瞭望 | 美國風(fēng)洞為何“吹”不出來

　　美國認(rèn)為，在高超音速風(fēng)洞建設(shè)上，美國已落后世界風(fēng)洞強(qiáng)國至少20年

　　風(fēng)洞強(qiáng)國已建成覆蓋亞音速到高超音速的全譜系風(fēng)洞，形成了5~35馬赫的連續(xù)測試走廊。相比之下，美國風(fēng)洞數(shù)量雖多，但與高超音速飛行相關(guān)的高性能風(fēng)洞性能和數(shù)量都面臨瓶頸

　　綜合技術(shù)差距、預(yù)算分配和工業(yè)基礎(chǔ)等因素來看，美國短期內(nèi)（2025~2030年）研發(fā)出六代機(jī)和高超音速導(dǎo)彈的可能性極低

　　文 | 閆文虎 張楷力 殷學(xué)斌 王盛

　　風(fēng)洞技術(shù)是現(xiàn)代飛行器研發(fā)的基石。飛行器在空中飛行時(shí)的真實(shí)氣動(dòng)特性，必須先在風(fēng)洞試驗(yàn)中積累數(shù)據(jù)，俗稱“吹”出來。沒有與目標(biāo)飛行環(huán)境相匹配的風(fēng)洞，就無法獲得可信的氣動(dòng)力、熱和化學(xué)載荷數(shù)據(jù)，飛行器的設(shè)計(jì)、校核、定型都將失去依據(jù)。風(fēng)洞對于第六代戰(zhàn)斗機(jī)和高超音速武器這類尖端裝備的研發(fā)至關(guān)重要。在六代機(jī)研發(fā)中，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軆?yōu)化無垂尾飛控、翼身融合氣動(dòng)布局、無附面層隔道超音速進(jìn)氣道、智能蒙皮等技術(shù)，驗(yàn)證飛行器的隱身、超機(jī)動(dòng)和超音速巡航等能力。對于速度超過5馬赫的高超音速武器，風(fēng)洞能模擬極端高溫高焓環(huán)境，測試材料和熱防護(hù)系統(tǒng)熱響應(yīng)及飛行控制系統(tǒng)機(jī)動(dòng)能力。

　　風(fēng)洞是全產(chǎn)業(yè)鏈尖端技術(shù)和工程科學(xué)的集大成者。風(fēng)洞本身集大功率電機(jī)、高壓儲(chǔ)氣、特種閥門、精密天平、高速測控、非接觸光學(xué)測量等尖端技術(shù)于一體，可帶動(dòng)機(jī)械、材料、電子、軟件、儀器等多個(gè)工業(yè)部門技術(shù)升級，風(fēng)洞研發(fā)還可以培養(yǎng)大批空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱防護(hù)、試驗(yàn)工程等領(lǐng)域復(fù)合型人才，是典型的“硬制造”與“軟科學(xué)”交叉融合的大科學(xué)平臺(tái)。擁有世界一流風(fēng)洞群的國家，也是相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定的主導(dǎo)者。

　　美國曾擁有全世界最完備、最先進(jìn)的風(fēng)洞試驗(yàn)體系，助力其在冷戰(zhàn)期間研發(fā)出一系列造型前衛(wèi)且性能優(yōu)異的飛行器。然而，過去三十年的經(jīng)濟(jì)空心化和產(chǎn)業(yè)路線“重軟件、輕硬件”導(dǎo)向，已致美國的風(fēng)洞體系日益落后。未來美國若無法突破高速長時(shí)風(fēng)洞技術(shù)，其六代機(jī)、空天飛機(jī)和高超武器的研發(fā)進(jìn)度將持續(xù)落后。

　　“家底”與困境

　　當(dāng)前，美國高超音速風(fēng)洞體系由一批歷史悠久的“國家隊(duì)”核心設(shè)施以及一批由大學(xué)主導(dǎo)的新興力量共同構(gòu)成。總體來看，美國風(fēng)洞建設(shè)和技術(shù)水平具有以下特點(diǎn)：

　　一是存量規(guī)模居全球第一。

　　美國現(xiàn)在正在運(yùn)行的各型風(fēng)洞有50余座，低速、跨音速、超音速各速域布局完整。美國國家航空航天局、阿諾德工程發(fā)展中心等擁有4米×4米以上大型生產(chǎn)型風(fēng)洞，支撐了F-22、F-35、B-21等型號(hào)飛機(jī)的研發(fā)生產(chǎn)。目前能穩(wěn)定運(yùn)行且對外開放的最先進(jìn)設(shè)備是LENS-II風(fēng)洞，能模擬7馬赫的飛行速度，試驗(yàn)時(shí)間最長為30毫秒。2020年后，美國通過國防授權(quán)法案陸續(xù)為阿諾德工程發(fā)展中心的“高速設(shè)施復(fù)蘇計(jì)劃”撥款，計(jì)劃在2030年前新建18～20馬赫級高焓風(fēng)洞，但建設(shè)周期至少需要8～10年。

