美國空氣動力地面試驗能力及發展趨勢分析

孫宗祥，李文佳，唐志共，郭楚微，羅月培，孫杭義

(中國空氣動力研究與發展中心，綿陽 621000)

0 引 言

空氣動力學是航空航天飛行器設計最重要的基礎學科和關鍵技術。隨著空氣動力學的發展，空氣動力學研究機構也在不斷發展壯大。二戰前，著名科學家普朗特于1907年在哥廷根組建“飛艇協會試驗基地”，即后來的“哥廷根空氣動力研究所”，成為德國乃至世界最早的空氣動力學研究機構，也是世界空氣動力學研究的“圣地”，由此誕生了以普朗特、托明、施里希廷、馮·卡門、布茲曼、錢學森等著名航空航天科學家為代表的哥廷根學派，而德國也引領了當時的世界航空工業的發展。在此之后，美國成立了國家航空咨詢委員會（National Advisory Committee for Aeronautics, NACA），即美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration, NASA）的前身，蘇聯創建了中央流體動力研究院（TsAGI），相繼推動了美國、蘇聯空氣動力學和航空航天領域的發展。二戰后，美國在著名空氣動力學家馮·卡門博士倡議下建立了著名的阿諾德工程發展中心（Arnold Engineering Development Center, AEDC），并加大了對NASA蘭利、阿姆斯、格林研究中心等空氣動力相關研究機構的投資建設，同時，負責飛行器設計研制的工業部門和負責基礎研究的高校也都加強了空氣動力試驗研究能力建設，構建了軍方以AEDC為代表、政府以NASA為代表以及工業部門和高校的空氣動力試驗研究體系。由此美國迅速成為世界上空氣動力學研究實力最強的國家，在空氣動力試驗研究、飛行器創新研究、空氣動力學學科發展等方面都起著引領作用。

美國的空氣動力試驗設備以風洞為主，其主要建設時期集中在20世紀五六十年代，到80年代初期基本全部建成，在90年代，為了滿足高超聲速高雷諾數試驗模擬需求，建成兩座新的激波風洞LENS I和LENS II。在21世紀頭十年，為了滿足高焓試驗模擬需求，又相繼建成了兩座膨脹管風洞LENS X和LENS XX。之后，主要是維護、改造以及信息化升級，沒有再建設大型風洞試驗設備。近年來，隨著高超聲速飛行器的發展，高超聲速邊界層轉捩研究需求日益增長，美國空軍研究實驗室投資在圣母大學和普渡大學新建了2座高超聲速靜音風洞，其他高校也相繼建設了一系列路德維希管風洞用于基礎研究。同時，隨著航空航天飛行器發展需求變化和空氣動力技術的日趨成熟，美國也相繼關停、拆除了一些冗余設備。近年來，隨著高超聲速飛行器的蓬勃發展，美國又重啟、改造和新建了一批高超聲速試驗設備。

為了厘清美國空氣動力試驗研究能力情況，分析其發展路徑和趨勢，通過廣泛資料調研和深入研究分析，本文簡要介紹了美國空氣動力相關研究機構概況，綜合分析了美國空氣動力地面試驗能力現狀、優勢與短板、經驗與教訓，研判了其發展趨勢。希望通過對美國的研究，為優化完善我國空氣動力學試驗研究體系、促進我國飛行器自主創新發展提供參考。

1 美國空氣動力相關試驗研究機構概況

美國作為世界航空航天大國，擁有世界上最為龐大和完整的國防科研體系，其組織架構為總統集中決策，國會立法和監督，國防部（United States Department of Defense, DOD）、能源部（Department of Energy, DOE）、NASA及其他相關部門各司其責并協調領導的體制，科研力量以政府研究機構為核心、各方力量廣泛參與。

美國開展空氣動力試驗研究的機構分布見圖1，主要包括：國防部下屬三軍科研機構和試驗中心—空軍的阿諾德工程發展中心（AEDC）、空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory, AFRL）、美國空軍學院、美國海軍研究實驗室、陸軍研究實驗室、陸軍航空和導彈研發與工程中心等；NASA所屬蘭利研究中心、阿姆斯研究中心、格林研究中心、阿姆斯特朗飛行研究中心等；能源部所屬桑迪亞國家實驗室、橡樹嶺國家實驗室等；工業部門主要有波音公司、洛克希德·馬丁公司、諾斯羅普·格魯曼公司、雷神技術公司等；高校有馬里蘭大學、普渡大學、圣母大學、德克薩斯農工大學、約翰·霍普金斯大學等；以及卡爾斯潘大學-布法羅研究中心（CUBRC）、高超聲速研究/試驗卓越中心和CFD研究公司等專業機構。

圖1 美國空氣動力相關試驗研究機構分布圖Fig. 1 Distribution of the USA aerodynamic test and research institutions

在這些機構中，目前空氣動力試驗研究能力較強的核心機構主要有AEDC、AFRL、NASA蘭利研究中心、阿姆斯研究中心、格林研究中心、波音公司、普渡大學、圣母大學、德克薩斯農工大學、桑迪亞國家實驗室、卡爾斯潘-布法羅研究中心等11個。表1列出了這11個核心機構的空氣動力試驗研究能力概況，表中加下劃線的設備屬于美國國防部認定的16座核心高超聲速設備[1]。

表1 美國11個氣動試驗研究能力核心機構Table 1 Eleven core aerodynamic test and research institutions in the USA

通過分析這些機構發現，在氣動試驗與研究領域，國防部以AEDC為代表，主要開展飛行器氣動相關的試驗與評估活動，AEDC在美國氣動試驗設備、試驗技術能力方面具有絕對優勢，為美國飛行武器型號提供了一流的氣動試驗數據，支撐了美國武器裝備的發展；NASA以蘭利研究中心、阿姆斯研究中心和格林研究中心為代表，在空氣動力新概念、新技術的試驗研究方面具有權威，引領了國際同行的主流研究方向和未來飛行器的發展趨勢，其氣動試驗設備、試驗技術、數值計算和飛行試驗等體系能力在美國乃至世界都處于絕對領先地位，是美國軍民用飛行器開發研制的核心力量；工業部門以波音、洛克希德·馬丁公司、諾斯羅普·格魯曼公司等為代表，主要開展飛行器氣動相關的應用研究，這些工業企業是美國飛行武器裝備氣動應用研究單位，其氣動試驗設備能力一般，但近年來的數值模擬能力得到很大發展，作為美國飛行武器裝備研制發展的中堅力量，是利用氣動數據、考核和驗證氣動試驗結果、發現氣動問題的工程實踐者，是美國氣動試驗研究能力建設發展的最大推動力量；高校和國家實驗室主要開展飛行器氣動相關的基礎研究工作，普渡大學、圣母大學、德克薩斯農工大學、桑迪亞國家實驗室、卡爾斯潘-布法羅研究中心等高校和國家實驗室是美國空氣動力學研究的基礎力量，其在氣動試驗設備、數值計算、基礎研究領域各具特色，尤其是為美國培養氣動試驗研究人才發揮了重要作用。

表 1（續）Table 1 (Continued)

2 美國空氣動力地面試驗能力現狀

2.1 試驗設備能力

美國的地面試驗設備規模大、種類齊全，形成了完備的風洞試驗設備體系。據不完全統計，其風洞試驗設備就有近150座，能力涵蓋亞、跨、超、高超聲速速度范圍，可開展氣動力/熱、防熱、結構、控制、推進一體化等試驗。

