□作者: 劉 軍 蘭小紅
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作為科技壯舉的“舞台總監”，它的姓名您也許生疏。火箭定型、飛船上天要有它的“意見書”，飛機出廠、導彈升空要從它那里獲得“通行證”。它永遠不露聲色地輔佐中國尖端國防科技快速前行，並為其插上騰飛的翅膀。這就是 ——
1980年5月18日，我國向太平洋海域成功發射了一枚遠程運載火箭，在西方引起一片震驚。某些軍事和航空航天專家們驚詫之余迅速作出判斷︰中國已經建成高水平的飛行器空氣動力試驗機構。
這確是一個科學的判斷，也是一個令西方某些大國意想不到又不得不接受的“嚴酷”事實。
之後，隨著中國研制的火箭、導彈、新型飛機的不斷升空，那個被國外軍事觀察家稱之為“高水平的飛行器空氣動力試驗機構”也漸漸浮出水面。這就是為衛星、導彈、飛船等尖端飛行器提供模擬試驗的中國風洞群。此時，它們正在川西北的大山深處高速運轉。
昨天的秘密 今天的奇跡
什麼是風洞呢？簡單地講，就是依據運動的相對性原理，將飛行器模型或實物固定在風洞試驗段內，人為制造氣流流過飛行器模型，以此模擬其在空中各種復雜的飛行姿態，獲取飛行器設計試驗數據的地面模擬試驗設備，是現代飛機、導彈、火箭、飛船等研制定型和生產的“搖籃”。
20世紀60年代，一群來自北京、沈陽、哈爾濱的知識精英，來到“天府之國”一個鮮為人知的地方，經過幾十年的艱苦奮斗，大山中崛起了一座座寄托中國人強國希望和探索飛天奧秘的神奇宮殿——亞洲最大的風洞群。
風洞群中有低速、高速、超高速風洞和激波、電弧等各種風洞。具備各類飛機、導彈、衛星、運載火箭及飛船等航空航天器空氣動力研究試驗能力。世界著名空氣動力學家、法國宇航院院長奧里維爾博士來此參觀後不禁嘆道︰“我確信，這是一項能使中國走向巨大成功的世界性成就！”
風洞周圍群山環抱，植被茂密。當年出于形勢的需要，建設的風洞主要安置在巨大的人工山洞里。山洞綿延數千米，橫貫幾座山，從外表看，很難想象山里有洞，洞里臥虎藏龍。這些山洞都是人工開鑿的，其難度可想而知。現在我們仍能在裸露的洞壁上看到大拇指粗的穩固性鋼筋頭，據說人工山洞其堅固性能抗8級以上地震。洞口掩映在綠樹叢中，毫不起眼，只有試驗時那一陣陣巨大的轟鳴聲，告訴前來參觀的人們，這里是航天航空巨人出生的搖籃。不過，如今新修建的風洞已不需要山洞掩蔽，而是昂然矗立地面。
航空航天聖殿的“監察官”國防尖端武器的“度量衡”
在這座國防教育基地里，讓人自然產生一種強烈的民族自豪感——共和國的許多“科技奇跡”，使世界諸強不敢小視。我們自行研制的許多武器裝備，絕大部分經過風洞測試。
空氣動力學是航空航天工業的基礎學科，風洞試驗作為它的主要研究手段，其水平高低和一個國家的尖端科技水平尤其國防軍事的強弱緊密聯系。世界發達國家非常重視發展空氣動力試驗研究機構。德國早在1907年就成立了“哥廷根空氣動力試驗院”，並在1955年至1975年的20年間，不惜巨資修建了71座低速、高速、超高速和特種風洞，在世界上率先研制出噴氣式飛機、彈道導彈；美國于1915年就成立了國家空氣動力研究機構，80年代推出的“星球大戰”計劃，技術上也是以世界上最先進和龐大的風洞群為保障的，並牢牢佔據了世界航空航天領域的“霸主”地位。
新中國成立後，我們從零開始發展航空航天事業。當發達國家有了強大的空軍和不斷升天的飛機、導彈、衛星時，中國還在為買來的飛機苦苦思索︰它到底能飛多高？作戰半徑有多大？爬行極限是多少？買來的飛機性能只有靠試飛員冒著生命危險去摸索；設計的導彈只能做實彈試驗；自己研制的飛機只有花大把外匯，拿到別人的風洞里去做試驗……一個數據、一個試驗都要花很多外匯，還要看別人的臉色行事。往往試驗人家給做，但風洞不能進，數據出來，對不對，能不能用，自己看著辦。可以說，無風洞，已成為當年制約我國航空航天以及國防工業發展的瓶頸。
