重要なポイント

人類は常に鳥をうらやましく思ってきました。虫食いの部分は無視するかもしれませんが、彼らの飛行の熟練は、天に舞い上がるという私たちの憧れを刺激するのに役立ちました。程度の差こそあれ、人々は空を飛ぶという夢を実現してきました。しかし、727 型機、ミサイル、スペースシャトル、超高速レースカー、スピードボート、レーシングバイク、さらには各種のコンピューターチップさえも、関連する 1 つの技術開発、つまり風洞がなければ実現されなかったかもしれません。

風洞は、ジェット機の翼から車のフロントガラスに至るまで、多くの物体の空気力学をテストするためにエンジニアによって使用されます。科学としての空気力学は、動いている物体の周りの空気やガスの流れを研究します。空気が物体の周囲を移動する (または物体を通過する) 仕組みをより深く理解することで、メーカーはあらゆる種類の製品をより速く、より安全で、より信頼性が高く、より効率的なものを考案および作成できるようになります。

揺れる不安定な風からハリケーンのような爆風まで、母なる地球の風は気まぐれな状態で知られるため、空気力学テストにはほとんど価値がありません。一方、風洞は、この種の試験のための制御された環境を提供します。

風洞は単なる中空の管です。一方の端には、トンネル内に空気の流れを作り出す強力なファンが付いています。一部のトンネルはデスクトップサイズで、非常に小さなオブジェクトのみをテストするのに適しています。他のトンネルは、エンジニアが実物大の航空機や自動車をテストする巨大な構造物です。試験材料は（通常は）静止していますが、トンネル内の急速な空気の流れにより、物体が動いているように見えます。

通常、風洞内にはセンサーや機器があり、物体と風との相互作用に関する確かなデータを科学者に提供します。そして、多くの場合、同じ科学者が実験を視覚的に観察できる窓があります。これらのデータと観察をもとに、エンジニアは圧力、速度、温度、密度などの空気力学の変数に取り組みます。風に乗って速度を上げる飛行機やその他の装置に影響を与える揚力、抗力、衝撃波、その他の条件を測定します。さらに、これらのトンネルは、エンジニアが風が建物や橋などの静止物体とどのように相互作用するかを理解し、それらをより強く、より安全にする方法を見つけるのに役立ちます。

つまり、現代の驚異の多くは風洞のおかげでより高度になっています。しかし、これらのさわやかなマシンに最初に息を吹き込んだのは、飛行の夢でした。次に、風洞がどのようにして現場に到着し、実際にどのように機能するかを説明します。ただし、これはあなたを驚かせるかもしれないテーマの 1 つであるため、最初に両手で帽子をしっかりと握りましょう。

新しい時代の風を吹き込む

人間を天国に連れて行きたいと考えて、初期の航空技術者たちは鳥の例に従おうとしました。たとえば、レオナルド・ダ・ヴィンチは 1485 年にいわゆる「鳥飛行装置」をスケッチしました。しかし、飛行の秘密を明らかにすることになると、私たちの翼のある友人たちはあまり役に立たないことが判明しました。多くの発明家が鳥をヒントにした機械を製造しましたが、それらが土の中で力なくバタバタと動き回るのをただ見ているだけでした。

人間が空を飛ぶためには、翼と風の相互作用をより深く理解する必要があることが明らかになりました。そこで、これら駆け出しの飛行愛好家たちは、強力である程度予測可能な風が吹く丘の頂上、谷、洞窟を探しに行きました。しかし、自然の風では、有益な設計フィードバックを提供できる安定した流れが得られず、人工の風が必要でした。

渦巻く腕の中に入ります。 1746 年、英国の数学者で科学者であるベンジャミン ロビンスは、水平アームを垂直ポールに取り付け、それを回転させてアームを円を描くように回転させました。彼は腕の端にさまざまな物体を取り付け、それらに自家製の遠心分離機の力を加えました。彼のテストにより、物の形状が空気抵抗 (空気力の要素の 1 つである抗力とも呼ばれます) に多大な影響を与えることがすぐに確認されました。