2.1.1 亞聲速風洞設備

在亞聲速風洞設備方面，美國以AEDC的國家全尺寸空氣動力綜合體（NFAC）、NASA蘭利研究中心的20 ft立式風洞，以及格林研究中心的結冰研究風洞（IRT）等設備為代表，詳見表2。其中NFAC在目前世界上同類設備中尺寸最大，擁有40 ft × 80 ft、80 ft× 120 ft兩個試驗段，可對全尺寸波音737飛機開展試驗。NFAC開發了傾轉旋翼試驗臺（TTR），使其滿足研制高性能傾轉旋翼機需求，增添了開展大尺度傾轉旋翼性能、控制載荷和穩定性試驗研究的新試驗能力，其試驗速度達到150 m/s，創造了迄今為止全尺寸旋翼風洞試驗的最高紀錄。目前，該風洞主要開展傾轉旋翼、直升機等特種試驗。格林研究中心的結冰研究風洞（IRT）是世界上最好的結冰研究特種設備，運行時間最長，也是唯一可以在相關冰晶結冰條件下測試全尺寸發動機的設施。目前該風洞的試驗模擬和測試能力都是一流的，美國使用的大多數防冰技術主要是在這座風洞中開發的。總體看來，美國亞聲速風洞設備在試驗段尺寸方面處于世界領先水平，但唯一不足的是缺乏高雷諾數通用亞聲速風洞，雖然有阿姆斯研究中心的12 ft增壓風洞，但該風洞與英國的QinetiQ5M風洞相比還是遜色不少。因此，美國目前在亞聲速高雷諾數風洞試驗需求方面主要依靠低溫風洞—國家跨聲速設備（NTF）低速段的試驗能力和盟國的QinetiQ5M風洞來滿足。

表2 美國部分有代表性的亞聲速風洞設備[2-4]Table 2 Part of representative subsonic wind tunnels in the USA[2-4]

2.1.2 跨聲速風洞設備

在跨聲速設備方面，美國擁有優秀的跨聲速風洞，如AEDC的16T、4T風洞，蘭利研究中心的國家跨聲速設備（National Transonic Facility, NTF）、跨聲速動力學風洞（Transonic Dynamics Tunnel, TDT），阿姆斯研究中心的11ft跨聲速統一規劃風洞（Unitary Plan Wind Tunnel, UPWT）等，詳見表3。16T推進風洞的總體技術性能是最好的，具有高雷諾數模擬能力（0.03 × 106～7.2 × 106/ft）、良好的跨聲速馬赫數范圍（0.05～1.6）、足夠大的尺寸（試驗段16 ft × 16 ft ×40 ft）、完備的推進模擬能力，具備外掛分離模擬能力，以及與16S超聲速風洞良好的匹配能力。16T風洞是最早開展捕獲軌跡試驗的風洞。風洞內發展了片激光多普勒測速系統，可用于非貼體區域的流場速度分布測量，流場測量區域達到了36 in × 36 in，總體精度在自由來流速度的±15%范圍內。在16T內開展過多個型號和項目試驗：F-35閃電2飛機、F-18超級大黃蜂、B-2A幽靈隱身轟炸機、RQ-4全球鷹無人機、NASA的航天飛機，以及翼身融合體、X-33預研型號等。低溫風洞NTF具有很強的能力優勢，具體表現在：空氣或低溫氮氣運行，提供世界上最高的雷諾數試驗能力（146 × 106/ft）；能夠實現大尺度飛行器的全尺寸雷諾數模擬；只需要中等雷諾數（高至2.5 ×106/ft）時，空氣模式運行具有更高的生產率；可獨立控制馬赫數、雷諾數和動壓；具有主動流動控制和推進一體化試驗能力等。TDT是一座特種風洞設備，風洞采用空氣或重氣體為試驗介質，壓力變化范圍可從接近真空到101.325 kPa變化，馬赫數可達到1.2，滿足氣動彈性試驗高度模擬的要求。同時，采用重氣體能夠獲得高雷諾數，比利用空氣獲得的雷諾數提高了2倍。TDT奠定了美國氣動彈性試驗領域的引領地位，其大尺寸試驗段、重氣體試驗介質和跨聲速能力至今仍沒有風洞能夠超越或比擬。總體看來，美國的跨聲速風洞試驗能力是過剩的，AEDC16T、阿姆斯研究中心的11 ft跨聲速統一規劃風洞具有高雷諾數和高生產率，蘭利研究中心的低溫風洞NTF的雷諾數也很高，只是生產能力較歐洲的ETW相對弱一點，同時美國還有一批雷諾數低一些的性能優良的跨聲速風洞。由于美國新型航空器（尤其是有人駕駛飛行器）全尺寸投產性研究已經大大減少，考慮高雷諾數試驗費用較高，同時，對運輸機而言，CFD技術已經大量減少了跨聲速試驗的需求，因此，對于飛行器跨聲速氣動布局研究已轉向低雷諾數試驗，從而降低研制成本[3]，而無需大量的常規跨聲速風洞試驗。

表3 美國部分有代表性的跨聲速風洞設備[2-5]Table 3 Part of representative transonic wind tunnels in the USA[2-5]

2.1.3 超聲速風洞設備

在超聲速風洞設備方面，美國擁有AEDC的16S和超聲速風洞A、蘭利研究中心的4 ft超聲速統一規劃風洞、格林研究中心的10 ft × 10 ft風洞、阿姆斯研究中心的9 ft × 7 ft超聲速統一規劃風洞以及工業部門的幾座超聲速風洞，如表4所示。超聲速風洞A是一座連續式超聲速風洞，盡管該風洞試驗段（3.3 ft × 3.3 ft × 9 ft）相對較小，限制了某些應用，但它具有極好的馬赫數范圍（1.5～5.5）。16S是目前世界上試驗段尺寸最大的超聲速風洞，同時也是一座高雷諾數通用超聲速風洞。蘭利中心4 ft超聲速統一規劃風洞是一座用于小型超聲速飛行器試驗的特種風洞，與AEDC的16S風洞和阿姆斯研究中心9 ft × 7 ft風洞相比，該風洞具有極好的馬赫數范圍和極佳的效費比，且連續氣流性能更好，幾乎所有的美國軍方超聲速飛行器都曾在該風洞中進行過試驗[2-3]。總體看來，美國擁有良好的超聲速風洞試驗設備，16S、9 ft ×7 ft、4 ft風洞大、中、小匹配合理，外加上AEDC的連續式超聲速風洞A，完全滿足常規的超聲速氣動力試驗需求，同時具有推進模擬、外掛分離模擬等特種試驗能力。

表4 美國部分有代表性的超聲速風洞設備[3-5]Table 4 Part of representative supersonic wind tunnels in the USA[3-5]

不足之處在于，近年來美國超聲速飛行器型號發展需求較弱，導致這些超聲速風洞設備長期閑置。另外部分風洞的試驗能力還需拓展，如16S還未達到設計馬赫數6，甚至馬赫數4.75都較難實現；9 ft × 7 ft超聲速統一規劃風洞最大馬赫數僅為2.5，且無推進模擬能力；10 ft × 10 ft風洞雷諾數低，超聲速最低馬赫數限定值為2，與多數跨聲速風洞的最高馬赫數的銜接不夠，且無測力試驗能力。

2.1.4 高超聲速氣動設備

在高超聲速方面，美國擁有一系列性能優良的高超聲速氣動設備，主要以試驗資源管理中心（Test Resource Management Center, TRMC）2012年確認的16座高超聲速核心試驗設施為代表，詳見表5，有9號風洞、8 ft高溫風洞、馮·卡門氣動設施（Von Kármán Gas Dynamics Facility, VKF）A/B/C風洞、氣動與推進試驗設備（Aerodynamic and Propulsion Test Unit, APTU）、氣動彈道靶G靶，以及普渡大學的靜音風洞、國家高能激波（LENS）風洞和H1~H3系列電弧設備等，這些設備有力支撐了美國高超聲速技術研究，使之走在世界前列。其中，9號風洞是一座大型高馬赫數和高雷諾數設備，是美國重要的研發、試驗與評估（RDT&E）設備，也是高超聲速地面試驗的主力設備。8 ft高溫風洞是美國最大的燃燒加熱型高超聲速風洞設備，也是美國唯一一座能進行大尺寸熱結構材料試驗、高超聲速發動機性能試驗和飛行評估試驗的高超聲速風洞設備。LENS系列激波風洞和膨脹管風洞在系統性和模擬能力等方面代表了當前世界最高水平，激波風洞口徑大小配套，參數范圍寬，可以適應不同類型試驗要求，其配套模擬能力涵蓋了航天飛機的大部分軌道參數。超高速氣動彈道靶G靶是美國最大的二級輕氣炮，在以超高速發射極高保真度模型時，能提供優異的最小過載。最近G靶的能力提升到了可發射接近二分之一實際攔截器尺寸的水平。該設備主要用于開展動能毀傷和碰撞機理試驗研究。2018年，圣母大學新建成了美國最大的馬赫數6級高超聲速靜音風洞，該風洞綜合了低噪聲和大尺寸等特點，試驗能力比其他靜音風洞大幅提升。該風洞主要用于高超聲速邊界層轉捩的預測與控制研究，這對于設計未來高性能高超聲速飛行器（尤其是高超聲速飛機）至關重要。綜合TRMC確認的16座高超聲速核心試驗設施，結合我們的調研評估，目前美國有代表性的高超聲速氣動試驗設備如表6所示。

