اهمیت فراهم ساختن امکانات تجربی در داخل آزمایشگاه به منظور ایجاد جریان هوا به سال 1871 برمیگردد.
در این آزمایشگاه ها قادر بودند تا پرواز واقعی را در ابعاد آزملیشگاهی مدل کنند.در آن زمان فرانسیس ون هام از انگلستان اولین تونل باد تاریخ را ساخته و مورد استفاده قرار می‌دهد.
از آن تاریخ تا اواسط سال ۱۹۳۰ تقریباً همه تونل‌های باد به منظور ایجاد جریان‌هایی با سرعت ۰ تا ۲۵۰ مایل بر ساعت طراحی شدند.در اواخر سال ۱۹۴۰، گسترش و توسعه هواپیماها به‌طور فزاینده‌ای گران شد همچنین هزینهٔ طراح‌های ناموفق هواپیما رو به افزایش بود.
به همین علت طراحان هواپیما دنبال راهی برای مدل کردن هواپیما به صورت ریاضی و شبیه‌سازی پایداری و کنترل می‌گشتند. این مسئله با افزایش سرعت هواپیماها همراه شد و باعث افزایش نیاز به تونل‌های باد پیچیده تر گشت.و به‌طور اختصاصی بعد از جنگ جهانی دوم به تونل‌های ما فوق صوت نیاز بود.
تونل باد دستگاهي است كه جريان هوا با شرايط مشخص سرعت و فشار را روي يك مدل ساكن جهت شبيه‌سازی شرايط پرواز واقعی ايجاد كرده و با ابزارآلات اندازه‌گيری، مشخصات پروازی جسم پرنده مورد نظر در شرايط مختلف بررسی میشود.
تونل‌های باد ما فوق صوت به صورتی کار می‌کنند که بر خلاف منطق به نظر می‌آید. مثلاً در گلوگاه تونل باد تنگ شده انتظار می‌رود که سرعت بادی که از میان آن عبور می‌کند، افزایش یابد. بنابراین به نظر می‌آید که در چنین تونل بادهایی مدل باید در گلوگاه قرار گیرد تا با سطح بالاتری از سرعت جریان در تماس باشد.اما واقعیت این است که به محض رسیدن جریان به این قسمت سرعت هواپیما به ماخ ۱ می‌رسد، هوا متراکم و گرم میشود.وقتی که هوا از این گلوگاه عبور می‌کند انرژی که در هوا به علت متراکم شدن و گرم شدن ذخیره شده بود، به انرژی جنبشی تبدیل می‌گردد.
یعنی تمام این انرژی ذخیره شده مجبور به تبدیل شدن به گونه دیگری از انرژی می‌باشد.در فرم جدید میزان زیادی هوا با سرعت بسیار بالا در حال حرکت از میان تونل می‌باشد. تونل باد ما فوق صوت به این طریق کار می‌کند و مدل در مقطعی از تونل که گشاد میشود قرار می‌گیرد.
تعداد بسیار زیادی تونل ما فوق صوت کوچک در دهٔ ۴۰ میلادی مورد استفاده بودند.اما طراحان هواپیما به تونل‌های بزرگتری برای مدل هایشان نیاز داشتند. در سال 1948 ناکا شروع به ساخت تونل بادهای مافوق صوتی با ابعاد ۱٫۲*۱٫۲ متر در مرکز تحقیقاتی لانگلی در سواحل اتلانتیک در ویرجینیا کرد. در همین زمان تأسیسات دیگر ناسا در مرکز ایمز واقع در کالیفرنیا نیز شروع به شاخت تونل مافوق صوت بزرگتر و پیچیده تر کرد.
