美国空气动力地面试验能力及发展趋势分析

孙宗祥，李文佳，唐志共，郭楚微，罗月培，孙杭义

(中国空气动力研究与发展中心，绵阳 621000)

0 引 言

空气动力学是航空航天飞行器设计最重要的基础学科和关键技术。随着空气动力学的发展，空气动力学研究机构也在不断发展壮大。二战前，著名科学家普朗特于1907年在哥廷根组建“飞艇协会试验基地”，即后来的“哥廷根空气动力研究所”，成为德国乃至世界最早的空气动力学研究机构，也是世界空气动力学研究的“圣地”，由此诞生了以普朗特、托明、施里希廷、冯·卡门、布兹曼、钱学森等著名航空航天科学家为代表的哥廷根学派，而德国也引领了当时的世界航空工业的发展。在此之后，美国成立了国家航空咨询委员会（National Advisory Committee for Aeronautics, NACA），即美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）的前身，苏联创建了中央流体动力研究院（TsAGI），相继推动了美国、苏联空气动力学和航空航天领域的发展。二战后，美国在著名空气动力学家冯·卡门博士倡议下建立了著名的阿诺德工程发展中心（Arnold Engineering Development Center, AEDC），并加大了对NASA兰利、阿姆斯、格林研究中心等空气动力相关研究机构的投资建设，同时，负责飞行器设计研制的工业部门和负责基础研究的高校也都加强了空气动力试验研究能力建设，构建了军方以AEDC为代表、政府以NASA为代表以及工业部门和高校的空气动力试验研究体系。由此美国迅速成为世界上空气动力学研究实力最强的国家，在空气动力试验研究、飞行器创新研究、空气动力学学科发展等方面都起着引领作用。

美国的空气动力试验设备以风洞为主，其主要建设时期集中在20世纪五六十年代，到80年代初期基本全部建成，在90年代，为了满足高超声速高雷诺数试验模拟需求，建成两座新的激波风洞LENS I和LENS II。在21世纪头十年，为了满足高焓试验模拟需求，又相继建成了两座膨胀管风洞LENS X和LENS XX。之后，主要是维护、改造以及信息化升级，没有再建设大型风洞试验设备。近年来，随着高超声速飞行器的发展，高超声速边界层转捩研究需求日益增长，美国空军研究实验室投资在圣母大学和普渡大学新建了2座高超声速静音风洞，其他高校也相继建设了一系列路德维希管风洞用于基础研究。同时，随着航空航天飞行器发展需求变化和空气动力技术的日趋成熟，美国也相继关停、拆除了一些冗余设备。近年来，随着高超声速飞行器的蓬勃发展，美国又重启、改造和新建了一批高超声速试验设备。

为了厘清美国空气动力试验研究能力情况，分析其发展路径和趋势，通过广泛资料调研和深入研究分析，本文简要介绍了美国空气动力相关研究机构概况，综合分析了美国空气动力地面试验能力现状、优势与短板、经验与教训，研判了其发展趋势。希望通过对美国的研究，为优化完善我国空气动力学试验研究体系、促进我国飞行器自主创新发展提供参考。

1 美国空气动力相关试验研究机构概况

美国作为世界航空航天大国，拥有世界上最为庞大和完整的国防科研体系，其组织架构为总统集中决策，国会立法和监督，国防部（United States Department of Defense, DOD）、能源部（Department of Energy, DOE）、NASA及其他相关部门各司其责并协调领导的体制，科研力量以政府研究机构为核心、各方力量广泛参与。

美国开展空气动力试验研究的机构分布见图1，主要包括：国防部下属三军科研机构和试验中心—空军的阿诺德工程发展中心（AEDC）、空军研究实验室（Air Force Research Laboratory, AFRL）、美国空军学院、美国海军研究实验室、陆军研究实验室、陆军航空和导弹研发与工程中心等；NASA所属兰利研究中心、阿姆斯研究中心、格林研究中心、阿姆斯特朗飞行研究中心等；能源部所属桑迪亚国家实验室、橡树岭国家实验室等；工业部门主要有波音公司、洛克希德·马丁公司、诺斯罗普·格鲁曼公司、雷神技术公司等；高校有马里兰大学、普渡大学、圣母大学、德克萨斯农工大学、约翰·霍普金斯大学等；以及卡尔斯潘大学-布法罗研究中心（CUBRC）、高超声速研究/试验卓越中心和CFD研究公司等专业机构。

图1 美国空气动力相关试验研究机构分布图Fig. 1 Distribution of the USA aerodynamic test and research institutions

在这些机构中，目前空气动力试验研究能力较强的核心机构主要有AEDC、AFRL、NASA兰利研究中心、阿姆斯研究中心、格林研究中心、波音公司、普渡大学、圣母大学、德克萨斯农工大学、桑迪亚国家实验室、卡尔斯潘-布法罗研究中心等11个。表1列出了这11个核心机构的空气动力试验研究能力概况，表中加下划线的设备属于美国国防部认定的16座核心高超声速设备[1]。

表1 美国11个气动试验研究能力核心机构Table 1 Eleven core aerodynamic test and research institutions in the USA

通过分析这些机构发现，在气动试验与研究领域，国防部以AEDC为代表，主要开展飞行器气动相关的试验与评估活动，AEDC在美国气动试验设备、试验技术能力方面具有绝对优势，为美国飞行武器型号提供了一流的气动试验数据，支撑了美国武器装备的发展；NASA以兰利研究中心、阿姆斯研究中心和格林研究中心为代表，在空气动力新概念、新技术的试验研究方面具有权威，引领了国际同行的主流研究方向和未来飞行器的发展趋势，其气动试验设备、试验技术、数值计算和飞行试验等体系能力在美国乃至世界都处于绝对领先地位，是美国军民用飞行器开发研制的核心力量；工业部门以波音、洛克希德·马丁公司、诺斯罗普·格鲁曼公司等为代表，主要开展飞行器气动相关的应用研究，这些工业企业是美国飞行武器装备气动应用研究单位，其气动试验设备能力一般，但近年来的数值模拟能力得到很大发展，作为美国飞行武器装备研制发展的中坚力量，是利用气动数据、考核和验证气动试验结果、发现气动问题的工程实践者，是美国气动试验研究能力建设发展的最大推动力量；高校和国家实验室主要开展飞行器气动相关的基础研究工作，普渡大学、圣母大学、德克萨斯农工大学、桑迪亚国家实验室、卡尔斯潘-布法罗研究中心等高校和国家实验室是美国空气动力学研究的基础力量，其在气动试验设备、数值计算、基础研究领域各具特色，尤其是为美国培养气动试验研究人才发挥了重要作用。

表 1（续）Table 1 (Continued)

2 美国空气动力地面试验能力现状

2.1 试验设备能力

美国的地面试验设备规模大、种类齐全，形成了完备的风洞试验设备体系。据不完全统计，其风洞试验设备就有近150座，能力涵盖亚、跨、超、高超声速速度范围，可开展气动力/热、防热、结构、控制、推进一体化等试验。

