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，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。

优势与不足

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。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。

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。

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。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。

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。

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。

美国政府平均40年以上的代表性核心航空航天试验设备

AEDC主要试验设备发展历程（横条中的数字为论证建设时长）

经验与教训

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。

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。

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。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。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。

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。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。

本文节选自：孙宗祥,李文佳,唐志共等.美国空气动力地面试验能力及发展趋势分析[J].空气动力学学报,2023,41(01):1-21.