ジョージ・ケイリー卿のような他の実験者はすぐに旋回アームを構築しました。特にケイリーは、抗力と揚力の原理を調査するために、飛行機の翼の断面によく似た翼形の形状をテストしました。揚力は、物体の運動方向に対して垂直に移動する力の要素です。

しかし、回転アームには深刻な副作用があり、回転するときに空気を切り刻み、基本的にすべての結果と観測に大きな影響を与える恐ろしい乱気流を引き起こしました。しかし、このアームは、1 つの記念碑的な進歩をもたらしました。エンジニアは、物体を空中で素早く推進することで揚力を発生させることができることに気づき始めました。つまり、飛ぶために羽ばたく翼を作る必要はなかったのです。その代わりに、人類は十分なパワーと適切な種類の翼構造を必要としていました。科学者たちは、これらの重要な疑問を解決するために、より優れた調査ツールを必要としていました。風洞がその答えでした。

次のページでは、回転するアームがどのようにして風洞に進化したかがわかり、それらの風洞が人類史上最大の技術的成果の 1 つにどのように役立ったかがわかります。

変化の渦巻き

旋回アームが空気を切り裂き、多くの実験を無効にする後流を引き起こしたため、科学者はより穏やかな人工の風を必要としていました。英国航空協会で活動していた英国人のフランク H. ウェンハムは、1871 年にデビューした最初の風洞の建設に資金を提供するよう同協会を説得しました。

ウェナムのトンネルは長さ 12 フィート (3.7 メートル)、平方 18 インチ (45.7 センチメートル) でした。トンネルの端にある蒸気動力のファンのおかげで、時速 40 マイル (時速 64 キロメートル) の風が発生しました。ウェナムはトンネル内で、さまざまな形状の翼形に対する揚力と抗力の影響をテストしました。彼は、翼型の前縁 (リーディング エッジと呼ばれる) を上下に動かし、いわゆる迎え角を変更したところ、特定の形状によって予想よりも優れた揚力が得られることを発見しました。人力飛行が突然、これまで以上に可能になったように思えた。

しかし、トンネルの大まかな設計により、不安定すぎる風が発生し、一貫したテスト結果が得られませんでした。体系的なテストと信頼性の高い結果を得るには、より優れたトンネルが必要でした。 1894 年、イギリス人のホレイショ フィリップスは、ファンの代わりに蒸気噴射システムを使用し、より安定した乱流の少ない空気流を実現しました。

大西洋を越えたオハイオ州で、オービルとウィルバーのライト兄弟は空気力学の研究の発展を追い、グライダーの設計のアイデアを思い描いていました。しかし、彼らのモデルを実際にテストするには時間がかかりすぎることが判明しました。また、計画を改善するのに十分なデータも提供されませんでした。

彼らは風洞が必要であることを知っていました。そこで、少し工夫した後、16 インチ (40.6 センチメートル) のテストセクションを持つトンネルを建設しました。彼らは、翼を 2 つの天秤 (1 つは抗力用、もう 1 つは揚力用) に取り付けて、約 200 種類の異なる翼の形状を実験しました。天びんは翼の性能を測定可能な機械的動作に変換し、兄弟はそれを使用して計算を完了しました。

彼らはゆっくりと、抗力と揚力の適切な組み合わせを見つけることに取り組みました。彼らは、細くて長い翼の方が、短くて厚い翼よりもはるかに大きな揚力をもたらすことに気づき始め、1903 年に綿密な風洞実験が功を奏しました。ライト兄弟はノースカロライナ州キルデビルヒルズで初の有人動力飛行機を飛行させた。主に風洞のおかげで、技術革新の新時代が始まった。

次に、風洞が目に見えない魔法をどのように発揮し、人類を新たな技術時代に押し上げるのにどのように貢献するのかを正確に見ていきます。

風洞内部の仕組み

最初の風洞は、一端にファンが付いた単なるダクトでした。これらのトンネルでは空気が途切れ途切れで不均一になったため、エンジニアはトンネルのレイアウトを微調整して空気の流れを改善するために着実に取り組みました。最新のトンネルは、沈降チャンバー、収縮コーン、テスト セクション、ディフューザー、駆動セクションの 5 つの基本セクションを組み込んだ基本設計のおかげで、よりスムーズな空気の流れを提供します。