2.1.1 亚声速风洞设备

在亚声速风洞设备方面，美国以AEDC的国家全尺寸空气动力综合体（NFAC）、NASA兰利研究中心的20 ft立式风洞，以及格林研究中心的结冰研究风洞（IRT）等设备为代表，详见表2。其中NFAC在目前世界上同类设备中尺寸最大，拥有40 ft × 80 ft、80 ft× 120 ft两个试验段，可对全尺寸波音737飞机开展试验。NFAC开发了倾转旋翼试验台（TTR），使其满足研制高性能倾转旋翼机需求，增添了开展大尺度倾转旋翼性能、控制载荷和稳定性试验研究的新试验能力，其试验速度达到150 m/s，创造了迄今为止全尺寸旋翼风洞试验的最高纪录。目前，该风洞主要开展倾转旋翼、直升机等特种试验。格林研究中心的结冰研究风洞（IRT）是世界上最好的结冰研究特种设备，运行时间最长，也是唯一可以在相关冰晶结冰条件下测试全尺寸发动机的设施。目前该风洞的试验模拟和测试能力都是一流的，美国使用的大多数防冰技术主要是在这座风洞中开发的。总体看来，美国亚声速风洞设备在试验段尺寸方面处于世界领先水平，但唯一不足的是缺乏高雷诺数通用亚声速风洞，虽然有阿姆斯研究中心的12 ft增压风洞，但该风洞与英国的QinetiQ5M风洞相比还是逊色不少。因此，美国目前在亚声速高雷诺数风洞试验需求方面主要依靠低温风洞—国家跨声速设备（NTF）低速段的试验能力和盟国的QinetiQ5M风洞来满足。

表2 美国部分有代表性的亚声速风洞设备[2-4]Table 2 Part of representative subsonic wind tunnels in the USA[2-4]

2.1.2 跨声速风洞设备

在跨声速设备方面，美国拥有优秀的跨声速风洞，如AEDC的16T、4T风洞，兰利研究中心的国家跨声速设备（National Transonic Facility, NTF）、跨声速动力学风洞（Transonic Dynamics Tunnel, TDT），阿姆斯研究中心的11ft跨声速统一规划风洞（Unitary Plan Wind Tunnel, UPWT）等，详见表3。16T推进风洞的总体技术性能是最好的，具有高雷诺数模拟能力（0.03 × 106～7.2 × 106/ft）、良好的跨声速马赫数范围（0.05～1.6）、足够大的尺寸（试验段16 ft × 16 ft ×40 ft）、完备的推进模拟能力，具备外挂分离模拟能力，以及与16S超声速风洞良好的匹配能力。16T风洞是最早开展捕获轨迹试验的风洞。风洞内发展了片激光多普勒测速系统，可用于非贴体区域的流场速度分布测量，流场测量区域达到了36 in × 36 in，总体精度在自由来流速度的±15%范围内。在16T内开展过多个型号和项目试验：F-35闪电2飞机、F-18超级大黄蜂、B-2A幽灵隐身轰炸机、RQ-4全球鹰无人机、NASA的航天飞机，以及翼身融合体、X-33预研型号等。低温风洞NTF具有很强的能力优势，具体表现在：空气或低温氮气运行，提供世界上最高的雷诺数试验能力（146 × 106/ft）；能够实现大尺度飞行器的全尺寸雷诺数模拟；只需要中等雷诺数（高至2.5 ×106/ft）时，空气模式运行具有更高的生产率；可独立控制马赫数、雷诺数和动压；具有主动流动控制和推进一体化试验能力等。TDT是一座特种风洞设备，风洞采用空气或重气体为试验介质，压力变化范围可从接近真空到101.325 kPa变化，马赫数可达到1.2，满足气动弹性试验高度模拟的要求。同时，采用重气体能够获得高雷诺数，比利用空气获得的雷诺数提高了2倍。TDT奠定了美国气动弹性试验领域的引领地位，其大尺寸试验段、重气体试验介质和跨声速能力至今仍没有风洞能够超越或比拟。总体看来，美国的跨声速风洞试验能力是过剩的，AEDC16T、阿姆斯研究中心的11 ft跨声速统一规划风洞具有高雷诺数和高生产率，兰利研究中心的低温风洞NTF的雷诺数也很高，只是生产能力较欧洲的ETW相对弱一点，同时美国还有一批雷诺数低一些的性能优良的跨声速风洞。由于美国新型航空器（尤其是有人驾驶飞行器）全尺寸投产性研究已经大大减少，考虑高雷诺数试验费用较高，同时，对运输机而言，CFD技术已经大量减少了跨声速试验的需求，因此，对于飞行器跨声速气动布局研究已转向低雷诺数试验，从而降低研制成本[3]，而无需大量的常规跨声速风洞试验。

表3 美国部分有代表性的跨声速风洞设备[2-5]Table 3 Part of representative transonic wind tunnels in the USA[2-5]

2.1.3 超声速风洞设备

在超声速风洞设备方面，美国拥有AEDC的16S和超声速风洞A、兰利研究中心的4 ft超声速统一规划风洞、格林研究中心的10 ft × 10 ft风洞、阿姆斯研究中心的9 ft × 7 ft超声速统一规划风洞以及工业部门的几座超声速风洞，如表4所示。超声速风洞A是一座连续式超声速风洞，尽管该风洞试验段（3.3 ft × 3.3 ft × 9 ft）相对较小，限制了某些应用，但它具有极好的马赫数范围（1.5～5.5）。16S是目前世界上试验段尺寸最大的超声速风洞，同时也是一座高雷诺数通用超声速风洞。兰利中心4 ft超声速统一规划风洞是一座用于小型超声速飞行器试验的特种风洞，与AEDC的16S风洞和阿姆斯研究中心9 ft × 7 ft风洞相比，该风洞具有极好的马赫数范围和极佳的效费比，且连续气流性能更好，几乎所有的美国军方超声速飞行器都曾在该风洞中进行过试验[2-3]。总体看来，美国拥有良好的超声速风洞试验设备，16S、9 ft ×7 ft、4 ft风洞大、中、小匹配合理，外加上AEDC的连续式超声速风洞A，完全满足常规的超声速气动力试验需求，同时具有推进模拟、外挂分离模拟等特种试验能力。

表4 美国部分有代表性的超声速风洞设备[3-5]Table 4 Part of representative supersonic wind tunnels in the USA[3-5]

不足之处在于，近年来美国超声速飞行器型号发展需求较弱，导致这些超声速风洞设备长期闲置。另外部分风洞的试验能力还需拓展，如16S还未达到设计马赫数6，甚至马赫数4.75都较难实现；9 ft × 7 ft超声速统一规划风洞最大马赫数仅为2.5，且无推进模拟能力；10 ft × 10 ft风洞雷诺数低，超声速最低马赫数限定值为2，与多数跨声速风洞的最高马赫数的衔接不够，且无测力试验能力。

2.1.4 高超声速气动设备

在高超声速方面，美国拥有一系列性能优良的高超声速气动设备，主要以试验资源管理中心（Test Resource Management Center, TRMC）2012年确认的16座高超声速核心试验设施为代表，详见表5，有9号风洞、8 ft高温风洞、冯·卡门气动设施（Von Kármán Gas Dynamics Facility, VKF）A/B/C风洞、气动与推进试验设备（Aerodynamic and Propulsion Test Unit, APTU）、气动弹道靶G靶，以及普渡大学的静音风洞、国家高能激波（LENS）风洞和H1~H3系列电弧设备等，这些设备有力支撑了美国高超声速技术研究，使之走在世界前列。其中，9号风洞是一座大型高马赫数和高雷诺数设备，是美国重要的研发、试验与评估（RDT&E）设备，也是高超声速地面试验的主力设备。8 ft高温风洞是美国最大的燃烧加热型高超声速风洞设备，也是美国唯一一座能进行大尺寸热结构材料试验、高超声速发动机性能试验和飞行评估试验的高超声速风洞设备。LENS系列激波风洞和膨胀管风洞在系统性和模拟能力等方面代表了当前世界最高水平，激波风洞口径大小配套，参数范围宽，可以适应不同类型试验要求，其配套模拟能力涵盖了航天飞机的大部分轨道参数。超高速气动弹道靶G靶是美国最大的二级轻气炮，在以超高速发射极高保真度模型时，能提供优异的最小过载。最近G靶的能力提升到了可发射接近二分之一实际拦截器尺寸的水平。该设备主要用于开展动能毁伤和碰撞机理试验研究。2018年，圣母大学新建成了美国最大的马赫数6级高超声速静音风洞，该风洞综合了低噪声和大尺寸等特点，试验能力比其他静音风洞大幅提升。该风洞主要用于高超声速边界层转捩的预测与控制研究，这对于设计未来高性能高超声速飞行器（尤其是高超声速飞机）至关重要。综合TRMC确认的16座高超声速核心试验设施，结合我们的调研评估，目前美国有代表性的高超声速气动试验设备如表6所示。

