地球上神奇的风洞如何让我们在太空飞行方面更出色

实验性火星飞船将在NASA最新风洞中应对极端环境。
A rotor in the middle of a large wind tunnel.
倾转旋翼测试台是NASA开发用于研究先进旋翼叶片设计的测试平台,图为2017年11月在美国国家全尺寸空气动力学综合设施的40乘80英尺测试舱内。 NASA/埃姆斯研究中心/Dominic Hart

在航天器登陆火星或未来货运飞机飞越城市上空之前,它们必须在风洞中进行设计和严格测试。就连像波音747这样的大型航空公司使用的客机,也要经过此类测试。这些设施允许工程师们在离地面仅几英尺的高度“驾驶”飞机和航天器。NASA拥有100年的风洞使用历史,现在终于建造了一个新的、为21世纪升级的风洞——这是该机构40多年来建造的第一个新风洞。

NASA飞行动力学研究设施(FDRF)计划于2025年在弗吉尼亚州的兰利研究中心开放,其高度将超过100英尺。NASA领导层认为,这将是创造未来航天器的关键。该机构计划利用新的风洞为载人登陆月球和火星以及前往两个拥有浓厚大气的太阳系天体——金星富含甲烷的土星卫星泰坦的机器人任务做准备。它还将是下一代地面飞机的关键,NASA希望使其更可持续,以实现其到2050年实现净零排放的目标。 

NASA兰利研究中心主任Clayton Turner在该设施奠基仪式的新闻稿中表示:“我们用这个设施所做的事情将真正改变世界。”“我们研究人员谦逊的精神和这项努力将使我们能够达到新的高度,揭示未知,造福人类。” 

风洞通过巨大的风扇将空气吹过静止的物体,以模拟空气围绕、上方和下方飞行的航天器时的运动。这使得工程师能够根据实验结果调整设计,使飞行器更稳定、更具空气动力学性能。风洞是测试新技术的一个安全场所,也是在载人飞行之前测试任何航天器安全性的关键步骤。对于火箭和航天器来说,它同样至关重要,因为工程师必须确保航天器能够安全地穿越行星大气层。(生物学家甚至使用过风洞——尽管不是NASA的——来观察飞行的鹅。)

兰利最近建成的风洞是国家跨音速风洞,建于1980年。该风洞将继续运行,但FDRF将取代两个即将运行80年的现有风洞:1939年的12英尺低速旋转风洞和1940年的20英尺垂直旋转风洞。将在新设施中测试的飞行器将远远超出原建造者的想象。“我们几十年来都没有测试过带有螺旋桨的东西了,”NASA兰利首席工程师Charles “Mike” Fremaux在最近一次关于该项目的社区讲座上开玩笑说。

[相关:如何建造一个大型风力发电场]

第一个NASA风洞(也是美国政府的第一个风洞)建于1921年,位于兰利。它基本上就是一个带有强大风扇的华丽盒子。自那时以来,该机构已建造了40多个风洞,其中许多具有专门用途。有些很小,只用于模型,有些则足够大,可以容纳一整架喷气式飞机。每个风洞都能产生不同的温度、压力和风速,旨在模拟航天器在现实世界中可能遇到的不同条件。一些风洞的气流速度可以超过每小时4000英里,远快于747飞机通常的巡航速度(约每小时600英里)。

许多著名的任务都在风洞中开始它们的旅程。例如,“好奇号”火星车的降落伞早在它在红色星球的大气层中打开之前,就在加州NASA埃姆斯研究中心的国家全尺寸空气动力学综合设施进行了测试。在过去的几年里,NASA“阿尔忒弥斯”任务(旨在让美国人重返月球)的关键部件,包括“猎户座”载人飞船SLS火箭,都在风洞中进行了测试。

A wind tunnel tests a NASA parachute concept in 2007.
2007年10月,在国家全尺寸空气动力学综合设施风洞中测试了火星科学实验室着陆系统的早期降落伞设计。 NASA/JPL/Pioneer Aerospace

FDRF的新风洞将比以往的设施更高效,从而降低成本。此外,对于操作风洞测试的工作人员来说,它将更安全,他们以前有被吸入机器的风险,因为他们需要手动部署模型。“就像我们现在一样……一位技术精湛的技师将手动发射模型。这不是玩笑,”Fremaux在他的演讲中说道。过去只有一些轻微的伤害,大多数事故只是损坏设施本身。但是,现在将有更多的故障安全措施来最大限度地降低风险。

它甚至可能为飞行汽车铺平道路,通过测试垂直起降技术,正如《回到未来》中的悬浮汽车或经典的《杰森一家》式的飞行汽车所展示的那样。那些是遥不可及的想法,但没有经过时间考验的风洞的帮助,它们永远无法起飞。

 

更多优惠、评测和购买指南

 

Briley Lewis

撰稿人

Briley Lewis 博士(她/她)是一位自由撰稿的科学作家和天文学家。在 Twitter @briles_34 上关注她,或访问她的网站 www.briley-lewis.com。


© .