空気がトンネルに入ると、渦巻いて混沌とした状態になります。沈降室は、その名前が示すとおりの役割を果たします。多くの場合、ハニカム形の穴のあるパネルやメッシュ スクリーンを使用して、空気を沈降させ、整流するのに役立ちます。その後、空気はすぐに収縮コーン (気流速度を大幅に増加させる狭い空間) を通過します。

エンジニアは、スケール調整したモデルをテスト セクションに配置します。テスト セクションでは、センサーがデータを記録し、科学者が視覚的に観察します。その後、空気はディフューザーに流れ込みます。ディフューザーは広がる円錐形をしており、テスト セクション内で乱流を引き起こすことなく空気の速度をスムーズに減速します。

駆動部には高速エアフローを生み出す軸流ファンを内蔵。このファンは常に、トンネルの入口ではなく、テスト セクションの下流、つまりトンネルの終端に配置されます。この設定により、ファンは空気を押し出すのではなく、スムーズな流れに引き込むことができるため、空気の流れがより不安定になります。

ほとんどの風洞は、単なる長い真っ直ぐな箱、または開回路(オープンリターン) トンネルです。ただし、一部の回路は閉回路(または閉回路) に組み込まれており、基本的に楕円形で、レーストラックのように同じ経路の周りに空気を送り、羽根とハニカム パネルを使用して流れを正確に誘導し方向付けます。

トンネルの壁は非常に滑らかで、欠陥があるとスピードバンプとして機能し、乱気流を引き起こす可能性があります。また、ほとんどの風洞は適度な大きさで、大学の科学研究室に収まるほど小さいため、トンネルに収まるように試験対象物を縮小する必要があります。これらのスケール モデルは、(莫大な費用をかけて) 精密に作られた飛行機全体のミニチュアである可能性があります。あるいは、飛行機の翼やその他の製品の一部である可能性もあります。

エンジニアはさまざまな方法を使用してモデルをテストセクションに取り付けますが、通常、モデルは、気流の中断を避けるためにモデルの後ろに配置されたワイヤーまたは金属ポールを使用して固定されます。風速を記録するセンサーがモデルに取り付けられることもあります。温度、気圧、その他の変数。

科学者がより複雑な空気力学のパズルを組み立てるのに風洞がどのように役立つか、そしてその発見がどのように技術の進歩を促すかについて詳しく知るには、読み続けてください。

スモーク・オン・ザ・エアストリーム

揚力と抗力は、風洞内で作用する空気力学の 2 つの要素にすぎません。特に航空機のテストには、実験の結果に影響を与える可能性のある変数 (ピッチ、ヨー、ロールなど) が多数あります。

被験者が何であっても、テスト中には他の要素も影響します。たとえば、トンネル内の空気の質は変化しやすく、テスト結果に多大な影響を与えます。物体の形状と速度 (または物体を吹き抜ける風) を注意深く測定することに加えて、試験者は実験中に空気の粘度(または粘着性) と圧縮率(弾性) を考慮する必要があります。

もちろん、空気が粘着性の物質であるとは通常は考えませんが、空気が物体の上を移動すると、その分子がその表面に衝突し、たとえ一瞬であってもそれにくっつきます。これにより、オブジェクト自体と同じように、空気の流れに影響を与えるオブジェクトの隣に空気の層である境界層が作成されます。高度、温度、その他の変数は粘性と圧縮性に影響を与える可能性があり、その結果、境界層の特性と抗力、およびテスト オブジェクト全体の空気力学が変化します。

これらすべての条件がテスト対象物にどのような影響を与えるかを理解するには、センサー システムとセンサー データを記録するコンピューターが必要です。ピトー管は気流速度の測定に使用されますが、高度なトンネルでは、気流中の浮遊粒子を「見る」ことによって風速を検出するレーザー風速計が導入されています。圧力プローブは気圧を監視し、水蒸気圧センサーは湿度を追跡します。