表5 美国TRMC确认的16座高超声速核心试验设施（2012年）[1]Table 5 Sixteen core hypersonic test facilities certified by TRMC in 2012 [1]

表6 美国部分有代表性的高超声速设备[2-8]Table 6 Part of representative hypersonic facilities in the USA[2-8]

总体看来，美国高超声速常规风洞试验能力基本能够满足高超声速飞行器气动力/热研究与试验评估需求，但高超声速推进一体化试验设备仍然面临挑战，主要是超声速燃烧、高超声速基本物理和化学问题尚未完全解决，设备方面的不足主要体现在试验设备尺寸、运行时间有限以及试验污染空气对燃烧化学特性的影响，同时还面临新概念推进技术发展等难题，此外，高超声速转捩机理也有待突破。因此，这些挑战要求创新研究方法和理论，升级、改进或者新建试验设备。

2.2 试验技术能力

随着风洞试验更加精细化和复杂化，美国也在积极发展风洞试验技术和测试技术，提高试验能力，特别是加强了风洞试验设计研究、开发研究先进试验技术和先进的测试技术、重视风洞试验与信息技术（如人工智能、神经网络等）的融合结合等。

2.2.1 先进的试验策略

为了提高风洞试验效率和试验数据的精准度，降低风洞试验成本和飞行器研制周期，美国引入了现代实验设计（modern design of experiments，MDOE）方法，相比传统的一次一个参数变化（one fact at a time,OFAT）风洞试验方法具有革命性的进步，它可以对试验矩阵进行优化，使典型试验矩阵中的数据点至少减少50%，而且在实验过程中就可以确定出测量的精度，使风洞试验从传统的获取“数据”向获取“知识”转变[9]。

2005年，NASA兰利研究中心采用MDOE方法对其气动热力学实验室的20 in M6风洞进行了校准，拓展了风洞运行包线内的校准范围，提高了校准精度，降低了校准周期和成本。此前，采用MDOE方法还对国家跨声速设备（NTF）壁压进行了校准研究。2011年，NASA兰利研究中心在统一规划风洞（UPTW）中对某地空导弹以前的试验数据（采用OFAT方法）进行复核，研究采用MDOE方法改进导弹类模型风洞试验质量和生产率问题。试验结果表明，根据MDOE方法的质量保证策略，试验数据量可减少80%，风洞吹风时间减少50%，MDOE方法的力和力矩值的标准误差小于单点OFAT方法测量的标准误差。而在该风洞中还进行了某飞机模型试验对比研究，试验测量了一定迎角、马赫数、雷诺数范围内机翼扭转角变化产生的气动力情况，结果表明，同样的试验，采用MDOE方法只需要20个点，而OFAT方法需要330个点，并且MDOE方法所需的吹风时间大约是OFAT方法的60%，而精度大体相当[10]。

表 6（续）Table 6 (Continued)

2.2.2 先进的试验技术

经过八九十年的风洞试验经验积累，美国已具备成熟的风洞试验常规测力、测压、测热试验技术，同时也发展了一系列特种试验技术，如大迎角动态试验技术（连续变迎角）；带动力模拟（TPS）试验技术、外挂（内埋弹舱）分离（CTS）试验技术、进气道特性试验技术、喷流干扰试验技术、失速/尾旋试验技术、气动弹性试验技术、颤振抑制试验技术、气动声学试验技术、飞机结冰试验技术、大型旋翼机试验技术等。

除此之外，为了提升和拓展风洞设备的试验能力，美国还不断研究先进的试验技术和方法。如开展风洞模型自由飞试验技术研究：AEDC利用弹道靶多次开展一体化超燃冲压发动机飞行器模型自由飞试验，在超高速气动弹道靶G靶上取得了突破性进展，模型依靠抵消阻力的正净推力完全自主自由飞行了约79 m（25 ms），利用弹道靶试验技术来获取超燃冲压发动机飞行数据能使飞行器研制成本降低1至2个数量级。为满足外罩、外挂和级间分离研究的自由飞试验需求，美国卡尔斯潘大学-布法罗研究中心用4年时间对LENS II激波风洞的贮气室和试验段进行了改造，研制了高速阀、快速撤回系统和捕获系统，发展了该设备自由飞试验能力，相继开展了陆军拦截弹和海军/DARPA的HyFly的全尺寸飞行部件外罩分离试验研究等。为满足波音公司全尺寸垂尾型号试验的需求，美国国家全尺寸空气动力综合体（NFAC）发展了半模洞壁干扰修正技术，拓展了NFAC风洞模型支撑方式和已有的洞壁干扰修正能力，并且在NFAC风洞12 m × 24 m试验段中进行了两种直升机旋翼洞壁干扰效应评估研究[11]。AEDC对气动与推进试验设备（APTU）进行变马赫数试验能力改造，将飞行加速模拟与试验技术（FAST）转化应用到APTU设备中后，APTU具备了高超声速飞行器飞行轨迹的瞬态试验能力，可开展全尺寸气动与推进系统、部件和结构的高超声速飞行轨迹地面模拟试验，满足试验与评估的重要需求。佛罗里达先进气动推进中心（FCAAP）联合佛罗里达A&M大学（FAMU）和佛罗里达州立大学（FSU）设计了一种用于多声速风洞的半捕获轨迹系统（S-CTS），该系统被用于研究弹仓分离、外挂释放和轨迹特性[12]。

2.2.3 先进的测试技术

近年来，美国风洞测试技术发展显著，特别是非接触测量技术的快速发展，大大提升了美国风洞试验获取数据的能力和精细化试验能力。

1）压敏漆（pressure sensitive paint, PSP）技术。NASA的PSP技术已在跨超声速风洞试验中实用化，为了更好地让用户了解这一技术，NASA发布了这一技术在统一规划风洞中的用户指南[13]。AEDC也在16T推进风洞中使用动态PSP技术测量风洞模型的表面压力数据[14]，在验证中，通过与安装在武器舱的动压传感器测量数据相比，功率谱密度符合得很好，峰值频率和量级也非常匹配；另外，AEDC在16T风洞中还发展了一种动态压敏漆（uPSP）技术，由uPSP系统生成的图像数据量是稳态PSP系统的几个数量级[15]，并在武器舱模型试验中成功验证了其数据采集和处理能力，试验获得的数据与传统动态压力传感器有很好的一致性，并且在测量精确的脉动综合载荷能力方面优于传统动态测量仪。

此外，创新科学解决方案公司（ISSI）也研究了一种快速响应PSP，可以捕获高达20 kHz的脉动压力。快速响应PSP的优势在于很容易辨识波消失、涡脱落和其他特殊的动态流动特征。

2）温敏漆（temperature sensitive paint, TSP）技术。美国的TSP技术已在高焓激波风洞中得到了应用，其测量精度优于7%，响应时间小于0.1 ms。AEDC在9号风洞中发展了一种基于TSP技术的全域传热测量技术，获得的全域图像可提供比传统传感器多几个量级的表面加热数据；同时，AEDC研制的双色TSP系统为9号风洞研究边界层转捩和激波/边界层干扰等复杂流动现象提供了特有的新能力。2020年，在普渡大学的马赫6静音风洞（BAM6QT）中使用TSP技术开展了高超声速边界层转捩研究[16]。