　　美國的戰(zhàn)略級風(fēng)洞主要集中在由美國空軍管理的阿諾德工程發(fā)展中心和美國國家航空航天局下屬的各大研究中心。其中阿諾德工程發(fā)展中心的Tunnel 9風(fēng)洞是高超音速地面測試體系中的“王牌”，能夠模擬的馬赫數(shù)范圍極廣，覆蓋了高超音速飛行的關(guān)鍵區(qū)間，最高可達(dá)18馬赫，并能夠?qū)θ叽缁虼蟊壤脑偃腼w行器和先進(jìn)攔截器模型進(jìn)行高保真的氣動(dòng)測試；美國國家航空航天局蘭利研究中心也擁有從低速到高超音速的系列風(fēng)洞，其中的20英寸6馬赫風(fēng)洞是一個(gè)關(guān)鍵的高超音速試驗(yàn)平臺(tái)，另一高超音速風(fēng)洞設(shè)施HTF能夠模擬5～7馬赫的真實(shí)焓值條件，有助于測試超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等吸氣式高超音速推進(jìn)系統(tǒng)的性能。

　　上述設(shè)施共同構(gòu)成了美國高超音速裝備研發(fā)的基礎(chǔ)。其中的部分設(shè)施建設(shè)年代較早，但經(jīng)過持續(xù)的維護(hù)和升級，其核心性能指標(biāo)如今依然處于世界前列。

　　此外，近年來美國高校也加入了新型風(fēng)洞研發(fā)隊(duì)伍，其代表是美國普渡大學(xué)研發(fā)的“靜音”風(fēng)洞和弗吉尼亞理工學(xué)院研發(fā)的“吹風(fēng)式”風(fēng)洞。這些大學(xué)風(fēng)洞規(guī)模相對較小，但運(yùn)用了較多前沿技術(shù)。

　　二是與風(fēng)洞強(qiáng)國的差距逐漸拉大。

　　美國認(rèn)為，在高超音速風(fēng)洞建設(shè)上，美國已落后世界風(fēng)洞強(qiáng)國至少20年。中國風(fēng)洞以30馬赫的極速和2.5米的流場直徑領(lǐng)先全球，而代表美國最高水平的Tunnel 9風(fēng)洞最高僅能達(dá)到18馬赫，噴管口徑僅1.5米，且電力供應(yīng)受電網(wǎng)限制，運(yùn)行成本高昂。2024年11月，圣母大學(xué)交付美國海軍首座10馬赫高超音速氣動(dòng)和材料試驗(yàn)風(fēng)洞，被媒體稱為“里程碑”，但其指標(biāo)僅相當(dāng)于中國十年前的水平。在材料測試方面，一些國家的風(fēng)洞能模擬的極端環(huán)境遠(yuǎn)高于美國的Tunnel 9，這使得一些國家能研發(fā)超高溫?zé)岱雷o(hù)材料，而美國則不具備相應(yīng)能力。

　　西方媒體稱，風(fēng)洞強(qiáng)國已建成覆蓋亞音速到高超音速的全譜系風(fēng)洞，形成了5～35馬赫的連續(xù)測試走廊。相比之下，美國風(fēng)洞數(shù)量雖多，但與高超音速飛行相關(guān)的高性能風(fēng)洞性能和數(shù)量都存在瓶頸。

　　三是設(shè)計(jì)理念落后，試驗(yàn)效率較低。

　　風(fēng)洞強(qiáng)國新建的風(fēng)洞群注重綜合性與體系化，能夠在一個(gè)區(qū)域內(nèi)完成從氣動(dòng)力、氣動(dòng)熱到推進(jìn)系統(tǒng)甚至材料測試的“一站式”服務(wù)，極大地提高了研發(fā)效率。而美國風(fēng)洞由于設(shè)計(jì)較早，功能較為單一，重復(fù)建設(shè)較多。技術(shù)層面，風(fēng)洞強(qiáng)國首創(chuàng)的“爆轟驅(qū)動(dòng)”技術(shù)一次性解決了試驗(yàn)時(shí)間和復(fù)現(xiàn)條件兩大國際難題，美國則尚未看到相關(guān)技術(shù)突破。這些差距直接影響了近年來美國的高端裝備研發(fā)進(jìn)度。