表5 美國TRMC確認的16座高超聲速核心試驗設施（2012年）[1]Table 5 Sixteen core hypersonic test facilities certified by TRMC in 2012 [1]

表6 美國部分有代表性的高超聲速設備[2-8]Table 6 Part of representative hypersonic facilities in the USA[2-8]

總體看來，美國高超聲速常規風洞試驗能力基本能夠滿足高超聲速飛行器氣動力/熱研究與試驗評估需求，但高超聲速推進一體化試驗設備仍然面臨挑戰，主要是超聲速燃燒、高超聲速基本物理和化學問題尚未完全解決，設備方面的不足主要體現在試驗設備尺寸、運行時間有限以及試驗污染空氣對燃燒化學特性的影響，同時還面臨新概念推進技術發展等難題，此外，高超聲速轉捩機理也有待突破。因此，這些挑戰要求創新研究方法和理論，升級、改進或者新建試驗設備。

2.2 試驗技術能力

隨著風洞試驗更加精細化和復雜化，美國也在積極發展風洞試驗技術和測試技術，提高試驗能力，特別是加強了風洞試驗設計研究、開發研究先進試驗技術和先進的測試技術、重視風洞試驗與信息技術（如人工智能、神經網絡等）的融合結合等。

2.2.1 先進的試驗策略

為了提高風洞試驗效率和試驗數據的精準度，降低風洞試驗成本和飛行器研制周期，美國引入了現代實驗設計（modern design of experiments，MDOE）方法，相比傳統的一次一個參數變化（one fact at a time,OFAT）風洞試驗方法具有革命性的進步，它可以對試驗矩陣進行優化，使典型試驗矩陣中的數據點至少減少50%，而且在實驗過程中就可以確定出測量的精度，使風洞試驗從傳統的獲取“數據”向獲取“知識”轉變[9]。

2005年，NASA蘭利研究中心采用MDOE方法對其氣動熱力學實驗室的20 in M6風洞進行了校準，拓展了風洞運行包線內的校準范圍，提高了校準精度，降低了校準周期和成本。此前，采用MDOE方法還對國家跨聲速設備（NTF）壁壓進行了校準研究。2011年，NASA蘭利研究中心在統一規劃風洞（UPTW）中對某地空導彈以前的試驗數據（采用OFAT方法）進行復核，研究采用MDOE方法改進導彈類模型風洞試驗質量和生產率問題。試驗結果表明，根據MDOE方法的質量保證策略，試驗數據量可減少80%，風洞吹風時間減少50%，MDOE方法的力和力矩值的標準誤差小于單點OFAT方法測量的標準誤差。而在該風洞中還進行了某飛機模型試驗對比研究，試驗測量了一定迎角、馬赫數、雷諾數范圍內機翼扭轉角變化產生的氣動力情況，結果表明，同樣的試驗，采用MDOE方法只需要20個點，而OFAT方法需要330個點，并且MDOE方法所需的吹風時間大約是OFAT方法的60%，而精度大體相當[10]。

表 6（續）Table 6 (Continued)

2.2.2 先進的試驗技術

經過八九十年的風洞試驗經驗積累，美國已具備成熟的風洞試驗常規測力、測壓、測熱試驗技術，同時也發展了一系列特種試驗技術，如大迎角動態試驗技術（連續變迎角）；帶動力模擬（TPS）試驗技術、外掛（內埋彈艙）分離（CTS）試驗技術、進氣道特性試驗技術、噴流干擾試驗技術、失速/尾旋試驗技術、氣動彈性試驗技術、顫振抑制試驗技術、氣動聲學試驗技術、飛機結冰試驗技術、大型旋翼機試驗技術等。

除此之外，為了提升和拓展風洞設備的試驗能力，美國還不斷研究先進的試驗技術和方法。如開展風洞模型自由飛試驗技術研究：AEDC利用彈道靶多次開展一體化超燃沖壓發動機飛行器模型自由飛試驗，在超高速氣動彈道靶G靶上取得了突破性進展，模型依靠抵消阻力的正凈推力完全自主自由飛行了約79 m（25 ms），利用彈道靶試驗技術來獲取超燃沖壓發動機飛行數據能使飛行器研制成本降低1至2個數量級。為滿足外罩、外掛和級間分離研究的自由飛試驗需求，美國卡爾斯潘大學-布法羅研究中心用4年時間對LENS II激波風洞的貯氣室和試驗段進行了改造，研制了高速閥、快速撤回系統和捕獲系統，發展了該設備自由飛試驗能力，相繼開展了陸軍攔截彈和海軍/DARPA的HyFly的全尺寸飛行部件外罩分離試驗研究等。為滿足波音公司全尺寸垂尾型號試驗的需求，美國國家全尺寸空氣動力綜合體（NFAC）發展了半模洞壁干擾修正技術，拓展了NFAC風洞模型支撐方式和已有的洞壁干擾修正能力，并且在NFAC風洞12 m × 24 m試驗段中進行了兩種直升機旋翼洞壁干擾效應評估研究[11]。AEDC對氣動與推進試驗設備（APTU）進行變馬赫數試驗能力改造，將飛行加速模擬與試驗技術（FAST）轉化應用到APTU設備中后，APTU具備了高超聲速飛行器飛行軌跡的瞬態試驗能力，可開展全尺寸氣動與推進系統、部件和結構的高超聲速飛行軌跡地面模擬試驗，滿足試驗與評估的重要需求。佛羅里達先進氣動推進中心（FCAAP）聯合佛羅里達A&M大學（FAMU）和佛羅里達州立大學（FSU）設計了一種用于多聲速風洞的半捕獲軌跡系統（S-CTS），該系統被用于研究彈倉分離、外掛釋放和軌跡特性[12]。

2.2.3 先進的測試技術

近年來，美國風洞測試技術發展顯著，特別是非接觸測量技術的快速發展，大大提升了美國風洞試驗獲取數據的能力和精細化試驗能力。

1）壓敏漆（pressure sensitive paint, PSP）技術。NASA的PSP技術已在跨超聲速風洞試驗中實用化，為了更好地讓用戶了解這一技術，NASA發布了這一技術在統一規劃風洞中的用戶指南[13]。AEDC也在16T推進風洞中使用動態PSP技術測量風洞模型的表面壓力數據[14]，在驗證中，通過與安裝在武器艙的動壓傳感器測量數據相比，功率譜密度符合得很好，峰值頻率和量級也非常匹配；另外，AEDC在16T風洞中還發展了一種動態壓敏漆（uPSP）技術，由uPSP系統生成的圖像數據量是穩態PSP系統的幾個數量級[15]，并在武器艙模型試驗中成功驗證了其數據采集和處理能力，試驗獲得的數據與傳統動態壓力傳感器有很好的一致性，并且在測量精確的脈動綜合載荷能力方面優于傳統動態測量儀。

此外，創新科學解決方案公司（ISSI）也研究了一種快速響應PSP，可以捕獲高達20 kHz的脈動壓力。快速響應PSP的優勢在于很容易辨識波消失、渦脫落和其他特殊的動態流動特征。