センサーに加えて、視覚的な観察も非常に役立ちますが、空気の流れを可視化するために、科学者はさまざまな流れの視覚化技術に依存しています。テストセクションを色付きの煙や水などの液体の細かい霧で満たして、空気がモデル上をどのように移動するかを確認する場合があります。モデルに濃い色付きのオイルを塗布して、風がモデルの表面に沿ってオイルをどのように押し出すかを確認することもあります。

高速ビデオカメラは、科学者が肉眼では明らかでない手がかりを検出できるように、煙や油の移動を記録する場合があります。場合によっては、霧や煙を照射して気流の詳細を明らかにするためにレーザーが使用されます。

風洞は、無限のアイデアやコンセプトをテストするための無限の構成を提供します。読み続ければ、エンジニアたちがお金を見つけて、ほんの少しのアイデアを本格的な技術の嵐に変えるために構築する、想像力豊かなトンネルがわかるでしょう。

AからZまでの風洞

超音速トンネルと極超音速トンネルではファンを使用しません。このような猛烈な空気速度を生成するために、科学者は試験セクションの上流に配置された加圧タンクに蓄えられた圧縮空気の噴射を使用します。そのため、このトンネルはブローダウントンネルと呼ばれることもあります。同様に、極超音速トンネルはショックチューブと呼ばれることもありますが、これはトンネルが発生する強力だが非常に短い爆発を意味します。どちらも非常に多くの電力を必要とするため、通常、短時間または断続的なテストに最適です。

空気圧能力も風洞を区別します。一部のトンネルには、空気圧を下げたり上げたりするための制御装置が付いています。たとえば、 NASA は宇宙船のテストにおいて、火星の低圧大気を模倣するトンネルを設置することができます。

トンネルをサイズ別に分類することもできます。一部は比較的小さいため、縮小モデルまたはオブジェクトのセクションをテストする場合にのみ役立ちます。他のものは実物大で、実物大の車両をテストするのに十分な大きさです。

そして、いくつかの風洞は非常に大きいです。

カリフォルニア州サンノゼ近郊にある NASA のエイムズ研究センターには、世界最大の風洞があります。高さは約 180 フィート (54.8 メートル)、長さは 1,400 フィート (426.7 メートル) 以上あり、試験セクションの 1 つは高さ 80 フィート (24 メートル)、幅 120 フィート (36.5 メートル) で、100 機の航空機を収容できる十分な大きさです。 -翼を広げるとフィート（30メートル）。このトンネルには 4 階建ての高さの 6 台のファンが使用されており、それぞれのファンは 6 台の 22,500 馬力モーターによって駆動され、最大時速 115 マイル (時速 185 キロ) の風を送り出すことができます。

並外れた風洞の要素はサイズだけではありません。読み続ければ、これらのトンネルのいくつかが実際にどれほど現代的であるかがわかるでしょう。

邪悪な風洞

エンジニアは多くの場合、複数の空気力学的変数と環境変数を同時にテストする必要があります。そのため、一部のトンネルでは 1 か所で幅広いテストの可能性が提供されています。ウィーン大型気候風洞は、主に自動車や鉄道車両の試験に使用され、そのようなトンネルの 1 つです。テスト セクションだけでも長さ 328 フィート (100 メートル) で、最大時速 186 マイル (時速 299 キロ) の風速がそこを流れます。

エンジニアは相対湿度を 10 ～ 98% に調整し、温度を華氏 -49 度から 140 度 (摂氏 -45 ～ 60 度) まで下げることができます。その名の通り、ウィーン気候トンネルには、日射量シミュレーターに加えて、雨、雪、氷の機能が備わっています。

特に着氷能力は、飛行機の表面に着氷すると悲惨な結果をもたらし、飛行機の墜落を引き起こす可能性があるため、数十年にわたって風洞において重要な要素となってきました。アイシング トンネルには、空気を冷却し、気流に細かい水滴を噴霧してテスト モデルに釉薬を生成する冷却システムが装備されています。その後、エンジニアは、たとえば飛行機の表面を温める暖房システムを設置するなど、氷の蓄積に対抗するソリューションを工夫することができます。