متد دیگر دست یابی به سرعت‌های بالا این می‌باشد که مدل از داخل لولهٔ یک اسلحه، در داخل تونل باد بر خلاف جریان شلیک شود. در این حالت سرعت مدل با سرعت جریان هوا جمع میشود و سرعت شبیه‌سازی شدهٔ بالایی را ایجاد می‌کند. مدل‌ها در حالی که با سرعت بالا حرکت می‌کنند، عکس برداری می‌شوند. در این متد به خاطر این که برای رسیدن به سرعت‌های ماورائ صوت فقط هوا به تنهایی حرکت نمی‌کند، مشکلی در رابطه با مایع شدن (تغییر فاز) هوا ایجاد نمی‌شود. اما مدل‌ها در پروسهٔ آزمایش از بین می‌روند.
یکی از پیشرفت‌های مهم در طول این مدت (۱۹۴۰ تا ۱۹۵۰)، شیارهای داخل دیوارهٔ تونل باد بود. یک مشکل بزرگ با تونل‌های باد این بود که جریان هوای ردشده از مدل می‌تواند با دیوارهٔ تونل برخورد کند. و به سمت مدل برمی گردد یا در وسایل ای آزمایش اختلال ایجاد می‌کند. ری رایت، یک محقق در مرکز تحقیقاتی لانگلی پیشنهاد کرد که شیارهایی در دیوارهٔ تونل باد ایجاد شود. تا هوا در اطراف مدل راحت‌تر حرکت کند. یک گروه دیگر از متخصصان آیرودینامیک به سرپرستی جان استک این روش را در یک تونل مافوق صوت به کاربردند. که فوراً بسیاری از مشکلاتی را که آن‌ها در سرعت‌های نزدیک ماخ ۱ با آن مواجه بودند حل کرد. به عنوان نتیجهٔ کار آن‌ها جایزه ی کلییرترافی در سال ۱۹۹۵ به استک و گروه او داده شد. جایزه‌ای که مهم‌ترین پیشرفت در دانش هوانوردی در سال را نشان می‌دهد.
همچنین استفاده کردن از تونل باد برای طراحی هواپیماهای جدید، مشکلاتی را نیز که بر روی هواپیماهایی که تازه عملیاتی شده بودند، حل می‌کند. یک مشکل که هواپیماهایی که در دمای پایین پرواز می‌کنند، عاجز می‌کند یخ می‌باشد. یخ بر روی ملخ‌ها و بدنهٔ هواپیما، مخصوصاً ٌ بال‌ها تشکیل میشود. بر عملکرد هواپیما تأثیر مخربی دارد. تشکیل یخ به‌طور اختصاصی روی بال‌ها بد می‌باشد زیرا می‌تواند لیفت را از بین ببرد. باعث از دست رفتن ارتفاع هواپیما وسقوط آن میشود. و می‌تواند جلوی حرکت سطوح کنترل را گرفته و پرواز را برای خلبان غیرممکن کند.
توسعهٔ ساخت تونل‌های یخی در دههٔ ۴۰ برای مطالعه روی این مسئله شروع شد. آن‌ها شبیه تونل‌های سادهٔ مادون صوت ساده هستند. اما با سیستم خنک‌کننده‌ای که می‌تواند هوا را به خوبی تا زیر دمای یخ زدن خنک کند مجهز شده‌اند. قطرات آب درون جریان هوا افشانده میشود تا روی بدنهٔ هواپیما یخ بزنند. مهندسان تشکیل یخ روی هواپیما را نظارت می‌کنند. وسائل ضد یخ مثل گرم کن‌های برقی یا لوله‌های شامل مایع ضدیخ مثل الکل در قطعاتی از هواپیما که بیشتریین میزان یخ تشکیل میشود نصب شده‌اند. در تونل یخ وقتی یخ شروع به تشکیل روی بدنهٔ هواپیما می‌کند، گرم کن‌ها روشن می‌شونند. و محققان تأثیر این وسایل را در جلوگیری از تشکیل یخ را بررسی می‌کنند.