3）粒子图像测速（particle image velocimetry, PIV）技术。桑迪亚国家实验室发展的PIV能力，能在很小的观察范围内捕获超过4 000个连续矢量场，这种空前的成帧速率非常适合于测量高速流的湍流风速谱，并被用于改善物理模型。同时，桑迪亚国家实验室还重视立体PIV（stereoscopische particle image velocimetry,SPIV）技术的应用，通过在多相激波管（MST）中的试验研究，验证了层析成像PIV技术在短时运行试验设备应用的可行性[17]。

4）一氧化氮平面激光诱导荧光（NO planar laser induced fluorescence, NO PLIF）技术。NASA兰利研究中心联合空军和高校开展NO PLIF技术开发，该技术被用于测量高速和高超声速流中的温度场，技术的核心是利用高速发展的新型激光器技术，可以1 MHz频率产生脉冲，以及在该脉冲速率下具备先进的成像能力，如此快速的速率足以解决高超声速非定常流动问题，如边界层转捩、分离流，比过去的任何手段都快得多[9]。NASA兰利研究中心高超声速吸气式推进部和先进测量与数据系统部在增强喷射和混合（EIMP）项目下分析了两级NO PLIF模型在低温高速气流中的应用[18]。该技术已在NASA的电弧加热超燃冲压发动机试验设备（AHSTF）、31 in 马赫数10风洞中成功应用。

5）基于体积激光诱导荧光（VLIF）技术。弗吉尼亚技术学院和空军研究实验室研究证明了VLIF技术的3D燃烧测量技术，该技术已经通过比较横截面的VLIF图像确认，其比较的结果与平面激光诱导荧光（PLIF）用独立相机捕获的图像一致。接近重叠的图像证明了VLIF技术测量瞬态3D湍流火焰的保真度和精确度。VLIF技术将用于未来了解高度湍流化火焰的3D结构试验，并提供关键的燃烧性能。

6）平面多普勒测速技术（photonic Doppler velocimetry, PDV）。2021年，美国麦卓激光（Metrolaser）公司演示了一种用于超声速飞机排放的三分量速度诊断方法—PDV技术，能够在含颗粒流动（如燃烧气体）中实现总速度矢量的空间分辨分布，对于研究与射流噪声相关的三维流动现象非常有用。该方法已在实验室规模的喷流上进行了演示，有望供战斗机喷气发动机的全尺寸试验使用[19]。

7）飞秒激光电子激发示踪（femtosecond laser electronic excitation tagging, FLEET）技术。在低温风洞光学测速上，NASA兰利研究中心发展了FLEET技术（1×10-15s），该技术不需要示踪粒子（只需氮气），通过跟踪飞秒激光脉冲产生的等离子发光序列图像测量速度，很好地解决了示踪粒子对风洞的污染问题[20]。普渡大学、美国空军研究实验室和光谱能量公司首次演示了兆赫兹频率FLEET技术，用于超声速流的时间分辨测速，并在NASA国家跨声速设备（NTF）中利用FLEET进行了自由流场速度测量，初步结果表明该系统可获得有效试验数据，在对流场造成最小干扰的同时获得更佳的测量数据。同时，AEDC还首次将此便携式FLEET测速系统应用于大型高超声速9号风洞设备。在9号风洞中共进行了21次马赫数10、14的试验，测量自由流和湍流边界层速度，结果显示：采用FLEET测量的自由流速度与通过9号风洞数据计算得到的值高度一致；FLEET测量得到的湍流边界层速度剖面也显示与PIV测量的边界层速度相吻合。实验证明，优化后的FLEET系统可以很好地用于高超声速测速[21]。此外，NASA兰利研究中心、光谱能量公司和空军研究实验室开发了通过共振激发-光解过程实现分子标记的选择性双光子吸收共振飞秒激光电子激发示踪（selective two-photon absorptive resonance femtosecondlaser electronic-excitation tagging, STARFLEET）技术，在很大程度上提高了FLEET技术的激发效率，并首次成功在NASA兰利研究中心0.3 m跨声速低温风洞（TCT）中验证了高重复率和单发成像的STARFLEET测速技术。2020年，德克萨斯大学阿灵顿分校在其电弧射流风洞中演示了首个STARFLEET和FLEET技术[22]。

8）相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）系统。普渡大学、AEDC、普林斯顿大学和德州农工大学研究了一种飞秒/皮秒激光混合的CARS系统，可用于燃烧和等离子环境中的气相测温。在AEDC 9号风洞中使用该技术，对Ma=14、氮气自由来流的温度和密度进行了测量，风洞测量结果与CFD预测的结果基本一致。另外，NASA兰利研究中心还开发了一种非线性光学技术—双泵相干反斯托克斯-拉曼光学谱测量（dual-pump coherent anti-Stokes Raman spectroscopy,DP-CARS）技术，该技术的一个重要特点是所有相互作用的光束实际上都是空间相干的激光束。因此，在光学测量受限的场所可采用该技术进行远程测量[9]，如通过狭长开槽测量整个涵道（如超燃冲压发动机）。

9）数字全息系统。2021年3月，麦卓激光（Metrolaser）公司开发了一种兆赫兹数字全息系统，可用于研究三维超高速现象。2022年7月，美国空军资助Metrolaser公司设计研制了一个超高速数字全息系统，该系统以每秒1亿帧的数据速率运行，可提供高质量的全息图，可用于可视化高超声速弹丸与弹丸的相互作用研究，并量化相关气动反应过程的时空演变。该系统有望用于AEDC高超声速弹道靶设施试验研究[23]。

10）其他创新的测试技术带来的新诊断能力。2019年，堪萨斯大学开发了一种新型的磁粒子跟踪技术（MPT），与其他先进的流动诊断方法不同，MPT用磁场跟踪目标，它不依赖于光学，可以在完全不透明的环境中使用。同时，它不涉及放射性物质或X射线，因此，操作既安全又容易。用非线性卡尔曼滤波器代替基于优化的方法，使重建速度提高了三个数量级，并提高了精度和分辨率。同年5月，堪萨斯大学应用MPT技术研究了库埃特盒（Couette cell）内的致密剪切颗粒流，观察到许多有趣的现象，如流动中条状物的水平对齐趋势[24]。

2020年7月，普渡大学的研究人员发布了一种新的光谱测温技术，该技术应用探测纳秒等离子体脉冲，从氮分子的紫外线辐射中确定旋转温度和振动温度。研究人员预计，这项技术可以应用于现代燃烧系统中的快速测温[25]。

2021年，密歇根大学研究人员开发了一种新的诊断方法—基于脉冲中红外光源的向上转换成像（UCI）技术，用于检测旋转爆轰燃烧器（RDC）中感兴趣组分的中红外发光。该技术具有高光谱选择性、高时空分辨率和优越的低光探测性等优点。最终的测量验证了该项技术具有高时空分辨率，能够对超声速传播爆轰波阵面附近的小型结构成像。结果表明，该技术可用于观察RDC流场的高温高压区梯度极大的结构以及毫米级结构，时间分辨率约为200 ns[19]。

2021年，NASA高超声速技术项目（HTP）的研究人员开发了新的流场测量技术，以便为高超声速飞行系统设计人员提供所需的流固耦合数据。研究人员开发了这种新型聚焦激光差分干涉测量系统，以在高超声速风洞设备中提供非接触式、高速（兆赫兹级）密度涨落测量。除了表征风洞自由流环境外，研究人员还测量了试验模型上的近表面边界层流动，并用高速纹影成像技术对其进行了验证。两条单独的激光线（沿每条线均匀分布有16个点）可以对密度涨落的空间演化和速度进行测量，为与表面安装的压力探针进行比较提供数据[26]。