2）溫敏漆（temperature sensitive paint, TSP）技術。美國的TSP技術已在高焓激波風洞中得到了應用，其測量精度優于7%，響應時間小于0.1 ms。AEDC在9號風洞中發展了一種基于TSP技術的全域傳熱測量技術，獲得的全域圖像可提供比傳統傳感器多幾個量級的表面加熱數據；同時，AEDC研制的雙色TSP系統為9號風洞研究邊界層轉捩和激波/邊界層干擾等復雜流動現象提供了特有的新能力。2020年，在普渡大學的馬赫6靜音風洞（BAM6QT）中使用TSP技術開展了高超聲速邊界層轉捩研究[16]。

3）粒子圖像測速（particle image velocimetry, PIV）技術。桑迪亞國家實驗室發展的PIV能力，能在很小的觀察范圍內捕獲超過4 000個連續矢量場，這種空前的成幀速率非常適合于測量高速流的湍流風速譜，并被用于改善物理模型。同時，桑迪亞國家實驗室還重視立體PIV（stereoscopische particle image velocimetry,SPIV）技術的應用，通過在多相激波管（MST）中的試驗研究，驗證了層析成像PIV技術在短時運行試驗設備應用的可行性[17]。

4）一氧化氮平面激光誘導熒光（NO planar laser induced fluorescence, NO PLIF）技術。NASA蘭利研究中心聯合空軍和高校開展NO PLIF技術開發，該技術被用于測量高速和高超聲速流中的溫度場，技術的核心是利用高速發展的新型激光器技術，可以1 MHz頻率產生脈沖，以及在該脈沖速率下具備先進的成像能力，如此快速的速率足以解決高超聲速非定常流動問題，如邊界層轉捩、分離流，比過去的任何手段都快得多[9]。NASA蘭利研究中心高超聲速吸氣式推進部和先進測量與數據系統部在增強噴射和混合（EIMP）項目下分析了兩級NO PLIF模型在低溫高速氣流中的應用[18]。該技術已在NASA的電弧加熱超燃沖壓發動機試驗設備（AHSTF）、31 in 馬赫數10風洞中成功應用。

5）基于體積激光誘導熒光（VLIF）技術。弗吉尼亞技術學院和空軍研究實驗室研究證明了VLIF技術的3D燃燒測量技術，該技術已經通過比較橫截面的VLIF圖像確認，其比較的結果與平面激光誘導熒光（PLIF）用獨立相機捕獲的圖像一致。接近重疊的圖像證明了VLIF技術測量瞬態3D湍流火焰的保真度和精確度。VLIF技術將用于未來了解高度湍流化火焰的3D結構試驗，并提供關鍵的燃燒性能。

6）平面多普勒測速技術（photonic Doppler velocimetry, PDV）。2021年，美國麥卓激光（Metrolaser）公司演示了一種用于超聲速飛機排放的三分量速度診斷方法—PDV技術，能夠在含顆粒流動（如燃燒氣體）中實現總速度矢量的空間分辨分布，對于研究與射流噪聲相關的三維流動現象非常有用。該方法已在實驗室規模的噴流上進行了演示，有望供戰斗機噴氣發動機的全尺寸試驗使用[19]。

7）飛秒激光電子激發示蹤（femtosecond laser electronic excitation tagging, FLEET）技術。在低溫風洞光學測速上，NASA蘭利研究中心發展了FLEET技術（1×10-15s），該技術不需要示蹤粒子（只需氮氣），通過跟蹤飛秒激光脈沖產生的等離子發光序列圖像測量速度，很好地解決了示蹤粒子對風洞的污染問題[20]。普渡大學、美國空軍研究實驗室和光譜能量公司首次演示了兆赫茲頻率FLEET技術，用于超聲速流的時間分辨測速，并在NASA國家跨聲速設備（NTF）中利用FLEET進行了自由流場速度測量，初步結果表明該系統可獲得有效試驗數據，在對流場造成最小干擾的同時獲得更佳的測量數據。同時，AEDC還首次將此便攜式FLEET測速系統應用于大型高超聲速9號風洞設備。在9號風洞中共進行了21次馬赫數10、14的試驗，測量自由流和湍流邊界層速度，結果顯示：采用FLEET測量的自由流速度與通過9號風洞數據計算得到的值高度一致；FLEET測量得到的湍流邊界層速度剖面也顯示與PIV測量的邊界層速度相吻合。實驗證明，優化后的FLEET系統可以很好地用于高超聲速測速[21]。此外，NASA蘭利研究中心、光譜能量公司和空軍研究實驗室開發了通過共振激發-光解過程實現分子標記的選擇性雙光子吸收共振飛秒激光電子激發示蹤（selective two-photon absorptive resonance femtosecondlaser electronic-excitation tagging, STARFLEET）技術，在很大程度上提高了FLEET技術的激發效率，并首次成功在NASA蘭利研究中心0.3 m跨聲速低溫風洞（TCT）中驗證了高重復率和單發成像的STARFLEET測速技術。2020年，德克薩斯大學阿靈頓分校在其電弧射流風洞中演示了首個STARFLEET和FLEET技術[22]。

8）相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）系統。普渡大學、AEDC、普林斯頓大學和德州農工大學研究了一種飛秒/皮秒激光混合的CARS系統，可用于燃燒和等離子環境中的氣相測溫。在AEDC 9號風洞中使用該技術，對Ma=14、氮氣自由來流的溫度和密度進行了測量，風洞測量結果與CFD預測的結果基本一致。另外，NASA蘭利研究中心還開發了一種非線性光學技術—雙泵相干反斯托克斯-拉曼光學譜測量（dual-pump coherent anti-Stokes Raman spectroscopy,DP-CARS）技術，該技術的一個重要特點是所有相互作用的光束實際上都是空間相干的激光束。因此，在光學測量受限的場所可采用該技術進行遠程測量[9]，如通過狹長開槽測量整個涵道（如超燃沖壓發動機）。

9）數字全息系統。2021年3月，麥卓激光（Metrolaser）公司開發了一種兆赫茲數字全息系統，可用于研究三維超高速現象。2022年7月，美國空軍資助Metrolaser公司設計研制了一個超高速數字全息系統，該系統以每秒1億幀的數據速率運行，可提供高質量的全息圖，可用于可視化高超聲速彈丸與彈丸的相互作用研究，并量化相關氣動反應過程的時空演變。該系統有望用于AEDC高超聲速彈道靶設施試驗研究[23]。

10）其他創新的測試技術帶來的新診斷能力。2019年，堪薩斯大學開發了一種新型的磁粒子跟蹤技術（MPT），與其他先進的流動診斷方法不同，MPT用磁場跟蹤目標，它不依賴于光學，可以在完全不透明的環境中使用。同時，它不涉及放射性物質或X射線，因此，操作既安全又容易。用非線性卡爾曼濾波器代替基于優化的方法，使重建速度提高了三個數量級，并提高了精度和分辨率。同年5月，堪薩斯大學應用MPT技術研究了庫埃特盒（Couette cell）內的致密剪切顆粒流，觀察到許多有趣的現象，如流動中條狀物的水平對齊趨勢[24]。

2020年7月，普渡大學的研究人員發布了一種新的光譜測溫技術，該技術應用探測納秒等離子體脈沖，從氮分子的紫外線輻射中確定旋轉溫度和振動溫度。研究人員預計，這項技術可以應用于現代燃燒系統中的快速測溫[25]。

2021年，密歇根大學研究人員開發了一種新的診斷方法—基于脈沖中紅外光源的向上轉換成像（UCI）技術，用于檢測旋轉爆轟燃燒器（RDC）中感興趣組分的中紅外發光。該技術具有高光譜選擇性、高時空分辨率和優越的低光探測性等優點。最終的測量驗證了該項技術具有高時空分辨率，能夠對超聲速傳播爆轟波陣面附近的小型結構成像。結果表明，該技術可用于觀察RDC流場的高溫高壓區梯度極大的結構以及毫米級結構，時間分辨率約為200 ns[19]。