這里能圓“飛天夢”這里通往強國路
在人類實現航空航天飛行的道路上，“音障”曾是一座險峻的高峰，其強大的阻力使飛行器很難達到超聲速飛行，而且容易造成機毀人亡。必須事先借助風洞的準確試驗，找出應對辦法。
我國于20世紀60年代中期開始建造1.2米跨超聲速風洞。因眾所周知的原因，這座風洞竟是建在幾百米深的花崗石山洞中，這在世界風洞建設史上都是罕見的。1.2米風洞在建成後的14年時間里，共完成500余項課題和型號研究試驗，吹風10萬余次，為我國國防軍事工業的迅速崛起立下了汗馬功勞，被譽為“功勛風洞”。
毫無疑問，風洞越大，模型越大，試驗誤差就越小。另外，隨著飛行器速度、機動性、越來越多的外掛物等功能的增加，小型風洞已無法滿足試驗，只有求助于大型和特種風洞。為此，我國于1994年開始建造亞洲最大的2.4米跨聲速風洞，1998年底正式投入試驗。它的建成，使我國高速風洞綜合試驗能力躋身世界先進行列。
此外，風洞群中還有2米激波風洞和200米自由飛彈道靶等一些特種風洞裝置。後者是空氣不動模型動，即用一種特制發射裝置在瞬間使模型快速運動，在幾十毫秒之間模擬出導彈、衛星飛行的環境，求出飛行器需要的準確參數。 這些特種風洞在我國戰略武器的研制和航天技術的發展中發揮了巨大而獨特的作用。隨著我國航空航天向外圍空間的不斷拓展和戰略武器性能的提高，高超聲速風洞將起著越來越重要的作用。
風洞不僅適用于國防軍事，還服務于國民經濟建設，像低速風洞還更多地應用于工業設備研究。隨著國家經濟建設的發展， 低速風洞在民用航空、鐵路、汽車和機車、風能利用、建築、環保等方面也起著越來越巨大的作用。現在仍雄居亞洲之首的8米×6米風洞無疑是亞洲低速風洞中的“大哥大”。該風洞自1977年建成以來，在國家經濟建設中發揮了巨大作用，近30年來先後進行了多枚通信衛星、上海東方明珠電視塔、楊浦大橋及高速機車等近千項地面風載試驗，一大批國家重點建設項目相繼在風洞里獲得合格與專利證書。
2003年10年15日，我國自行研制的神舟五號載人飛船發射成功。這是中華民族將在本世紀實現強國夢的重要信號。世界再次聚焦中國風洞。我國航空航天事業和尖端國防技術從零起步， 迅速取得巨大成就，風洞試驗功不可沒。
自卡爾•央斯基偶然發現了來自銀河系的射電輻射，雷伯建造了世界上第一台天文射電望遠鏡，美國就成為射電天文學的發源地。到了20世紀50年代中期，國際上形成了幾個射電天文中心，以英國的實力最強︰劍橋大學發展大型射電干涉儀，繼而孕育綜合孔徑射電望遠鏡方案；曼徹斯特大學建造了世界上口徑最大的76米可跟蹤射電望遠鏡。而此時的美國逐漸落在了其它國家的後面。為了重新奪回射電天文學的領先地位。在20世紀60年代初，他們開始構想建造甚大陣，分辨率要達到1角秒，靈敏度則要達到0.1毫央斯基，目的就是要超過英國劍橋大學的綜合孔徑射電望遠鏡。從構思到實現花了20年，終于在1980年向世人推出世界上最強大的綜合孔徑射電望遠鏡——VLA。
威力強大的甚大陣
甚大陣的設計原則是按照英國賴爾提出的原理，但是從靈敏度、分辨率、成像速度和頻率覆蓋四個方面全面超過英國賴爾綜合孔徑射電望遠鏡。
甚大陣從1961年開始籌劃、設計，經過20年的努力，終于在新墨西哥州的一個荒原上出現了一個巨大的天線陣，它相當于一個中等城市，巍巍壯觀。望遠鏡由27面直徑25米的可移動的拋物面天線組成，分別安置在三個鋪有鐵軌的臂上，呈Y形。2個臂長是21千米，另一個臂長為20千米。每個臂上放置9面天線。工作波段最短可達到0.7厘米，因此天線拋物面的精度非常高。最高分辨角為0.05角秒，已經優于地面上的大型光學望遠鏡了。甚大陣望遠鏡進行觀測是依靠自動化系統來控制和管理的。