此外，AEDC还发展了氪示踪测速技术（KTV），可用在9号风洞中对大尺寸试验模型进行速度剖面测量，并为9号风洞速度计算程序提供了一种新的试验评估方法。

11）模型变形测量技术。NASA阿姆斯中心发展了一套模型变形和光学迎角测量系统（MDM/OAoA），能提供小于0.1 mm和小于0.05°的模型变形测量，该系统已在统一规划风洞（UPWT）中使用[27]。为了更准确地测量大尺寸风洞模型试验件在气动载荷下的变形，AEDC在16T推进风洞中投资和启用了一种先进的光学模型姿态和变形系统（OMADS），在典型构型条件下，该系统能够分辨目标位置的不确定度约为0.5 mm[28]。

2.2.4 风洞试验与信息化、人工智能技术的融合

随着信息化技术和人工智能技术的快速发展，美国在将信息化和人工智能等新技术应用于风洞试验方面走在了世界前列。

在风洞试验信息化方面，美国充分利用信息网络技术优势，较早实现了风洞试验与用户互联互通，实现风洞试验设备资源、在线数据分析、数据资源共享。1994年，NASA阿姆斯研究中心建成了远程访问风洞系统（remote access wind tunnel system, RAWT），该系统以气动网（AEROnet）为主体，同时连接NASA的数值空气动力学模拟（NAS）超级计算机系统，RAWT系统可使远程的工程设计人员与阿姆斯研究中心的风洞试验人员实现实时在线讨论与协调试验事项和数据结果[29-30]。

1997年，NASA革命性的航空智能风洞系统，即达尔文（developmental aeronautics revolutionizing windtunnels with intelligent systems of NASA, DARWIN）系统在阿姆斯研究中心建成启用[31-32]，能够对先进风洞设备与复杂数值模拟代码生成的集成知识库提供远程共享。该系统主要优势在于：型号单位与风洞试验单位能共同在线监测试验过程和分析数据结果；型号单位能共享NASA各中心的数据资源；NASA能将各中心分散的数据库集成知识库，试验单位和用户能根据授权随时调用各种数据库进行数据比较分析等。

后来，NASA兰利研究中心又建立了试验计划系统（test planning system，TPS）。2005年，AEDC在艾格林空军基地建立了远程风洞控制室（remote wind tunnel control room，RWTCR）[33]。由此，美国的风洞试验信息化建设得到了进一步完善和优化。

在人工智能技术融入风洞试验方面，20世纪80年代末，NASA阿姆斯研究中心就提出利用人工智能（artificial intelligence, AI）技术来提高风洞生产力、数据质量以及管理效能[34]。近年来，美国不断在风洞试验的数据处理、运行控制、健康管理等方面融入人工智能技术。

1）数据处理。利用数据聚类、关联分析、机器学习等大数据和人工智能技术，从海量试验数据中提取有用信息，发现其中蕴含的规律，支撑飞行器的优化设计。目前，AEDC已开发和应用数据挖掘软件包（DATAMINE），使风洞试验数据采集过程引入的误差最小化，并提供在共享数据文件夹中搜索、提取历史试验数据的工具，以增强数据挖掘和数据融合能力[35]。NASA兰利研究中心已在14 ft × 22 ft亚声速风洞中配置了神经网络数据分析系统，该系统可以高效执行数据插值、模型结构优化和流动参数研究等工作。2021年，密歇根大学和佐治亚理工学院的研究人员使用现有的旋流燃烧室实验数据来训练模型，寻找更智能的燃烧控制措施。实验数据同时包含了升起和附着两种火焰状态，但只使用单种状态的数据训练模型时，机器学习方法也能捕捉到状态自发转变和当时火焰速度场的关键特征[36]。

2）运行控制。利用预测控制、模糊控制和神经网络等智能控制技术，使风洞控制系统具备自主调节、自适应、智能决策等能力，实现风洞的高效运行和精确控制。兰利研究中心16 ft跨声速风洞利用自组织特征映射神经网络算法，有效提高了马赫数和模型姿态的控制精度；国家跨声速设备（NTF）对三级喷液氮泵阀的运行建立了一个振动检测和故障预警的神经网络，用于风洞温度调节运行控制[37]。

3）健康管理。利用神经网络、机器学习、数据挖掘等技术，使设备管理系统具备智能感知、故障诊断、故障预测、自我完善等能力，推动试验设备管理高度自动化和智能化。AEDC 16T/S风洞建立了基于人工神经网络的压缩机失速监控专家系统，由传感器、预处理器、基于知识库的诊断子系统、神经网络子系统、数据分析和模式识别子系统等组成，可有效提高压缩机运行的安全性与可靠性[37]。

近年来，美国加强了利用机器学习技术来增强应用空气动力学的分析，由此产生了大量的试验和计算3D流场数据。2020年，美国国防部高性能计算现代化计划计算研究和工程采办工具与环境项目（HPCMP CREATE）的研究人员开发了一种基于神经网络的自动流场物理识别方法，可以对悬停旋翼流场中的翼尖涡流自动识别。机器学习在空气动力学降阶预测、物理特征识别和质量评估等领域具有很大的应用潜力[38]。

3 美国空气动力地面试验能力分析

20世纪60年代，美国航空航天学会（AIAA）下设成立了“地面试验技术委员会”（GTTC）。2013年，GTTC又下设成立了“地面试验未来”（FoGT）小组，以对美国地面试验能力开展不定期的评估研究，并为国家和行业提供咨询建议报告。2018年，该工作小组发表了题为“GTTC Future of Ground Testing Meta-Analysis of 20 Documents”（AIAA 2018-0387）报告[39]，选取了20篇与美国地面试验应用及趋势相关的“精华”文章进行评估分析，最后将内容收集并整理为美国地面试验现状、未来状况、主要挑战/差距和建议几个要点。我们在该报告基础上，结合长期的跟踪研究，针对美国空气动力试验研究能力优势和不足、建设发展的经验教训与未来趋势提出以下看法。

3.1 优势与不足

3.1.1 试验能力优势

1） 整体试验能力和规模优势。目前，美国主要风洞试验研究设备有近150座，其中30多座处于世界一流水平，形成了以大型风洞设备群为代表的空气动力试验能力体系。从试验能力来看，美国亚、跨、超设备尺寸大，数量多，配套齐全，模拟包线完全能覆盖国家飞行器发展需求；试验技术成熟，试验精度高；且建有亚、跨、超连续式风洞，配备有连续扫描数采系统，可在风洞运行过程中对试验模型进行重新布局，风洞生产率较高。高超声速设备（常规风洞、推进一体化试验设备、特种风洞等）体系完善、试验总体能力处于世界领先水平，但鉴于近期高超声速技术武器化进程加快，项目试验任务紧迫，部分设备还不能完全满足国家战略需求。

2）三大手段融合优势。通过几十年的试验研究积累以及诸如AEDC的“仿真、试验与评估方法”（STEP）项目的建设完善，已建成了地面试验、数值模拟和飞行试验三大手段融合的一体化试验与评估体系，从而实现精简试验与评估过程、降低风险、减少冗余和重复试验[40]。同时，可以开展涉及多种学科以及多物理场、多种状态优化的试验与评估。