2021年，NASA高超聲速技術項目（HTP）的研究人員開發了新的流場測量技術，以便為高超聲速飛行系統設計人員提供所需的流固耦合數據。研究人員開發了這種新型聚焦激光差分干涉測量系統，以在高超聲速風洞設備中提供非接觸式、高速（兆赫茲級）密度漲落測量。除了表征風洞自由流環境外，研究人員還測量了試驗模型上的近表面邊界層流動，并用高速紋影成像技術對其進行了驗證。兩條單獨的激光線（沿每條線均勻分布有16個點）可以對密度漲落的空間演化和速度進行測量，為與表面安裝的壓力探針進行比較提供數據[26]。

此外，AEDC還發展了氪示蹤測速技術（KTV），可用在9號風洞中對大尺寸試驗模型進行速度剖面測量，并為9號風洞速度計算程序提供了一種新的試驗評估方法。

11）模型變形測量技術。NASA阿姆斯中心發展了一套模型變形和光學迎角測量系統（MDM/OAoA），能提供小于0.1 mm和小于0.05°的模型變形測量，該系統已在統一規劃風洞（UPWT）中使用[27]。為了更準確地測量大尺寸風洞模型試驗件在氣動載荷下的變形，AEDC在16T推進風洞中投資和啟用了一種先進的光學模型姿態和變形系統（OMADS），在典型構型條件下，該系統能夠分辨目標位置的不確定度約為0.5 mm[28]。

2.2.4 風洞試驗與信息化、人工智能技術的融合

隨著信息化技術和人工智能技術的快速發展，美國在將信息化和人工智能等新技術應用于風洞試驗方面走在了世界前列。

在風洞試驗信息化方面，美國充分利用信息網絡技術優勢，較早實現了風洞試驗與用戶互聯互通，實現風洞試驗設備資源、在線數據分析、數據資源共享。1994年，NASA阿姆斯研究中心建成了遠程訪問風洞系統（remote access wind tunnel system, RAWT），該系統以氣動網（AEROnet）為主體，同時連接NASA的數值空氣動力學模擬（NAS）超級計算機系統，RAWT系統可使遠程的工程設計人員與阿姆斯研究中心的風洞試驗人員實現實時在線討論與協調試驗事項和數據結果[29-30]。

1997年，NASA革命性的航空智能風洞系統，即達爾文（developmental aeronautics revolutionizing windtunnels with intelligent systems of NASA, DARWIN）系統在阿姆斯研究中心建成啟用[31-32]，能夠對先進風洞設備與復雜數值模擬代碼生成的集成知識庫提供遠程共享。該系統主要優勢在于：型號單位與風洞試驗單位能共同在線監測試驗過程和分析數據結果；型號單位能共享NASA各中心的數據資源；NASA能將各中心分散的數據庫集成知識庫，試驗單位和用戶能根據授權隨時調用各種數據庫進行數據比較分析等。

后來，NASA蘭利研究中心又建立了試驗計劃系統（test planning system，TPS）。2005年，AEDC在艾格林空軍基地建立了遠程風洞控制室（remote wind tunnel control room，RWTCR）[33]。由此，美國的風洞試驗信息化建設得到了進一步完善和優化。

在人工智能技術融入風洞試驗方面，20世紀80年代末，NASA阿姆斯研究中心就提出利用人工智能（artificial intelligence, AI）技術來提高風洞生產力、數據質量以及管理效能[34]。近年來，美國不斷在風洞試驗的數據處理、運行控制、健康管理等方面融入人工智能技術。

1）數據處理。利用數據聚類、關聯分析、機器學習等大數據和人工智能技術，從海量試驗數據中提取有用信息，發現其中蘊含的規律，支撐飛行器的優化設計。目前，AEDC已開發和應用數據挖掘軟件包（DATAMINE），使風洞試驗數據采集過程引入的誤差最小化，并提供在共享數據文件夾中搜索、提取歷史試驗數據的工具，以增強數據挖掘和數據融合能力[35]。NASA蘭利研究中心已在14 ft × 22 ft亞聲速風洞中配置了神經網絡數據分析系統，該系統可以高效執行數據插值、模型結構優化和流動參數研究等工作。2021年，密歇根大學和佐治亞理工學院的研究人員使用現有的旋流燃燒室實驗數據來訓練模型，尋找更智能的燃燒控制措施。實驗數據同時包含了升起和附著兩種火焰狀態，但只使用單種狀態的數據訓練模型時，機器學習方法也能捕捉到狀態自發轉變和當時火焰速度場的關鍵特征[36]。

2）運行控制。利用預測控制、模糊控制和神經網絡等智能控制技術，使風洞控制系統具備自主調節、自適應、智能決策等能力，實現風洞的高效運行和精確控制。蘭利研究中心16 ft跨聲速風洞利用自組織特征映射神經網絡算法，有效提高了馬赫數和模型姿態的控制精度；國家跨聲速設備（NTF）對三級噴液氮泵閥的運行建立了一個振動檢測和故障預警的神經網絡，用于風洞溫度調節運行控制[37]。

3）健康管理。利用神經網絡、機器學習、數據挖掘等技術，使設備管理系統具備智能感知、故障診斷、故障預測、自我完善等能力，推動試驗設備管理高度自動化和智能化。AEDC 16T/S風洞建立了基于人工神經網絡的壓縮機失速監控專家系統，由傳感器、預處理器、基于知識庫的診斷子系統、神經網絡子系統、數據分析和模式識別子系統等組成，可有效提高壓縮機運行的安全性與可靠性[37]。

近年來，美國加強了利用機器學習技術來增強應用空氣動力學的分析，由此產生了大量的試驗和計算3D流場數據。2020年，美國國防部高性能計算現代化計劃計算研究和工程采辦工具與環境項目（HPCMP CREATE）的研究人員開發了一種基于神經網絡的自動流場物理識別方法，可以對懸停旋翼流場中的翼尖渦流自動識別。機器學習在空氣動力學降階預測、物理特征識別和質量評估等領域具有很大的應用潛力[38]。

3 美國空氣動力地面試驗能力分析

20世紀60年代，美國航空航天學會（AIAA）下設成立了“地面試驗技術委員會”（GTTC）。2013年，GTTC又下設成立了“地面試驗未來”（FoGT）小組，以對美國地面試驗能力開展不定期的評估研究，并為國家和行業提供咨詢建議報告。2018年，該工作小組發表了題為“GTTC Future of Ground Testing Meta-Analysis of 20 Documents”（AIAA 2018-0387）報告[39]，選取了20篇與美國地面試驗應用及趨勢相關的“精華”文章進行評估分析，最后將內容收集并整理為美國地面試驗現狀、未來狀況、主要挑戰/差距和建議幾個要點。我們在該報告基礎上，結合長期的跟蹤研究，針對美國空氣動力試驗研究能力優勢和不足、建設發展的經驗教訓與未來趨勢提出以下看法。

3.1 優勢與不足

3.1.1 試驗能力優勢

1） 整體試驗能力和規模優勢。目前，美國主要風洞試驗研究設備有近150座，其中30多座處于世界一流水平，形成了以大型風洞設備群為代表的空氣動力試驗能力體系。從試驗能力來看，美國亞、跨、超設備尺寸大，數量多，配套齊全，模擬包線完全能覆蓋國家飛行器發展需求；試驗技術成熟，試驗精度高；且建有亞、跨、超連續式風洞，配備有連續掃描數采系統，可在風洞運行過程中對試驗模型進行重新布局，風洞生產率較高。高超聲速設備（常規風洞、推進一體化試驗設備、特種風洞等）體系完善、試驗總體能力處于世界領先水平，但鑒于近期高超聲速技術武器化進程加快，項目試驗任務緊迫，部分設備還不能完全滿足國家戰略需求。

2）三大手段融合優勢。通過幾十年的試驗研究積累以及諸如AEDC的“仿真、試驗與評估方法”（STEP）項目的建設完善，已建成了地面試驗、數值模擬和飛行試驗三大手段融合的一體化試驗與評估體系，從而實現精簡試驗與評估過程、降低風險、減少冗余和重復試驗[40]。同時，可以開展涉及多種學科以及多物理場、多種狀態優化的試驗與評估。