望遠鏡的靈敏度由總接收面積決定，甚大陣的27面25米的天線，總接收面積達到5萬3千平方米，相當于口徑為130米的單天線。 因此甚大陣的靈敏度比賴爾望遠鏡高出12.5倍。就空間分辨率來說，甚大陣的最大基線是36千米，比賴爾望遠鏡大7倍多，在相同的波段上的分辨率要提高7倍，由于最短工作波長可達0.7厘米，因此甚大陣的最高分辨率要比賴爾望遠鏡高20倍，達到0.05角秒。相當于在150千米外看清楚一個高爾夫球。賴爾望遠鏡的8面天線是東西方向一字排開，利用地球自轉，需要對一個目標觀測12小時，才能移動天線以獲得另一種天線間距的觀測。而甚大陣采用Y形排列，可以獲得小于8小時的快速成像。
甚大陣的天線和接收機
甚大陣是在1973年4月開始興建的，1975年9月第一個天線到位，1980 年甚大陣全部完成並投入使用，比原計劃提前1年。在1977∼1978年，科學家們已經用建成的部分天線取得了很好的觀測成果。。
甚大陣的每個天線的直徑為25米，重230噸。在使用時有4種陣形︰ A陣，天線分離最大，36千米；B陣，天線分離3.6千米； C陣，天線分離1千米。望遠鏡每4個月換一次陣形。以適應不同的觀測課題。天線的運轉和控制快速而靈活。方位角每分鐘可移動40度；仰角每分鐘20度。地平8度以上的天體均可進行觀測。
甚大陣的頻率覆蓋很寬，從74MHz到50GHz（約為400∼0.7cm）。因此饋源和接收機系統就比較復雜。在低頻段，可實現4個頻段的同時觀測，較高的頻段則分為P、L、C、X、U、K、Q七個頻段。各頻段的視場、分辨率和系統的噪聲溫度如上表所示︰
擴展的甚大陣（EVLA）
為了進一步提高甚大陣的威力，美國射電天文學家要在現有的基礎上（27面25米天線）加以擴建，取名為EVLA。在離現在的甚大陣250千米遠增加8個新的觀測站。這將使現在的設備的科學能力大大提高，使所有的觀測參數品質提高10倍。
在頻率5GHz以下靈敏度提高5倍，在10∼50GHz靈敏度要提高20倍。頻率範圍在1∼50GHz，但是可以延展到300MHz。頻率分辨率很強，具有262144個頻率通道可提供靈活、可變化的頻率分辨率1MHz和1Hz。最大的空間分辨率從0.004角秒（50GHz）到0.2角秒（1GHz），這個分辨率已經達到了一般的甚長基線干涉（VLBI）的高分辨率了。
成就卓著
甚大陣在1980年建成後使射電觀測能力極大地增強。它的分辨率和靈敏度都比劍橋大學綜合孔徑射電望遠鏡的情況提高了一個數量級，看得更遠，分辨得更清楚。20年來，來自世界各國天文研究院、所的2200多位學者使用甚大陣進行了1萬多個課題的觀測。這些課題幾乎涉及天文學研究的全部領域，無所不包，從行星學科到宇宙論。當然，最具威力的是對遙遠而微弱的天體的分辨和成像觀測。
在金牛座中，有一個名為LDN1551的由氣體和塵埃組成的巨大的分子雲。在那里類似太陽大小或更小一些的恆星不斷地誕生，成為年輕恆星集聚的地方，引起天文學家的關注。甚大陣對準一個以前的紅外和射電觀測都認為是單個的恆星，出人意料的發現這個天體並不是一個單個的年輕恆星，而是一對年輕的雙星。（尺度棒代表20天文單位的距離）甚大陣超群的分辨率把這個相距很近的雙星分辨得很清楚，而且，還把圍繞恆星的由塵埃組成的軌道盤狀物清楚地顯現出來。這個離我們450光年遠的雙星的線間距只有太陽到冥王星的距離，其角徑非常之小，要不是甚大陣超強的分辨率，是不可能分辨出的。