3）试验技术优势。目前，美国是世界上航空航天飞行器型号最多的国家，特别是通过一些世界级领先的飞行武器装备型号，航空方面如几代战斗机（F-15、F-16、F-22、F-35等）、大型运输机、武装直升机等，航天方面如航天飞机、NASP计划和近年来的高超声速武器等的发展，积累了大量的试验研究经验，制定了包括AIAA系列的试验研究国际标准规范，发展了世界领先的特种风洞试验技术和风洞测量技术。尤其是近年来风洞试验信息化和一系列非接触测量技术快速发展，提高了试验效率和试验精准度。如连续扫描试验数据采集技术和网络新技术的应用，能够使试验数据采集与试验件连续的俯仰和滚转运动达到同步进行。AEDC采用这些技术，试验数据点数量增加到原来的10倍[40]。

3.1.2 挑战与不足

AIAA GTTC/FoGT工作组近年来主办了几次互动会议，讨论美国现在和今后开展实验性地面试验的相关问题和方法。FoGT工作组成员的共识是，目前在管理方面的状况可能使美国地面试验能力面临重大风险，使其丧失开发关键技术和生产新的航空航天产品所需的能力，这直接对国防和经济产生威胁[39]。

1）设备老化，成为发展的负重。美国在20世纪50～80年代集中建设的风洞，大部分已超出原来的设计寿命，经过投入大量资金多次升级改造，才确保这些设备沿用至今，但始终面临超期服役的问题。同时，在20世纪五六十年代建设的大多数设备，并未按能量效率设计，而是按技术性能设计。尽管通过实施寿命延期计划和更新改造控制、测量仪器及数据系统，保持这些风洞的持续使用，但其固有的设计缺陷致使其效率低下，不能有效满足未来航空发展的需要。因此，美国在20世纪70年代前投入使用的大多数风洞，特别是商用部分，都已被迫退役。20世纪90年代中期，美国提出了建设新的国家风洞设备建议，但没有财政支持，未能实施。目前没有建设新型风洞的时间表和路线图，只在老设备上修修补补，最终无法从根本上提升美国的试验研究能力。如美国缺乏满足国内用户需求的合适的高雷诺数通用亚声速风洞，NASA阿姆斯中心的12 ft增压风洞是美国在这个领域内唯一有能力的设备。但是，与欧洲的两座优良设备（英国的QinetiQ5M和法国的ONERA F1）相比，还存在一些问题和局限性，妨碍了该设备在商业运输和战术飞机研究中的使用。1988～1995年间的改造虽然弥补了一些技术差距，但用户还是喜欢采用欧洲设备[3]。表7为美国政府平均40年以上的代表性核心航空航天试验设备[41]。

表7 美国政府平均40年以上的代表性核心航空航天试验设备Table 7 The representative essential core of government aerospace test facilities averages 40 years of age

2）高超声速试验能力满足不了需求。据美国各方评论认为，目前美国高超声速风洞和推进设备的试验能力与需求还存在较大的差距。最为突出的是在高超声速风洞的速度与尺寸方面，涡轮发动机/超燃冲压发动机模态转换的试验条件受限，洁净空气试验台、高超声速流场测试与诊断技术以及高超声速边界层转捩预测能力还有差距等。受试验持续时间和焓值的限制，部分研究领域设备还不能完全满足国家战略需求。如高超声速风洞的生产率，特别是马赫数10以上的生产率有待提高。对于型号研制试验，一般需要几千个数据点来为飞行器设计提供保证，脉冲风洞的运行时间仅为几毫秒，现有的暂冲式风洞也只能提供几秒至几分钟的试验时间。马赫数6～15的高超声速气动设备（理想气体设备），一般都是中等尺寸，不能复现飞行状态焓值[42]。

3）气动数据融合不够。美国评估报告指出，目前美国的一些气动机构没有太多涉及到数据管理/数据融合，包括融合中最重要的要素，EFD和CFD的融合。与其生成大量的数据，还不如对数据集的管理和计算能力的利用进行充分规划，以开发出在超出任何一种资源范围的条件下都能独立提供的融合数据集。目前美国这方面的工作还做得不够。

4）后续创新发展不够。美国风洞设备建设黄金期在20世纪五六十年代，90年代后没有建什么大设备（除几座激波风洞和静音风洞外），主要是风洞设备改造。20世纪90年代初和2010年左右，美国开展了两次大的国家风洞设备论证，但都无果而终，在新一代风洞试验设备建设方面没有颠覆性技术路线，还是停留在修修补补。主要原因是现有设备能力基本能保障国家需求，复杂飞行器布局流场数值模拟的速度和精度大幅提高，同时国家飞行器发展需求下降。此外，新型风洞研制发展缺乏机理上的突破，导致几次规划的风洞设备得不到国会财政支持，最终半途而废。

3.2 经验与教训

3.2.1 经验

1）顶层设计体现国家意志，具有高起点和超前意识。1949年，为满足美国军事技术发展的需要，美国国会颁布了81-415公共法案，联邦政府根据这个法案制定了航空试验设备国家发展规划。美国风洞试验设备建设非常注重战略定位，强调体现国家综合能力的战略思想。如国家跨声速设备、国家全尺寸空气动力综合体、统一规划风洞，这些风洞从名称上就体现了国家意志。设备建设具有超前思想，美国是通过愿景（规划、预测、构想）与市场牵引来推动设备建设。设备建设由需求牵引时，通常会滞后，导致设备建设来不及，试验任务等不起。因此，要有敏锐的前瞻性。

1945年，冯·卡门提出远远超出当时航空航天飞行器发展需求的设备建设建议，以支持未来新概念飞行器的发展。根据阿诺德将军和冯·卡门支持的远景规划发展、建立和投入使用的地面试验设备，在技术上超前于飞行器系统的研发，以现在的眼光来看也符合“更远、更快和更高”的要求。没有这样的洞察力，许多设备美国今天都不可能建成。这些试验能力正在不断完善并确保美国空军在技术上全面超越领先，而不是仅仅满足某一特定的需求。AEDC主要试验设备发展历程见图2，证明了早期远景试验设备发展途径的意义。NASA后续风洞设备的发展也遵循类似的时间线。尽管对未来需求并不总是非常清楚，但在20世纪五六十年代，AEDC就有47座风洞建成并投入使用，其中的一些设备如遵循1947年冯·卡门的远景规划建造的世界最大的超声速推进风洞至今还保持完好。

20世纪70年代后，美国仅建设了很少几座风洞，且很多是为验证支持特定计划而建造的。图2的路线图说明主要试验设备的设计、发展和投入使用需要有提前的时间量。而现在这个提前量已变得比20世纪五六十年代更长，与发展新型飞行武器系统的时间线长度在同一量级。通常回答需求的必要性是滞后的，所以在今天的环境下，只按预想的武器系统的新需求发展主要的试验装备，是来不及的。

图2 AEDC主要试验设备发展历程[35]（横条中的数字为论证建设时长）Fig. 2 History of the development of AEDC test facilities[35]

2） 注重技术优势的培育，实现一流水平长盛不衰。AEDC提出了技术优势倡议，成立了技术优势委员会（TEB），即培育AEDC人力技术优势，确保AEDC拥有一群稳固的、技术领先的、令人尊敬的人才队伍，以便能够提供满足武器系统研制要求所必要的具有深度和广度的地面试验与评估技术能力。在培育技术优势过程中重点关注以下几个问题：一是挖掘员工对任务的热情和任务创新的潜力；二是组织与领导层重视发展技术优势；三是为员工获得技术和创造知识提供机会；四是技术合作；五是致力于培养技术人员；六是知识归档管理[43]。