3）試驗技術優勢。目前，美國是世界上航空航天飛行器型號最多的國家，特別是通過一些世界級領先的飛行武器裝備型號，航空方面如幾代戰斗機（F-15、F-16、F-22、F-35等）、大型運輸機、武裝直升機等，航天方面如航天飛機、NASP計劃和近年來的高超聲速武器等的發展，積累了大量的試驗研究經驗，制定了包括AIAA系列的試驗研究國際標準規范，發展了世界領先的特種風洞試驗技術和風洞測量技術。尤其是近年來風洞試驗信息化和一系列非接觸測量技術快速發展，提高了試驗效率和試驗精準度。如連續掃描試驗數據采集技術和網絡新技術的應用，能夠使試驗數據采集與試驗件連續的俯仰和滾轉運動達到同步進行。AEDC采用這些技術，試驗數據點數量增加到原來的10倍[40]。

3.1.2 挑戰與不足

AIAA GTTC/FoGT工作組近年來主辦了幾次互動會議，討論美國現在和今后開展實驗性地面試驗的相關問題和方法。FoGT工作組成員的共識是，目前在管理方面的狀況可能使美國地面試驗能力面臨重大風險，使其喪失開發關鍵技術和生產新的航空航天產品所需的能力，這直接對國防和經濟產生威脅[39]。

1）設備老化，成為發展的負重。美國在20世紀50～80年代集中建設的風洞，大部分已超出原來的設計壽命，經過投入大量資金多次升級改造，才確保這些設備沿用至今，但始終面臨超期服役的問題。同時，在20世紀五六十年代建設的大多數設備，并未按能量效率設計，而是按技術性能設計。盡管通過實施壽命延期計劃和更新改造控制、測量儀器及數據系統，保持這些風洞的持續使用，但其固有的設計缺陷致使其效率低下，不能有效滿足未來航空發展的需要。因此，美國在20世紀70年代前投入使用的大多數風洞，特別是商用部分，都已被迫退役。20世紀90年代中期，美國提出了建設新的國家風洞設備建議，但沒有財政支持，未能實施。目前沒有建設新型風洞的時間表和路線圖，只在老設備上修修補補，最終無法從根本上提升美國的試驗研究能力。如美國缺乏滿足國內用戶需求的合適的高雷諾數通用亞聲速風洞，NASA阿姆斯中心的12 ft增壓風洞是美國在這個領域內唯一有能力的設備。但是，與歐洲的兩座優良設備（英國的QinetiQ5M和法國的ONERA F1）相比，還存在一些問題和局限性，妨礙了該設備在商業運輸和戰術飛機研究中的使用。1988～1995年間的改造雖然彌補了一些技術差距，但用戶還是喜歡采用歐洲設備[3]。表7為美國政府平均40年以上的代表性核心航空航天試驗設備[41]。

表7 美國政府平均40年以上的代表性核心航空航天試驗設備Table 7 The representative essential core of government aerospace test facilities averages 40 years of age

2）高超聲速試驗能力滿足不了需求。據美國各方評論認為，目前美國高超聲速風洞和推進設備的試驗能力與需求還存在較大的差距。最為突出的是在高超聲速風洞的速度與尺寸方面，渦輪發動機/超燃沖壓發動機模態轉換的試驗條件受限，潔凈空氣試驗臺、高超聲速流場測試與診斷技術以及高超聲速邊界層轉捩預測能力還有差距等。受試驗持續時間和焓值的限制，部分研究領域設備還不能完全滿足國家戰略需求。如高超聲速風洞的生產率，特別是馬赫數10以上的生產率有待提高。對于型號研制試驗，一般需要幾千個數據點來為飛行器設計提供保證，脈沖風洞的運行時間僅為幾毫秒，現有的暫沖式風洞也只能提供幾秒至幾分鐘的試驗時間。馬赫數6～15的高超聲速氣動設備（理想氣體設備），一般都是中等尺寸，不能復現飛行狀態焓值[42]。

3）氣動數據融合不夠。美國評估報告指出，目前美國的一些氣動機構沒有太多涉及到數據管理/數據融合，包括融合中最重要的要素，EFD和CFD的融合。與其生成大量的數據，還不如對數據集的管理和計算能力的利用進行充分規劃，以開發出在超出任何一種資源范圍的條件下都能獨立提供的融合數據集。目前美國這方面的工作還做得不夠。

4）后續創新發展不夠。美國風洞設備建設黃金期在20世紀五六十年代，90年代后沒有建什么大設備（除幾座激波風洞和靜音風洞外），主要是風洞設備改造。20世紀90年代初和2010年左右，美國開展了兩次大的國家風洞設備論證，但都無果而終，在新一代風洞試驗設備建設方面沒有顛覆性技術路線，還是停留在修修補補。主要原因是現有設備能力基本能保障國家需求，復雜飛行器布局流場數值模擬的速度和精度大幅提高，同時國家飛行器發展需求下降。此外，新型風洞研制發展缺乏機理上的突破，導致幾次規劃的風洞設備得不到國會財政支持，最終半途而廢。

3.2 經驗與教訓

3.2.1 經驗

1）頂層設計體現國家意志，具有高起點和超前意識。1949年，為滿足美國軍事技術發展的需要，美國國會頒布了81-415公共法案，聯邦政府根據這個法案制定了航空試驗設備國家發展規劃。美國風洞試驗設備建設非常注重戰略定位，強調體現國家綜合能力的戰略思想。如國家跨聲速設備、國家全尺寸空氣動力綜合體、統一規劃風洞，這些風洞從名稱上就體現了國家意志。設備建設具有超前思想，美國是通過愿景（規劃、預測、構想）與市場牽引來推動設備建設。設備建設由需求牽引時，通常會滯后，導致設備建設來不及，試驗任務等不起。因此，要有敏銳的前瞻性。

1945年，馮·卡門提出遠遠超出當時航空航天飛行器發展需求的設備建設建議，以支持未來新概念飛行器的發展。根據阿諾德將軍和馮·卡門支持的遠景規劃發展、建立和投入使用的地面試驗設備，在技術上超前于飛行器系統的研發，以現在的眼光來看也符合“更遠、更快和更高”的要求。沒有這樣的洞察力，許多設備美國今天都不可能建成。這些試驗能力正在不斷完善并確保美國空軍在技術上全面超越領先，而不是僅僅滿足某一特定的需求。AEDC主要試驗設備發展歷程見圖2，證明了早期遠景試驗設備發展途徑的意義。NASA后續風洞設備的發展也遵循類似的時間線。盡管對未來需求并不總是非常清楚，但在20世紀五六十年代，AEDC就有47座風洞建成并投入使用，其中的一些設備如遵循1947年馮·卡門的遠景規劃建造的世界最大的超聲速推進風洞至今還保持完好。

20世紀70年代后，美國僅建設了很少幾座風洞，且很多是為驗證支持特定計劃而建造的。圖2的路線圖說明主要試驗設備的設計、發展和投入使用需要有提前的時間量。而現在這個提前量已變得比20世紀五六十年代更長，與發展新型飛行武器系統的時間線長度在同一量級。通常回答需求的必要性是滯后的，所以在今天的環境下，只按預想的武器系統的新需求發展主要的試驗裝備，是來不及的。

圖2 AEDC主要試驗設備發展歷程[35]（橫條中的數字為論證建設時長）Fig. 2 History of the development of AEDC test facilities[35]

2） 注重技術優勢的培育，實現一流水平長盛不衰。AEDC提出了技術優勢倡議，成立了技術優勢委員會（TEB），即培育AEDC人力技術優勢，確保AEDC擁有一群穩固的、技術領先的、令人尊敬的人才隊伍，以便能夠提供滿足武器系統研制要求所必要的具有深度和廣度的地面試驗與評估技術能力。在培育技術優勢過程中重點關注以下幾個問題：一是挖掘員工對任務的熱情和任務創新的潛力；二是組織與領導層重視發展技術優勢；三是為員工獲得技術和創造知識提供機會；四是技術合作；五是致力于培養技術人員；六是知識歸檔管理[43]。