噴流現象是天文學家觀測到的宇宙中最奇特的現象之一。甚大陣的高分辨率觀測給出一批射電源的噴流資料。射電源3C449是一個巨橢圓星系，甚大陣展示出了它的“核－雙噴流－雙展源”結構。兩個分離的展源稱為射電源的瓣，兩個瓣之間有一個致密源為星系核，星系核的兩邊有兩個準直性很強的射電輻射束，稱為噴流，一直射到兩個瓣。噴流是能量從核傳輸到外面的射電展源（瓣）的通道，而光學觀測到的噴流尺度只有射電的1/10。
1994年發現的微類星體是甚大陣在建立以來最有價值的成果之一。微類星體被認為是由中子星或黑洞組成的雙星系統，發射X射線，只有幾個太陽質量。它與有著巨大質量的星系核或類星體有著共同的現象，如極端的能量和噴流。甚大陣給世人展示一個生動的產生雙源的爆發過程。左下圖最上面圖像是第一次觀測結果，其核心是X射線源，天文學家推測是由黑洞和一個伴星組成的雙星系統。在幾天以後，一個巨大的噴射事件產生了兩個分別向左右移動的致密體，第二個圖中的十字符號是固定源的位置。圖的右邊標出觀測的日期，從3月18日到4月16日近一個月，這兩個致密源的分離超過了1萬個天文單位。兩個致密源真實的速度為0.92倍光速。黑洞的引力把持正常恆星在一個緊密的軌道上，從伴星來的氣體被傳輸或吸積到黑洞，產生百萬度的高溫，從而輻射X射線。
甚大陣綜合孔徑射電望遠鏡已經在天文觀測上奠定了自己輝煌的地位，向人們展示了宇宙演化中多姿多彩的場景。在天文學家的眼中，它無疑還會是今後一段時間內的寵兒。
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空氣動力學是目前世界科學領域里最為活躍最具有發展潛力的學科之一。它的巨大作用我們也無需贅述。世界各發達國家對空氣動力學的發展都給予了高度重視。不惜花費巨額資金建設有關空氣動力實驗設施和開展研究工作。
美國 早在20世紀80年代中期出台的震憾全球的超級跨世紀工程——“星球大戰”計劃中，曾把作為基礎學科的空氣動力學放在非常突出的重要位置上。的確，不首先在空氣動力學上獲得重大突破，這個將耗資1萬億美元的超級工程，很多關鍵技術將無法解決。緊接著在1985年發表的“美國航空航天2000年”中，也把空氣動力學列為需要解決的七個問題中的第一位。而剩下的六個問題中還有四個與空氣動力學有關。並花費巨額投資研制了每秒20億次的超級計算機專門為空氣動力學研究服務。
甦聯 在“十月革命”勝利後的第二年，列寧就下令組建了國家空氣動力研究機構——中央流體動力研究院，任命“俄羅斯航空之父”儒可夫斯基擔任院長，為甦聯成為世界上另一個航天大國奠定了堅實的基礎。二次大戰之前，斯大林曾下令建造了世界上第一座可用以進行整架飛機試驗的全尺寸風洞。與美國相比，甦聯在空氣動力學的整體水平上毫不示弱，甚至在許多方面領先于美國，它在航空航天領域取得的一系列成就足以說明這一點。
英國、法國 兩國在二次大戰前均為名列前茅的老牌航空先進國家，戰後突然發現自己比美、甦等國落後了一截，于是重整旗鼓、奮起直追。在戰後第二年，法國政府便決定把因戰爭和被佔領分散到全國各地的研究機構組織到一起，組建了國家空氣動力研究機構，並在阿爾卑斯山腹地開始創建莫當試驗中心，堪稱世界上第一流的大功率空氣動力試驗風洞設備。曾經發明了世界上第一座風洞的英國人更是不甘落後，除了政府加強對空氣動力學的領導規劃之外，充分利用大學進行基礎學科的研究。據有關資料透露，在英國的46所大學里，至少有30個以上高水平的空氣動力研究試驗室。
日本 在戰後受到限制的情況下，日本的航空工業曾有過長達8年的空白。但在此期間，其基礎研究——空氣動力學則進展神速。僅60年代，就先後仿制出11種飛機，自行設計8種飛機。
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