3）资产管理（转移）灵活。美国军队与地方、政府与企业、政府与高校在风洞试验资源管理方面较为务实灵活，经常会评估风洞资源，并根据冗余和闲置情况，进行资产整合、转移，集中管理，让其发挥最大效益。如1997年，美国海军海面武器中心将超高速9号风洞移交AEDC运行管理，2006年阿姆斯研究中心将已关停3年的国家全尺寸空气动力综合体（NFAC）转租给AEDC运行管理，这些做法体现了资源整合、保持国家战略资源长期稳定发展的思想。又如NASA将HYPULSE转给ATK-GASL，后诺斯罗普·格鲁曼公司收购ATK公司，2020年由诺斯罗普·格鲁曼公司捐赠给普渡大学，维持该设备的国家战略资源地位，使其发挥重要作用。德克萨斯阿灵顿分校（UTA）空气动力学研究中心（ARC）的风洞和设备主要是通过搜罗和升级政府和工业部门的退役设备来建造的，ARC风洞的5级Clark压缩机系统是1985年NASA阿姆斯研究中心捐赠给UTA的，该压缩机现在是中心设备群运行的支柱。ARC的高雷诺数跨声速风洞（HIRT）采用路德维希管设计。HIRT最初由AEDC研制，是评估美国空军所提出的跨声速风洞概念的引导性风洞，1971～1975年间，AEDC对其运行特性和流场品质进行了大量评估研究，1978年将该设备捐献给UTA，并在对支撑系统、气压控制系统和计算机控制与数据采集系统等进行了大量研发后，于1984年1月进行了首次试验。1986年，该设备搬迁到新的空气动力学研究中心综合体。停用几年后，对其压力测量系统进行了改进，于1996年初又重新启用。

4）注重军地合作，培育优势力量，不为所有，但为所用。近年来，美国新建的高超声速风洞设备基本上都是军方与高校联合投资建设，如美国空军与普渡大学和圣母大学联建高超声速静音风洞，海军与德州农工大学新建的超高速膨胀管风洞，陆军与德州农工大学联合建设的大型综合高超声速风洞。这一趋势也契合了美国国防部联合高超声速转化办公室（JHTO）成立高超声速应用技术大学联盟（UCAH）的初心，即加强军方与高校的合作，充分利用高校的学术资源和研究能力，共建共享试验资源，培养高超声速人才队伍[44]。同时，利用企业专业队伍稳定优势，建立军地联合试验管理模式，充分发挥管理 + 专业优势。如AEDC采用了“军方 + 承包商”管理模式，军方负责整个机构的组织管理，承包商负责具体执行试验与评估活动。

5）注重风洞设备能力评估。大型风洞设备作为国家的战略试验资源，美国非常重视提升其试验能力和试验效率，并建有各个层级的评估机构开展不定期试验能力评估，始终确保国家风洞战略资源的核心试验能力。如：1994年，NASA与国防部成立工作组开展“国家设施研究”，评估并规划美国的地面试验能力；2004年，兰德公司对NASA的风洞和推进试验设施能力进行了评估，提出关停改造建议；2013年，美国AIAA地面试验技术委员会（GTTC）成立“地面试验未来”工作组，研判美国试验设施未来发展方向；2017年，NASA通过航空试验和评估能力（AETC）计划完成了12座核心风洞设备的评估工作，以掌握风洞的试验能力现状。

6）风洞试验能力必须有持续的投入，否则需要时可能无法满足国家需求。风洞试验设备的利用是有周期性的，要结合国家和军方宏观需求来看待风洞设备的利用率，注重战略资源的维护管理和技术改造升级。如格林结冰研究风洞在20世纪六七十年代利用率低[3]的时期仍保留着与风洞运行密切相关的研究人员，这种做法就是一个很好的经验。这种做法确保了后续时期型号发展所需的风洞高利用率，对美国新时期的航空航天研究、发展、试验与评估起到了很重要的作用，也证明了保留独特设备具有十分重要的意义。

7）加强国家试验资源统筹利用。美国国家试验资源的协调和管理工作大部分由国防部试验资源管理中心（TRMC）监督，TRMC还作为一个协调机构，本身负责监督国防部的大部分物理试验和评估基础设施，以确保国防部的优先事项。据称，TRMC和美国国防部高超声速飞行技术主管联合建立了一个系统，用于在面临进度冲突时确定项目进入测试设施的权限等级。除了TRMC的工作外，2018年6月，国防部长办公室（OSD）、导弹防御局和军兵种签署了一项协议，将优先进行基于通用高超声速滑翔体设计的原型飞行试验[45]。这些都是根据国家武器装备发展紧迫需求，从国家层面统筹利用地面试验资源的重大举措。

3.2.2 教训

1）重复建设造成能力冗余。美国从20世纪80年代开始，仅NASA兰利中心就关闭了12座超声速风洞、7座跨声速风洞和3座亚声速风洞。其中有17座是1995年以后被陆续关闭、拆毁或遗弃的，包括许多大型风洞，如16 ft跨声速风洞等，且停运的风洞将会越来越多[46]。这其中的原因很多，但一个主要原因是国家在风洞试验设施建设方面缺乏统筹，在飞行器发展高峰期缺乏理性认识，军方、NASA和企业各自为阵，盲目建设扩张、搞重复建设，一旦国家需求下降，就导致试验资源过剩、冗余闲置。

2）政策导向不利于人才发展，导致人才流失和断层。近年来，美国空气动力地面试验专业人才缺失的问题日益凸显，尤以高超声速人才为甚。随着地面试验设备维护方面的资金投入降低，与之相对应的专业技能型人才也萎缩严重。经费预算的减少、投资政策的变化和采办的改革，已影响了地面试验科技人员能力提升。有人认为，国防部对提高试验效率过于重视（减少试验范围、使用更少的设备和人员），对良好的系统工程和提高试验效能不太重视（尽早寻找系统故障和支持修复工作），影响了人才培养和保留。

3）节省试验费用不是正确的衡量标准。过度强调降低试验成本，从而使其传统技术优势受到损害。正确的衡量标准是获取足够多的信息来提高质量，从而减少缺陷和缩短产品开发时间，研究过程质量的提高对产品开发也产生积极影响。同时，NASA采用风洞试验全成本回收法在一定程度也制约了风洞试验设备的正常运转和能力提升，从而导致大量设备闲置、关闭和拆除。

4 美国空气动力地面试验能力发展趋势

美国风洞设备建设从20世纪三四十年代开始，直到20世纪80年代初最终建成风洞试验能力体系。1994年，美国拟耗资12亿美元建造大型亚声速和跨声速风洞，为民用和军用飞机发展提供世界级的风洞设施，但最终并未付诸实施。2004年，兰德公司评估了NASA风洞试验能力，给出发展的意见建议。2010年左右各界（AEDC、NASA以及工业部门）对气动试验能力发展开展了大规模论证评估，NASA发表了加强CFD投资的趋势性判断文章，AEDC发表了以风洞投资为主、结合建模仿真的判断性文章。结果以NASA《CFD 2030年愿景》提出的宏大目标并加大CFD投入胜出（投资方向：高性能计算机、软件开发研究），而对于风洞投资，主要立足维持国家核心战略资源风洞的改造与能力提升，针对高超声速地面试验能力不足和高超声速武器发展需求，启动了HSST计划。2018年初，美国航空航天学会（AIAA）地面试验技术委员会（GTTC）“地面试验未来”（FoGT）小组发表新的评估文章，认为美国目前管理政策不利于地面试验能力发展，使国家飞行器发展需求面临较大危机。