　　短期難以突破

　　六代機(jī)的設(shè)計(jì)理念強(qiáng)調(diào)全頻譜隱身、超音速巡航、高機(jī)動(dòng)性以及在極端條件下的作戰(zhàn)能力，其在不同飛行狀態(tài)下的氣動(dòng)特性、熱效應(yīng)、舵面控制、隱身效果等都需要高性能風(fēng)洞的持續(xù)試驗(yàn)。高超音速武器更是需要同時(shí)滿足高馬赫數(shù)、高雷諾數(shù)和高焓值的測試條件，其中馬赫數(shù)決定了激波形態(tài)和可壓縮性效應(yīng)，雷諾數(shù)決定了邊界層流動(dòng)的狀態(tài)，直接影響飛行器的摩擦阻力和熱流，焓值代表了氣流的總能量，決定了高溫真實(shí)氣體效應(yīng)的程度，對于預(yù)測氣動(dòng)加熱和材料響應(yīng)至關(guān)重要，其設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于同時(shí)模擬高空高速的氣流與飛行器的表面力、熱和化學(xué)效應(yīng)。

　　面對六代機(jī)和高超音速武器的測試需求，美國現(xiàn)有風(fēng)洞體系在同時(shí)滿足高馬赫數(shù)、高雷諾數(shù)、高焓值、長測試時(shí)間、低噪音等多個(gè)維度上存在能力短板。

　　美國現(xiàn)有風(fēng)洞，特別是以Tunnel 9為代表的設(shè)施，測試時(shí)長有限、無法完全模擬真實(shí)氣體效應(yīng)和推進(jìn)/氣動(dòng)耦合等問題，是制約研發(fā)的瓶頸。2024年7月，美國空軍宣布暫停“下一代空中優(yōu)勢”（NGAD）戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目并進(jìn)行軍備重新審查，一個(gè)重要的原因就是該項(xiàng)目因風(fēng)洞試驗(yàn)欠缺嚴(yán)重拖慢了進(jìn)度。

　　風(fēng)洞技術(shù)的競爭，本質(zhì)上是大國之間在基礎(chǔ)物理研究、高端制造能力和戰(zhàn)略資源控制上的全方位較量。綜合技術(shù)差距、預(yù)算分配和工業(yè)基礎(chǔ)等因素來看，美國短期內(nèi)（2025~2030年）研發(fā)出六代機(jī)和高超音速導(dǎo)彈的可能性極低。

　　系統(tǒng)性危機(jī)

　　美國風(fēng)洞技術(shù)喪失優(yōu)勢不是單純的科研問題，而是其整體戰(zhàn)略科技能力衰退的縮影。風(fēng)洞代表了一個(gè)國家在航空航天領(lǐng)域的戰(zhàn)略發(fā)展實(shí)力，美國在高超音速領(lǐng)域遲遲沒有突破，表面原因是風(fēng)洞技術(shù)相對落后，深層原因則是國家工業(yè)基礎(chǔ)和基建能力無法支撐高性能風(fēng)洞的建造與運(yùn)行。

　　一是經(jīng)濟(jì)空心化導(dǎo)致制造業(yè)衰落。

　　風(fēng)洞建設(shè)需要特種材料、大型真空部件以及兆瓦級變頻器等關(guān)鍵工業(yè)產(chǎn)品。由于美國本土高端制造能力持續(xù)萎縮，如今美國本土已難以支撐精密零部件制造和特種設(shè)備生產(chǎn)。美國特種鋼和鈦合金葉片進(jìn)口比例超過60%。阿諾德工程發(fā)展中心曾因買不到匹配的壓縮機(jī)葉片將一座30年前建造的風(fēng)洞改造為“數(shù)字孿生”試驗(yàn)平臺(tái)。

　　二是迷信仿真，輕視試驗(yàn)，技術(shù)路線走偏。

　　美國曾認(rèn)為，隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，地面試驗(yàn)只需對特定參數(shù)進(jìn)行模擬，然后通過計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算?；谶@一判斷，自上世紀(jì)90年代起美軍方和工業(yè)界就逐漸暫停了實(shí)體風(fēng)洞建設(shè)，轉(zhuǎn)而投入“數(shù)字風(fēng)洞”，認(rèn)為超級計(jì)算機(jī)可替代實(shí)物試驗(yàn)。然而，真實(shí)氣體效應(yīng)、邊界層轉(zhuǎn)捩、熱化學(xué)非平衡以及湍流-激波相互作用等因素使6馬赫以上的氣動(dòng)現(xiàn)象難以通過仿真手段準(zhǔn)確模擬。

