发展。

早期的空气动力学研究主要方法是进行实物风洞试验,而CFD的出现,开创了数学方程式模拟实物和模拟风洞试验条件和参数,极大的改变的流体力学的研究和工业应用方法。

受到计算机处理能力的限制,CFD数值模拟在空气动力学领域的头20,30年,只能部分参与工程师的理论设计论证和小尺寸部件的设计、试验。较低的计算机处理能力,限制了CFD数值模拟程序的仿真度。随着上世纪末,超级计算机的出现和运算能力不断大幅度提高,在国家军事和航空航天领域,借助于超级计算机的能力,CFD数值模拟以更快的研究速度和更高的保密性,已经逐渐取代了实物风洞试验。

而支持派则认为:航空动力学、材料科学、引擎技术等的发展是建立在大量试验的基础上的,比较接近于实验科学。大型计算机即使计算能力再强大也解决不了全部问题,只是给试验提供比较完整的数据基础,它代替不了风洞试验,进行实物测验,才能保证科学性和准确性。

争论来争论去,双方各有自己的观点和理由,那么我们该怎么办?不如放眼看看外国人是如何应对的。

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小型风洞内部的叶片/图 来源网络

从歪果仁身上可以学到的:

无人机发烧友都知道,万不要在高楼密集的城区飞行,原因是高楼林立的地方往往会有地面难以感知的复杂气流,在这些气流的影响下,无人机很容易被吹翻,引发重大安全事故。

然而,城市中非常常见的鸟类却能够免受乱流影响,在高楼间自在飞翔。这是为什么呢?斯坦福的高智商科学家们也想明白这个问题,于是他们开发了一个专为身材娇小的鸟类设计的风洞。和汽车厂商身形庞大的风洞不一样,斯坦福科学家开发的这个风洞非常迷你,PopularScience把它的风扇和一台小车相比,但它也足以输出非常流畅平稳的风力。

难道我们不能从基础设施上动动脑筋?军用无人机、汽车所应用的风洞设施耗资、耗能巨大。不如为民用小型无人机量身定做检测设施再配以合格标准,不就两全其美了!

对于守财奴们心疼钱的问题,也好解决。为了减少风洞试验的费用,国外一些大的飞机制造商,通常是把飞机(或导弹)按1/4,1/8,1/16的比例,严格缩小。再运到风洞中做实验,这样就可以使用相对小一些的风洞了,我们的民用小型无人机也可以借鉴。

不管是支持也好,反对也罢,其实双方都是希望,能够改进无人机的空气动力学设计,拓宽无人机的应用场景。我们也盼望着中国无人机行业能够继续科技创新,出现一个又一个的世界无人机领域的典范。

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