回顾美国气动试验设备发展历程，结合近期相关信息，对其地面试验能力发展趋势研判如下：

1）美国地面试验需求正走出冷战后的长期低迷状态。近年来，随着微型无人飞行器（UAV）超低湍流度、扑翼非定常气动力研究，以及新一代战斗机和高超声速飞行器的发展，美国风洞试验需求长期不足的现状发生了较大改变，图3为美国新兴航空航天需求和2025年预期风洞能力[47]。特别是美国对高超声速技术的兴趣与日俱增，高超声速相关风洞试验的需求大幅增加。据美国NASA官员称，这种需求增加并不是高超声速风洞独有，低速风洞的需求也有类似的增长[45]。2019年，AEDC多座设备的试验任务量创新高，并且这种趋势仍将持续，部分设备的任务量甚至会达到以前的三倍。据AEDC试验运行部主任Keith Roessig上校透露，目前AEDC的状况与20世纪60年代开展太空竞赛时的情况非常相似。

图3 美国新兴航空航天需求和2025年风洞能力[47]Fig. 3 Emerging aerospace needs of the USA and anticipated 2025 wind-tunnel capabilities[47]

2）对现有风洞设备有保有舍，对有关成本及效率有了新的认识。对于现有风洞设备，NASA兰利研究中心认为，应保留能够满足国家战略需求的必要生产型试验设备，充分利用新技术进行设备升级改造和发展先进试验技术提升，形成新的试验能力，重点加强知识型人才队伍建设、试验设备改造和信息化等工作；充分利用小型设备加强试验技术、气动产品、风险降低和分析工具开发研究。AIAA地面试验技术委员会（GTTC）认为，维护和改造关键地面试验设备是确保未来试验能力生死攸关的重要组成部分，为了将有限资源集中于满足关键能力和新设备的需求上，必须放弃冗余设备和非重要的试验设备；而提高试验技术是确保未来飞行系统发展的关键，培养知识型的试验人才队伍是国家基础设施发展的关键[48]。此外，在风洞运行和管理中转变认知观念，转换思路，实现低成本、高效率。AEDC首席专家指出：“从整个武器系统研发过程的企业愿景观点看，提高采办过程进度节奏的试验能力效力比试验能力效率本身的成本效益更重要。聚焦在采办进度节奏比关心运行成本更有价值。”

3）未来风洞发展要瞄准多任务能力和能量效率，注重先进试验技术和测试技术开发。洛克希德·马丁公司和AEDC都认为，未来任何新试验设备都必须有宽广的试验类型和速度范围，具备多任务试验能力；同时注重能效设计，任何新型设备都必须有非常高的能效（能源成本占地面设备试验成本的50%），能源利用同风洞横截面面积成正比，未来风洞设备的尺寸必须在能源使用和数据质量之间寻求平衡。此外，椭圆回路、多次循环试验环境、摩擦损失非常低的回路设计和可变的试验段尺寸，这些都是重要的考虑因素。未来风洞设备还要尽可能地设计使用可再生能源（如水电、地热、风或太阳能），并考虑循环经济发展，如考虑关闭冷却水回收系统、液压流体等，不仅能减少设备总能量的使用，而且能更好地保护环境，且停用冷却系统后的废热可用于供暖、发电、照明等[35]。高品质的风洞设备只有配备先进可靠的试验技术和测试技术，才能发挥大型风洞试验满足型号精细化设计的作用。NASA兰利研究中心、AEDC等认为，未来风洞应发展先进的非接触流场诊断技术、先进的数据处理和显示技术，以及数据挖掘、数据融合能力和虚拟模拟能力，使研究人员能从全局角度充分理解流动机理，采用先进的全局测量技术（同一种试验中综合使用多种测量技术），对气动环境中出现非连续特性的原因和影响进行归类和分析，不能局限于常规测力/力矩、测压，要综合理解试验模型所处的整体环境，使风洞试验实现从采集数据向获取知识的重要转变。

4）积极探索研究新一代地面试验设备发展的新原理、新概念。相对于传统的风洞设备，探索气动试验设备的新原理、新概念主要集中在两个方向，一是让模型运动，二是研究为风洞流场赋能的新方式（磁流体加速），使其达到所需的速度和温度。美国在这两个方向上已经开展了多年研究并积累了一定的基础。高速运动模型设备方面，AEDC对霍洛曼高速试验滑轨进行磁悬浮升级改造，并成功证明在低马赫数（Ma= 0.8）条件下的可靠控制能力。在磁流体加速设备方面，NASA和AEDC相继成功研制了磁流体动力（MHD）加速试验装置。研究表明，基于MHD加速的风洞设备，模拟的马赫数和飞行高度高于现有连续式风洞和电弧风洞的模拟范围。相较于只能模拟静态试验（固定马赫数和不同压力）的常规风洞，磁悬浮/电磁推进和磁流体加热设备拥有能更真实地复现高超声速动态飞行环境，并且有环境污染和振动干扰小、运行时间长的优势，将是未来高超声速系统地面模拟试验所需的新型地面模拟技术。

另外，美国还关注连续多状态动态试验（变马赫数、飞一个任务）能力风洞和多物理场试验风洞（干风洞dry tunnel[49]）的探索研究与建设论证。

5）更加注重一体化试验与评估能力发展[50]以及引入数字工程和人工智能技术。针对飞行器型号设计/分析/试验过程，更加强调风洞试验与计算工具两种手段的高度融合，实现快速评估设计方案和气动布局的能力，从而有效提高试验效率、缩短试验周期、减少试验成本并降低试验风险。机器学习（人工智能）与数字工程转型（颠覆性技术突袭）在空气动力试验研究能力建设中将发挥重要作用。通过数字工程变革地面和飞行试验，利用数字工程工具和流程将使试验与评估效率和效能发生重大转变，这将显著影响新型飞行器系统开发总周期[51]。美国的一些地面试验设备现已开始采用人工智能技术，试验设备的智能化在数据处理、运行控制、健康管理等方面不断深入。未来风洞试验发展趋势将是高度自动化试验，变化模型姿态、试验条件等更加容易、快速，风洞试验效率将得到提升。风洞将是一个融入网络、高度互联的设备，风洞试验数据将与CFD和飞行试验数据库紧密结合，相互支持，提高型号研发效率，减少风险，降低成本。风洞还将发展智能自动诊断系统，实现风洞故障诊断、运行风险评估等。

6）加大高超声速基础设施投资也是当前美国空气动力地面试验能力发展的重要方向。美国近期风洞新建、改造、重启等工程主要聚焦于高超声速设备，尤其是9号风洞和APTU等设备的升级改造以及大型静音风洞和膨胀管等设备的建成，极大提升了地面试验设备在大尺度、长时间、高马赫数、高动压、高焓等方面的能力，拓展了高超声速真实飞行条件的模拟包线，补充了美国核心高超声速战略资源的不足和短板，为高超声速飞行器武器化的技术成熟打下基础。据美国政府问责局2021年报告称，国防部从2015财年到2024财年，用于美国高超声速试验现代化设施的总资金约为10亿美元（不包括运行成本），NASA也表示，这期间，预计有超过5亿美元专门用于支持高超声速试验设施的运行、维持和现代化，以及其他应用[45]。

建设结构简单、高效、廉价的路德维希管气动设备，以加强高超声速基础研究，是美国近期高超声速试验设备发展的又一新动向。2017年，AFRL建成了一座马赫数4、6、8的折叠式路德维希管风洞；2016～2021年间美国田纳西大学空间研究所（UTSI）建成马赫数4、7两座路德维希管设备；2021年，德克萨斯大学圣安东尼奥分校（UTSA）建成马赫数7的高超声速路德维希管风洞。这些试验设施为美国高超声速基础研究提供了有力支持。

致谢：在论文撰写过程中， 中国空气动力研究与发展中心陈喜兰副研究员和曾慧高级工程师提供了大量的参考资料，罗义成研究员、周为群研究员给予了有益的建议和讨论，在此表示衷心感谢！