　　2022年，美國空軍實(shí)驗(yàn)室曾利用超級計(jì)算機(jī)模擬X-60A飛行器表面的溫度，結(jié)果與風(fēng)洞實(shí)測值存在高達(dá)120攝氏度的差距。算力更弱的普通仿真平臺(tái)與真實(shí)情況的差距只會(huì)更大。美國研發(fā)路線走偏已導(dǎo)致多個(gè)高超音速武器項(xiàng)目接連試射失敗，也使美軍六代機(jī)研發(fā)陷入停滯。2025年7月，美國國會(huì)科學(xué)與國防技術(shù)委員會(huì)發(fā)布的報(bào)告承認(rèn)：“風(fēng)洞數(shù)據(jù)的缺口直接影響高超音速武器的設(shè)計(jì)迭代速度。沒有30馬赫級別風(fēng)洞，未來任務(wù)的可行性都要打問號(hào)?！?/p>

　　三是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重影響風(fēng)洞運(yùn)行。

　　穩(wěn)定有效的電力供應(yīng)是風(fēng)洞運(yùn)行的基礎(chǔ)條件。美國電網(wǎng)主要以天然氣為基荷，調(diào)度復(fù)雜且電價(jià)較高。Tunnel 9風(fēng)洞一次30秒的試驗(yàn)，峰值電負(fù)荷僅為280兆瓦，卻需要提前24小時(shí)向電網(wǎng)預(yù)報(bào)并事先切斷周邊煉鋁廠和數(shù)據(jù)中心的供電，這種與其他產(chǎn)業(yè)“爭電”的情況，嚴(yán)重制約了風(fēng)洞試驗(yàn)頻率。

　　四是投入不足，效費(fèi)比偏低。

　　風(fēng)洞屬于“重資產(chǎn)、低周轉(zhuǎn)”平臺(tái)，美國國家層面投入不足，以盈利為導(dǎo)向的私營企業(yè)也不愿承建此類長周期、高風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目，更傾向于承接“短平快”的型號(hào)合同，這導(dǎo)致美國的風(fēng)洞建設(shè)投入不足，技術(shù)難以迭代，數(shù)據(jù)積累嚴(yán)重不足。為彌補(bǔ)數(shù)據(jù)缺口，美國頻繁進(jìn)行昂貴的實(shí)彈試射，單次高超試驗(yàn)含遙測、測控、靶場等費(fèi)用約為1億～2億美元，且失敗率高。

　　1990年代中期，美國曾提出建設(shè)新的國家級風(fēng)洞的宏偉計(jì)劃，但最終因缺乏資金而未能實(shí)施。近年來，美國在高超音速測試基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域呈現(xiàn)出明顯的“追趕”和“補(bǔ)課”態(tài)勢。國防部在高超音速研發(fā)上的預(yù)算從2020財(cái)年的26億美元增長到2025財(cái)年的69億美元。在2023~2027財(cái)年的五年國防計(jì)劃中，高超音速導(dǎo)彈開發(fā)費(fèi)用的申請總額達(dá)到了130億美元。然而，風(fēng)洞能力的欠缺并不是短期的資金彌補(bǔ)能夠解決的。

　　五是人才斷層，“產(chǎn)學(xué)研”模式落后。

　　風(fēng)洞的設(shè)計(jì)、建造和操作極其復(fù)雜，特別是高超音速風(fēng)洞更需要高度專業(yè)化的知識(shí)和長期的經(jīng)驗(yàn)積累。如今美國老一代經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師已陸續(xù)退休，新一代工程師則缺乏大型項(xiàng)目實(shí)踐機(jī)會(huì)，相關(guān)知識(shí)傳承出現(xiàn)問題。美國正通過高校新建項(xiàng)目來解決問題，但重建一支強(qiáng)大的國家級風(fēng)洞工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)并非一日之功。美國風(fēng)洞領(lǐng)域“產(chǎn)學(xué)研”模式落后，也致使科研機(jī)構(gòu)與軍工企業(yè)很難緊密合作形成創(chuàng)新閉環(huán)。

　　六是預(yù)算分配成為制約因素。

　　美國國會(huì)每年撥付給阿諾德工程發(fā)展中心的運(yùn)維經(jīng)費(fèi)不足3億美元，需維護(hù)40多座不同規(guī)模的風(fēng)洞，平均每座風(fēng)洞僅能分到750萬美元，甚至不夠一次大修費(fèi)用的三分之一。2023年，美國國家航空航天局蘭利研究中心因“葉片壽命耗盡，排隊(duì)等預(yù)算”關(guān)閉了其20兆瓦電弧風(fēng)洞；美國海軍空戰(zhàn)中心甚至將模型送往俄羅斯莫斯科進(jìn)行6馬赫試驗(yàn)，理由是“租用場地比維修風(fēng)洞更劃算”。為緩解困境，美國曾嘗試向盟友“借洞”，如2021年與澳大利亞合作使用后者的T4激波風(fēng)洞，2022年與歐洲合作在德國航空航天中心進(jìn)行高焓試驗(yàn)，但這些盟友的風(fēng)洞設(shè)施并不先進(jìn)，且同樣面臨電力供應(yīng)瓶頸。

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