3）資產管理（轉移）靈活。美國軍隊與地方、政府與企業、政府與高校在風洞試驗資源管理方面較為務實靈活，經常會評估風洞資源，并根據冗余和閑置情況，進行資產整合、轉移，集中管理，讓其發揮最大效益。如1997年，美國海軍海面武器中心將超高速9號風洞移交AEDC運行管理，2006年阿姆斯研究中心將已關停3年的國家全尺寸空氣動力綜合體（NFAC）轉租給AEDC運行管理，這些做法體現了資源整合、保持國家戰略資源長期穩定發展的思想。又如NASA將HYPULSE轉給ATK-GASL，后諾斯羅普·格魯曼公司收購ATK公司，2020年由諾斯羅普·格魯曼公司捐贈給普渡大學，維持該設備的國家戰略資源地位，使其發揮重要作用。德克薩斯阿靈頓分校（UTA）空氣動力學研究中心（ARC）的風洞和設備主要是通過搜羅和升級政府和工業部門的退役設備來建造的，ARC風洞的5級Clark壓縮機系統是1985年NASA阿姆斯研究中心捐贈給UTA的，該壓縮機現在是中心設備群運行的支柱。ARC的高雷諾數跨聲速風洞（HIRT）采用路德維希管設計。HIRT最初由AEDC研制，是評估美國空軍所提出的跨聲速風洞概念的引導性風洞，1971～1975年間，AEDC對其運行特性和流場品質進行了大量評估研究，1978年將該設備捐獻給UTA，并在對支撐系統、氣壓控制系統和計算機控制與數據采集系統等進行了大量研發后，于1984年1月進行了首次試驗。1986年，該設備搬遷到新的空氣動力學研究中心綜合體。停用幾年后，對其壓力測量系統進行了改進，于1996年初又重新啟用。

4）注重軍地合作，培育優勢力量，不為所有，但為所用。近年來，美國新建的高超聲速風洞設備基本上都是軍方與高校聯合投資建設，如美國空軍與普渡大學和圣母大學聯建高超聲速靜音風洞，海軍與德州農工大學新建的超高速膨脹管風洞，陸軍與德州農工大學聯合建設的大型綜合高超聲速風洞。這一趨勢也契合了美國國防部聯合高超聲速轉化辦公室（JHTO）成立高超聲速應用技術大學聯盟（UCAH）的初心，即加強軍方與高校的合作，充分利用高校的學術資源和研究能力，共建共享試驗資源，培養高超聲速人才隊伍[44]。同時，利用企業專業隊伍穩定優勢，建立軍地聯合試驗管理模式，充分發揮管理 + 專業優勢。如AEDC采用了“軍方 + 承包商”管理模式，軍方負責整個機構的組織管理，承包商負責具體執行試驗與評估活動。

5）注重風洞設備能力評估。大型風洞設備作為國家的戰略試驗資源，美國非常重視提升其試驗能力和試驗效率，并建有各個層級的評估機構開展不定期試驗能力評估，始終確保國家風洞戰略資源的核心試驗能力。如：1994年，NASA與國防部成立工作組開展“國家設施研究”，評估并規劃美國的地面試驗能力；2004年，蘭德公司對NASA的風洞和推進試驗設施能力進行了評估，提出關停改造建議；2013年，美國AIAA地面試驗技術委員會（GTTC）成立“地面試驗未來”工作組，研判美國試驗設施未來發展方向；2017年，NASA通過航空試驗和評估能力（AETC）計劃完成了12座核心風洞設備的評估工作，以掌握風洞的試驗能力現狀。

6）風洞試驗能力必須有持續的投入，否則需要時可能無法滿足國家需求。風洞試驗設備的利用是有周期性的，要結合國家和軍方宏觀需求來看待風洞設備的利用率，注重戰略資源的維護管理和技術改造升級。如格林結冰研究風洞在20世紀六七十年代利用率低[3]的時期仍保留著與風洞運行密切相關的研究人員，這種做法就是一個很好的經驗。這種做法確保了后續時期型號發展所需的風洞高利用率，對美國新時期的航空航天研究、發展、試驗與評估起到了很重要的作用，也證明了保留獨特設備具有十分重要的意義。

7）加強國家試驗資源統籌利用。美國國家試驗資源的協調和管理工作大部分由國防部試驗資源管理中心（TRMC）監督，TRMC還作為一個協調機構，本身負責監督國防部的大部分物理試驗和評估基礎設施，以確保國防部的優先事項。據稱，TRMC和美國國防部高超聲速飛行技術主管聯合建立了一個系統，用于在面臨進度沖突時確定項目進入測試設施的權限等級。除了TRMC的工作外，2018年6月，國防部長辦公室（OSD）、導彈防御局和軍兵種簽署了一項協議，將優先進行基于通用高超聲速滑翔體設計的原型飛行試驗[45]。這些都是根據國家武器裝備發展緊迫需求，從國家層面統籌利用地面試驗資源的重大舉措。

3.2.2 教訓

1）重復建設造成能力冗余。美國從20世紀80年代開始，僅NASA蘭利中心就關閉了12座超聲速風洞、7座跨聲速風洞和3座亞聲速風洞。其中有17座是1995年以后被陸續關閉、拆毀或遺棄的，包括許多大型風洞，如16 ft跨聲速風洞等，且停運的風洞將會越來越多[46]。這其中的原因很多，但一個主要原因是國家在風洞試驗設施建設方面缺乏統籌，在飛行器發展高峰期缺乏理性認識，軍方、NASA和企業各自為陣，盲目建設擴張、搞重復建設，一旦國家需求下降，就導致試驗資源過剩、冗余閑置。

2）政策導向不利于人才發展，導致人才流失和斷層。近年來，美國空氣動力地面試驗專業人才缺失的問題日益凸顯，尤以高超聲速人才為甚。隨著地面試驗設備維護方面的資金投入降低，與之相對應的專業技能型人才也萎縮嚴重。經費預算的減少、投資政策的變化和采辦的改革，已影響了地面試驗科技人員能力提升。有人認為，國防部對提高試驗效率過于重視（減少試驗范圍、使用更少的設備和人員），對良好的系統工程和提高試驗效能不太重視（盡早尋找系統故障和支持修復工作），影響了人才培養和保留。

3）節省試驗費用不是正確的衡量標準。過度強調降低試驗成本，從而使其傳統技術優勢受到損害。正確的衡量標準是獲取足夠多的信息來提高質量，從而減少缺陷和縮短產品開發時間，研究過程質量的提高對產品開發也產生積極影響。同時，NASA采用風洞試驗全成本回收法在一定程度也制約了風洞試驗設備的正常運轉和能力提升，從而導致大量設備閑置、關閉和拆除。

4 美國空氣動力地面試驗能力發展趨勢

美國風洞設備建設從20世紀三四十年代開始，直到20世紀80年代初最終建成風洞試驗能力體系。1994年，美國擬耗資12億美元建造大型亞聲速和跨聲速風洞，為民用和軍用飛機發展提供世界級的風洞設施，但最終并未付諸實施。2004年，蘭德公司評估了NASA風洞試驗能力，給出發展的意見建議。2010年左右各界（AEDC、NASA以及工業部門）對氣動試驗能力發展開展了大規模論證評估，NASA發表了加強CFD投資的趨勢性判斷文章，AEDC發表了以風洞投資為主、結合建模仿真的判斷性文章。結果以NASA《CFD 2030年愿景》提出的宏大目標并加大CFD投入勝出（投資方向：高性能計算機、軟件開發研究），而對于風洞投資，主要立足維持國家核心戰略資源風洞的改造與能力提升，針對高超聲速地面試驗能力不足和高超聲速武器發展需求，啟動了HSST計劃。2018年初，美國航空航天學會（AIAA）地面試驗技術委員會（GTTC）“地面試驗未來”（FoGT）小組發表新的評估文章，認為美國目前管理政策不利于地面試驗能力發展，使國家飛行器發展需求面臨較大危機。

