在近日商务部和科技部调整发布的《中国禁止出口限制出口技术目录》中，除了广受关注的“基于数据分析的个性化信息推送服务技术”外，还出现了许多令广大群众“不明觉厉”的新名词。

可能有人会疑惑了，这些被禁止、限制出口的究竟是什么高端技术?又为什么会被列入《目录》?

今天，我们就来关注一下，在第九大类“专业设备制造业”，新增的第31条，“大型高速风洞设计建设技术”。

什么是风洞?

风洞(wind tunnel)即风洞实验室，是以人工的方式产生并且控制气流，用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况的管道状实验设备。

通过在空气中加入彩色烟雾、连接到被测试物体上的彩线、特殊仪器等方法，人们可以在风洞中量度气流对实体的作用效果，或观察物理现象。

小到模型、高尔夫球棒，大到汽车、飞行器、建筑物，其空气动力实验中经常都要用到风洞。

最早的风洞发明于19世纪末，当时处于航空研究的早期阶段，许多人试图研制出比空气重的飞行器。

人们设想风洞是一种颠覆通常模式的方法:不是空气静止不动，物体快速通过它，而是物体静止不动，空气快速通过它，也会产生同样的效果。

通过这种方式，静止的观测者可以研究运动中的飞行物体，并可以测量施加在其上的空气动力。

根据实验段气流速度大小的不同，风洞可以分为低速、高速和高超音速风洞。按马赫数划分，高速风洞中还可进一步细分为亚音速风洞、跨音速风洞和超音速风洞。

在低速风洞中，法国人A.-G.埃菲尔设计的直流式风洞和德国人L.普朗特设计的回流式风洞较为有名。1936年，清华大学建造了中国第一座自行设计的风洞，也是采用的回流式，最大直径为3米，该校王士倬等4人关于此风洞的论文被评为1936年中国工程师学会论文第一奖。

（图源百度百科）

回流式风洞实际上是将直流式风洞首尾相接，形成封闭回路。气流在风洞中循环回流，既节省能量又不受外界的干扰。

风洞的结构主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成。根据驱动系统的不同，风洞还可以大体上分为连续式风洞和暂冲式风洞。

在连续式风洞中，驱动系统由可控电机组和由它带动的风扇或轴流式压缩机组成。风扇旋转或压缩机转子转动使得气流压力增高，维持管道内稳定的流动。改变风扇的转速或叶片安装角，或改变对气流的阻尼，可调节气流的速度。

连续式风洞最早的雏形可以追溯到英国军事工程师和数学家本杰明·罗宾斯(1707-1751)，他发明了一种旋转臂装置来确定阻力，并在航空理论方面做了一些最初的实验。

乔治·凯利爵士(1773-1857)也使用旋转臂来测量各种翼型的阻力和升力。他设计的旋转臂有5英尺(约1.5米)长，最快速度可达每秒10到20英尺(3到6米/秒)。

1916年，美国海军在华盛顿海军造船厂建造了当时世界上最大的风洞之一，使用一台500马力的电动马达驱动桨叶式风扇叶片。其入口的直径约为11英尺(3.4米)，而排气部分的直径约为7英尺(2.1米)。

2020年5月，中国第一座大型连续式跨音速风洞FL-62风洞首次承接某型号试验成功，标志着FL-62风洞已具备承接型号试验的能力。

FL-62在国际上也是最先进的连续式跨音速风洞之一，重量可达到6620吨，容积达到17000立方米，可以帮助第六代战机的外形设计及国产大飞机的研发。

但大型连续式风洞的痛点在于运行成本。随着气流速度增高，连续型风洞所需的驱动功率急剧加大，例如，产生跨音速气流每平方米实验段面积所需功率约为4000千瓦，产生超音速气流则约为16000～40000千瓦。

尽管仍有一些方法可以成本较低地加大风洞的规模(如二战期间，德国科学家挖掘了一些大型自然洞穴，将其密封起来以制造大型风洞)，最终还是暂冲式风洞在跨音速、超音速、高超音速风洞中占据了主要地位。

在暂冲式风洞中，小功率的压气机事先将空气增压贮存在贮气罐中，或用真空泵把与风洞出口管道相连的真空罐抽真空。实验时快速开启阀门，使高压空气直接或通过引射器进入洞体或由真空罐将空气吸入洞体，可以有吹气、引射、吸气以及它们相互组合的各种形式。

(一个暂冲式超音速风洞的主要部件)

世界上第一座常规高超音速风洞就是一座暂冲式风洞，是德国在二战时建造的。其马赫数上限为10，实验段尺寸为1米×1米。但由于德国战败，风洞未能完全建成。

战后，由于担心美国的研究设施与德国的相比落后，美国于1949年公布了《单一风洞计划法案》(Unitary Wind Tunnel Plan Act)，随后美国也建造了多座尺寸在0.45米以上的常规高超音速风洞，少数为连续式，大多为暂冲式。