“تونل‌های گردش” که رفتار هواپیما را وقتی که خارج از کنترل، پرواز و شروع به گردش می‌کند را آزمایش می‌کنند. این تونل‌ها آزمایش می‌کنند که آیا در این حالت خلبان می‌تواند پرواز را به حالت عادی برگرداند یا باید اجکت کند. تونل‌های پرواز آزاد نیز وجود دارند. جایی که مدل‌ها توسط کنترل از راه دور واقعاً به پرواز در می‌آیند، به کمک خلبانی که در اتاق کنترل نشسته و سیگنال‌ها را از طریق کابل متصل به هواپیما می‌فرستد.
تونل‌های کوره مانندی برای تست چگونگی رفتار موشک‌ها و فضاپیماها در جریان‌های دما بالا وجود دارند. مثلاً وقتی که در حال برگشت به اتمسفر زمین هستند. تونل‌های مغناطیسی نیز وجود دارند. جایی که مدل داخل تونل توسط میدان‌های قدرتمند مغناطیسی در حال تعادل نگه داشته می‌شوند و اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق تری برداشته شود.
کشورهای برجسته در ساخت تونل باد
قبل از دههٔ ۵۰ میلادی بیشتر تونل‌های باد، در ایالات متحده ساخته شدند وهمه توسط ناکا اداره می‌شدند. اما در سال ۱۹۴۶ در نتیجهٔ یک مطالعه در مورد تونل‌های باد در ایالات متحده این پیشنهاد شد که صنعت و دانشگاه‌ها نقش بزرگتری در توسعهٔ تونل‌های باد دارند. این مسئله به عقد قرار داد تونل باد ملی در ۱۹۴۹ سرانجام یافت. قرار داد، تونل‌های باد مافوق صوت جدید را در سه تاٌسیسات اصلی ناکا را مقرر کرد. همچنین برایجاد تونل‌های مافوق صوت مشخص در دانشگاه‌ها پا فشاری می‌کرد. پیشرفت‌ها در تونل‌های باد دانشگاهی به صورت پایه‌ای از دو جهت مهم بود، تا هم نتایج تحقیقات ناکا را چک کند و هم مهندسان جدید در علم آئرودینامیک آموزش دهد، و کمتر شدن نقش بودجهٔ دولت در تحقیقات تونل باد را نشان دهد.
برای سال‌ها تونل‌های باد راه کم خرج تری را برای تست هواپیما نسبت به ساخت هواپیما با سایز اصلی ارائه کردند. اما تحقیقات تونل باد نیز گران بوده و هست. آزمایش یک طرح جدید هواپیما در یک تونل باد میلیون‌ها دلار خرج دارد. در نتیجه طراحان به‌طور فزاینده‌ای به سمت کامپیوتر و متدهایی، که حل عددی مکانیک سیالات (هوا، آب، …) گفته میشود، تغییر مسیر دادند. متدی که جریان سیال را به‌طور کامل شبیه‌سازی می‌کند. کامپیوترهای قدرتمند نسبتاًارزان بوده و مدل‌های کامپیوتری خیلی راحت‌تر از مدل‌های فیزیکی که از پلاستیک، آهن یا چوب ساخته می‌شوند قابل تغییر هستند.
امروزه تونل‌های باد کمتر و کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند و تونل‌های باد غول پیکری که مورد نیاز بودند ،اکنون فقط به عنوان پشتوانهٔ شبیه‌سازی‌های کامپیوتری مورد استفاده هستند. تا ثابت کنند که حدس‌های عددی درست هستند. گرچه در بسیاری از موارد مهم، طراحان هواپیما مجبور به استفاده از تونل‌های باد برای آزمایش طرح هایشان بعد از شبیه‌سازی و حدس اشتباه هستند. برای مثال موشک هوا پرتاب “پگاسوس ایکس ال” تلفات داد، در یک نقص ایرودینامیکی در پرواز که پیش‌بینی نشده بود. اما در طول سال‌ها بیشتر تونل‌های بزرگ باد ساخت ناکا ممکن است به‌طور کامل خاموش شوند. صدای مهیب آن‌ها با صدای وزوز کردن فن کامپیوترها جانشین شده‌است.
مطالب هوافضا را با ما دنبال کنید.