回顧美國氣動試驗設備發展歷程，結合近期相關信息，對其地面試驗能力發展趨勢研判如下：

1）美國地面試驗需求正走出冷戰后的長期低迷狀態。近年來，隨著微型無人飛行器（UAV）超低湍流度、撲翼非定常氣動力研究，以及新一代戰斗機和高超聲速飛行器的發展，美國風洞試驗需求長期不足的現狀發生了較大改變，圖3為美國新興航空航天需求和2025年預期風洞能力[47]。特別是美國對高超聲速技術的興趣與日俱增，高超聲速相關風洞試驗的需求大幅增加。據美國NASA官員稱，這種需求增加并不是高超聲速風洞獨有，低速風洞的需求也有類似的增長[45]。2019年，AEDC多座設備的試驗任務量創新高，并且這種趨勢仍將持續，部分設備的任務量甚至會達到以前的三倍。據AEDC試驗運行部主任Keith Roessig上校透露，目前AEDC的狀況與20世紀60年代開展太空競賽時的情況非常相似。

圖3 美國新興航空航天需求和2025年風洞能力[47]Fig. 3 Emerging aerospace needs of the USA and anticipated 2025 wind-tunnel capabilities[47]

2）對現有風洞設備有保有舍，對有關成本及效率有了新的認識。對于現有風洞設備，NASA蘭利研究中心認為，應保留能夠滿足國家戰略需求的必要生產型試驗設備，充分利用新技術進行設備升級改造和發展先進試驗技術提升，形成新的試驗能力，重點加強知識型人才隊伍建設、試驗設備改造和信息化等工作；充分利用小型設備加強試驗技術、氣動產品、風險降低和分析工具開發研究。AIAA地面試驗技術委員會（GTTC）認為，維護和改造關鍵地面試驗設備是確保未來試驗能力生死攸關的重要組成部分，為了將有限資源集中于滿足關鍵能力和新設備的需求上，必須放棄冗余設備和非重要的試驗設備；而提高試驗技術是確保未來飛行系統發展的關鍵，培養知識型的試驗人才隊伍是國家基礎設施發展的關鍵[48]。此外，在風洞運行和管理中轉變認知觀念，轉換思路，實現低成本、高效率。AEDC首席專家指出：“從整個武器系統研發過程的企業愿景觀點看，提高采辦過程進度節奏的試驗能力效力比試驗能力效率本身的成本效益更重要。聚焦在采辦進度節奏比關心運行成本更有價值。”

3）未來風洞發展要瞄準多任務能力和能量效率，注重先進試驗技術和測試技術開發。洛克希德·馬丁公司和AEDC都認為，未來任何新試驗設備都必須有寬廣的試驗類型和速度范圍，具備多任務試驗能力；同時注重能效設計，任何新型設備都必須有非常高的能效（能源成本占地面設備試驗成本的50%），能源利用同風洞橫截面面積成正比，未來風洞設備的尺寸必須在能源使用和數據質量之間尋求平衡。此外，橢圓回路、多次循環試驗環境、摩擦損失非常低的回路設計和可變的試驗段尺寸，這些都是重要的考慮因素。未來風洞設備還要盡可能地設計使用可再生能源（如水電、地熱、風或太陽能），并考慮循環經濟發展，如考慮關閉冷卻水回收系統、液壓流體等，不僅能減少設備總能量的使用，而且能更好地保護環境，且停用冷卻系統后的廢熱可用于供暖、發電、照明等[35]。高品質的風洞設備只有配備先進可靠的試驗技術和測試技術，才能發揮大型風洞試驗滿足型號精細化設計的作用。NASA蘭利研究中心、AEDC等認為，未來風洞應發展先進的非接觸流場診斷技術、先進的數據處理和顯示技術，以及數據挖掘、數據融合能力和虛擬模擬能力，使研究人員能從全局角度充分理解流動機理，采用先進的全局測量技術（同一種試驗中綜合使用多種測量技術），對氣動環境中出現非連續特性的原因和影響進行歸類和分析，不能局限于常規測力/力矩、測壓，要綜合理解試驗模型所處的整體環境，使風洞試驗實現從采集數據向獲取知識的重要轉變。

4）積極探索研究新一代地面試驗設備發展的新原理、新概念。相對于傳統的風洞設備，探索氣動試驗設備的新原理、新概念主要集中在兩個方向，一是讓模型運動，二是研究為風洞流場賦能的新方式（磁流體加速），使其達到所需的速度和溫度。美國在這兩個方向上已經開展了多年研究并積累了一定的基礎。高速運動模型設備方面，AEDC對霍洛曼高速試驗滑軌進行磁懸浮升級改造，并成功證明在低馬赫數（Ma= 0.8）條件下的可靠控制能力。在磁流體加速設備方面，NASA和AEDC相繼成功研制了磁流體動力（MHD）加速試驗裝置。研究表明，基于MHD加速的風洞設備，模擬的馬赫數和飛行高度高于現有連續式風洞和電弧風洞的模擬范圍。相較于只能模擬靜態試驗（固定馬赫數和不同壓力）的常規風洞，磁懸浮/電磁推進和磁流體加熱設備擁有能更真實地復現高超聲速動態飛行環境，并且有環境污染和振動干擾小、運行時間長的優勢，將是未來高超聲速系統地面模擬試驗所需的新型地面模擬技術。

另外，美國還關注連續多狀態動態試驗（變馬赫數、飛一個任務）能力風洞和多物理場試驗風洞（干風洞dry tunnel[49]）的探索研究與建設論證。

5）更加注重一體化試驗與評估能力發展[50]以及引入數字工程和人工智能技術。針對飛行器型號設計/分析/試驗過程，更加強調風洞試驗與計算工具兩種手段的高度融合，實現快速評估設計方案和氣動布局的能力，從而有效提高試驗效率、縮短試驗周期、減少試驗成本并降低試驗風險。機器學習（人工智能）與數字工程轉型（顛覆性技術突襲）在空氣動力試驗研究能力建設中將發揮重要作用。通過數字工程變革地面和飛行試驗，利用數字工程工具和流程將使試驗與評估效率和效能發生重大轉變，這將顯著影響新型飛行器系統開發總周期[51]。美國的一些地面試驗設備現已開始采用人工智能技術，試驗設備的智能化在數據處理、運行控制、健康管理等方面不斷深入。未來風洞試驗發展趨勢將是高度自動化試驗，變化模型姿態、試驗條件等更加容易、快速，風洞試驗效率將得到提升。風洞將是一個融入網絡、高度互聯的設備，風洞試驗數據將與CFD和飛行試驗數據庫緊密結合，相互支持，提高型號研發效率，減少風險，降低成本。風洞還將發展智能自動診斷系統，實現風洞故障診斷、運行風險評估等。

6）加大高超聲速基礎設施投資也是當前美國空氣動力地面試驗能力發展的重要方向。美國近期風洞新建、改造、重啟等工程主要聚焦于高超聲速設備，尤其是9號風洞和APTU等設備的升級改造以及大型靜音風洞和膨脹管等設備的建成，極大提升了地面試驗設備在大尺度、長時間、高馬赫數、高動壓、高焓等方面的能力，拓展了高超聲速真實飛行條件的模擬包線，補充了美國核心高超聲速戰略資源的不足和短板，為高超聲速飛行器武器化的技術成熟打下基礎。據美國政府問責局2021年報告稱，國防部從2015財年到2024財年，用于美國高超聲速試驗現代化設施的總資金約為10億美元（不包括運行成本），NASA也表示，這期間，預計有超過5億美元專門用于支持高超聲速試驗設施的運行、維持和現代化，以及其他應用[45]。

建設結構簡單、高效、廉價的路德維希管氣動設備，以加強高超聲速基礎研究，是美國近期高超聲速試驗設備發展的又一新動向。2017年，AFRL建成了一座馬赫數4、6、8的折疊式路德維希管風洞；2016～2021年間美國田納西大學空間研究所（UTSI）建成馬赫數4、7兩座路德維希管設備；2021年，德克薩斯大學圣安東尼奧分校（UTSA）建成馬赫數7的高超聲速路德維希管風洞。這些試驗設施為美國高超聲速基礎研究提供了有力支持。

致謝：在論文撰寫過程中， 中國空氣動力研究與發展中心陳喜蘭副研究員和曾慧高級工程師提供了大量的參考資料，羅義成研究員、周為群研究員給予了有益的建議和討論，在此表示衷心感謝！