比起连续式风洞，暂冲式风洞建造周期短，投资少，工作时间一般为几秒到十几秒。

而在常规的暂冲式高超音速风洞之外，后来又逐渐出现了其他类型的风洞，如激波风洞、炮风洞、热冲风洞、长冲风洞、气体活塞式风洞、电弧风洞等。

以激波风洞为例，它指的是先利用激波压缩实验气体，再利用定常膨胀方法产生高超音速实验气流的风洞，由一个激波管以及连于其后的喷管、实验段等风洞主要部件组成。

在高超音速飞行中，极高的飞行速度将在飞行器的头部形成强烈的弓形激波，飞行器周围的空气将被这道激波加热到几千度，导致空气分子震动激发、解离、化合甚至电离，使得普通空气变成一种不断热化学反应的复杂介质。

为了研究这种现象对飞行器的气动力、气动热机周围流场的影响，激波风洞应运而生。

激波风洞主要分为三大类：加热轻气体类，自由活塞类和爆轰驱动。激波风洞的实验时间极短，通常以毫秒计。

加热轻气体的典型代表是俄国的U12和美国的LENS;自由活塞类的有德国的HEG，澳洲的T3和T4以及日本的HIEST;我国的JF12，NASA的HYPLUS则是爆轰脉冲风洞的典型代表。

中科院力学所在08年启动了“复现高超音速飞行条件激波风洞”项目，这也就是后来的JF12风洞。JF12激波风洞以中国独创的反向爆轰驱动方法为核心，克服了自由活塞驱动技术的弱点，可复现25至40公里高空、5到9倍音速的高超音速飞行条件。

JF12激波风洞的“身长”有265米，风洞喷管直径可达2.5米，实验舱直径3.5米，实验气流的速度最高可达马赫 9，温度可达3000摄氏度左右。

马赫9意味着，从北京到纽约的飞行时间，可以由14小时缩短到2小时。

风洞试验中的重要参数：雷诺数

作为一种模拟试验，风洞试验总是要求试验结果尽量与真实结果相似。雷诺数就是衡量流动相似性的一个准则，记作Re。

风洞试验一般采用缩比模型，试验雷诺数往往小于飞行雷诺数。因此试验结果必须修正到飞行雷诺数，才可以使用试验结果。

利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流，也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。

1883年英国人雷诺(O.Reynolds)观察了流体在圆管内的流动，首先指出，流体的流动形态除了与流速(ω)有关外，还与管径(d)、流体的粘度(μ)、流体的密度(ρ)这3个因素有关。

雷诺数较小时，粘滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因粘滞力而衰减，流体流动稳定，为层流;雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于粘滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的紊流流场。

(雷诺数的计算公式)

(用雷诺数区分层流与紊流)

提高风洞雷诺数主要有两种方法：增大模型和风洞的尺度，比如建造巨大的、足以容纳真实飞机进行试验的风洞;增大空气密度或压力，如制造压力型高雷诺数风洞，工作压力在几个至十几个大气压范围。

中国建成亚洲最大风洞群

近年来，从低速风洞到高速风洞，从连续式、暂冲式到其他多种类型的风洞，我国在多个风洞领域的技术发展有目共睹。

在我国四川西北的群山深处，有一个总体规模居世界第三、亚洲第一的风洞群，在世界上仅次于美国和前苏联。

该风洞群由中国空气动力研究与发展中心自主设计，拥有50余座配套的低速、高速、超高速气动力和气动热试验设备和特种试验设备。其中包括：8m×6m/16m×12m、4m×3m低速风洞和Φ3.2m亚音速风洞;Φ5m立式风洞、2.4m×2.4m跨音速风洞、1.2m×1.2m跨超音速风洞、Φ0.5m高超音速风洞;Φ2m激波风洞、Φ1m高超音速风洞、Φ0.3m高超音速低密度风洞、200m自由飞弹道靶等。

它拥有全球品类最为齐全的风洞群，其中2.4米跨音速风洞等8座为世界领先量级，可开展从低速到24倍超高音速，从水下、地面到94公里高空范围的气动试验研究。

该中心承担了中国绝大多数的高端风洞试验任务，在国产大飞机降噪、飞机防除冰、飞机和飞艇带飞、火箭助推等关键技术上都能进行试验与数据挖掘。

从“歼-10”、“枭龙”战斗机、“神舟”系列飞船，到磁悬浮、“和谐号”高速列车，再到高达300多米的东方明珠塔、横跨30多公里海面的杭州湾跨海大桥，都在这里进行过风洞试验。

听起来普普通通的风洞，具有比一般人所想象的更为深远的影响。我国风洞技术近年来的迅猛发展，也是我国综合科技实力快速提升的又一有力例证。

编译/前瞻高端装备研究组

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