特定の目的のために設計されたトンネル タイプは他にもたくさんあります。一部の設計では、モデルを固定するためのポールやワイヤーを省略し、代わりに強力な磁石を使用して金属モデルをテストセクションに吊り下げます。科学者がテストエリア内で模型飛行機を実際に「飛行」できるようにするリモートコントロールワイヤーを提供する企業もいます。

テキサス大学アーリントン校の空気力学研究センターには、アーク ジェット トンネルと呼ばれるものがあり、最高で華氏 8,540 度 (摂氏 4,727 度) の非常に高温のガスの超音速流を生成します。この種の温度は、宇宙船が地球の大気圏に再突入する際に高熱にさらされる NASA にとって特に有益です。

一部のトンネルでは空気が完全に省略され、代わりに水を使用します。水は空気と同じように流れますが、空気よりも密度が高く、視認性も高くなります。これらの特性は、科学者が潜水艦や船体の周囲の流れパターンを視覚化したり、非常に高速な航空機やミサイルによって発生する衝撃波をよりよく確認したりするのに役立ちます。

それにしても、この熱い空気と冷たい空気を周囲に吹き付けることに何の意味があるのでしょうか?これは、科学者が熱心に取り組むためだけではありません。次のページでは、風洞が飛行以外のさまざまな活動にどのように役立っているかがわかります。

風洞がその価値を証明する

エンジニアや製造の専門家は、飛行機や宇宙船だけでなく、あらゆる種類の産業製品や消費者向け製品を改良するために風洞を使用しています。特に自動車メーカーは風洞に大きく依存しています。

ゼネラル モーターズの空気力学研究所には、自動車の空気力学を研究するための最大の風洞があります。 30 年前にトンネルを建設して以来、同社のエンジニアは車両の抗力係数を約 25% 削減しました。この種の改善により、燃費が 1 ガロンあたり 2 ～ 3 マイル向上します。

レースカーメーカーは、トンネルを使用して車の空力特性、特に速度と効率を改善し、競争力を高めています。たとえば、AeroDyn Wind Tunnel はノースカロライナ州にあり、フルサイズのNASCARストックカーやその他のレーシングカーやトラックのテストを専門としています。 Windshear という別の会社もノースカロライナ州で事業を展開しており、ローリングロードを内蔵した高度な閉回路トンネルを所有しています。これは基本的に自動車用の巨大なトレッドミルです。

エレクトロニクス エンジニアは、小型の風洞を使用して、空気の流れがコンポーネント内の熱の蓄積にどのような影響を与えるかを確認します。そうすれば、より低温で長持ちするコンピューター チップやマザーボードを設計できるようになります。公益事業の管理者は、発電に使用される風力タービンをテストするために風洞を使用します。風洞はタービンとブレードの効率、効果、耐久性を高めるのに役立ち、継続的な強力な突風に耐えることができます。しかし、風洞は、エンジニアが風力発電所のレイアウトとタービンの間隔を決定し、電力を消費する乱流を最小限に抑えながら効率を最大化するのにも役立ちます。

風洞やテストモデルの製作費は決して安くありません。そのため、ますます多くの組織が風洞を停止し、物理モデルや風洞の代わりにコンピュータ モデリング (数値流体力学とも呼ばれる) に移行しています。さらに、コンピュータを使用すると、エンジニアは時間のかかる (そして高価な) 手作業を行わずに、モデルとテスト セクションの無限の変数を調整できます。物理トンネルは、コンピュータ モデリングの結果を再テストするためだけに使用されることがあります。

建設エンジニアは、風力工学テストにコンピューター モデリングを使用して、高層ビル、橋、その他の構造物の設計と建設を支援します。彼らは、建物をより安全で丈夫にするために、建物の形状、材料、風の相互作用を研究しています。

しかし今のところ、風洞は依然として世界中で現役で使用されており、科学者がより安全でより効率的な製品やあらゆる種類の車両を製造するのに役立っています。そして、たとえ新しい仮想テクノロジーが最終的に物理的な風洞に取って代わったとしても、これらのエンジニアリングの驚異は人類の発展の歴史の中に常に位置し続けるでしょう。