◆ 美國認為，在高超音速風洞建設上，美國已落後世界風洞強國至少20年◆ 風洞強國已建成覆蓋亞音速到高超音速的全譜系風洞，形成了5~35馬赫的連續測試走廊。相比之下，美國風洞數量雖多，但與高超音速飛行相關的高性能風洞性能和數量都面臨瓶頸◆ 綜合技術差距、預算分配和工業基礎等因素來看，美國短期內（2025~2030年）研發出六代機和高超音速導彈的可能性極低風洞技術是現代飛行器研發的基石。飛行器在空中飛行時的真實氣動特性，必須先在風洞試驗中積累資料，俗稱“吹”出來。沒有與目標飛行環境相匹配的風洞，就無法獲得可信的氣動力、熱和化學載荷資料，飛行器的設計、校核、定型都將失去依據。風洞對於第六代戰鬥機和高超音速武器這類尖端裝備的研發至關重要。在六代機研發中，風洞試驗能最佳化無垂尾飛控、翼身融合氣動佈局、無附面層隔道超音速進氣道、智能蒙皮等技術，驗證飛行器的隱身、超機動和超音速巡航等能力。對於速度超過5馬赫的高超音速武器，風洞能模擬極端高溫高焓環境，測試材料和熱防護系統熱響應及飛行控制系統機動能力。風洞是全產業鏈尖端技術和工程科學的集大成者。風洞本身集大功率電機、高壓儲氣、特種閥門、精密天平、高速測控、非接觸光學測量等尖端技術於一體，可帶動機械、材料、電子、軟體、儀器等多個工業部門技術升級，風洞研發還可以培養大批空氣動力學、結構設計、熱防護、試驗工程等領域複合型人才，是典型的“硬製造”與“軟科學”交叉融合的大科學平台。擁有世界一流風洞群的國家，也是相關標準制定的主導者。美國曾擁有全世界最完備、最先進的風洞試驗體系，助力其在冷戰期間研發出一系列造型前衛且性能優異的飛行器。然而，過去三十年的經濟空心化和產業路線“重軟體、輕硬體”導向，已致美國的風洞體系日益落後。未來美國若無法突破高速長時風洞技術，其六代機、空天飛機和高超武器的研發進度將持續落後。“家底”與困境當前，美國高超音速風洞體系由一批歷史悠久的“國家隊”核心設施以及一批由大學主導的新興力量共同構成。總體來看，美國風洞建設和技術水平具有以下特點：一是存量規模居全球第一。美國現在正在運行的各型風洞有50餘座，低速、跨音速、超音速各速域佈局完整。美國國家航空航天局、阿諾德工程發展中心等擁有4米×4米以上大型生產型風洞，支撐了F-22、F-35、B-21等型號飛機的研發生產。目前能穩定運行且對外開放的最先進裝置是LENS-II風洞，能模擬7馬赫的飛行速度，試驗時間最長為30毫秒。2020年後，美國通過國防授權法案陸續為阿諾德工程發展中心的“高速設施復甦計畫”撥款，計畫在2030年前新建18～20馬赫級高焓風洞，但建設周期至少需要8～10年。美國的戰略級風洞主要集中在由美國空軍管理的阿諾德工程發展中心和美國國家航空航天局下屬的各大研究中心。其中阿諾德工程發展中心的Tunnel 9風洞是高超音速地面測試體系中的“王牌”，能夠模擬的馬赫數範圍極廣，覆蓋了高超音速飛行的關鍵區間，最高可達18馬赫，並能夠對全尺寸或大比例的再入飛行器和先進攔截器模型進行高保真的氣動測試；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洞，其中的20英吋6馬赫風洞是一個關鍵的高超音速試驗平台，另一高超音速風洞設施HTF能夠模擬5～7馬赫的真實焓值條件，有助於測試超燃沖壓發動機等吸氣式高超音速推進系統的性能。上述設施共同構成了美國高超音速裝備研發的基礎。其中的部分設施建設年代較早，但經過持續的維護和升級，其核心性能指標如今依然處於世界前列。此外，近年來美國高校也加入了新型風洞研發隊伍，其代表是美國普渡大學研發的“靜音”風洞和弗吉尼亞理工學院研發的“吹風式”風洞。這些大學風洞規模相對較小，但運用了較多前沿技術。二是與風洞強國的差距逐漸拉大。美國認為，在高超音速風洞建設上，美國已落後世界風洞強國至少20年。中國風洞以30馬赫的極速和2.5米的流場直徑領先全球，而代表美國最高水平的Tunnel 9風洞最高僅能達到18馬赫，噴管口徑僅1.5米，且電力供應受電網限制，運行成本高昂。2024年11月，聖母大學交付美國海軍首座10馬赫高超音速氣動和材料試驗風洞，被媒體稱為“里程碑”，但其指標僅相當於中國十年前的水平。在材料測試方面，一些國家的風洞能模擬的極端環境遠高於美國的Tunnel 9，這使得一些國家能研發超高溫熱防護材料，而美國則不具備相應能力。西方媒體稱，風洞強國已建成覆蓋亞音速到高超音速的全譜系風洞，形成了5～35馬赫的連續測試走廊。相比之下，美國風洞數量雖多，但與高超音速飛行相關的高性能風洞性能和數量都存在瓶頸。三是設計理念落後，試驗效率較低。風洞強國新建的風洞群注重綜合性與體系化，能夠在一個區域內完成從氣動力、氣動熱到推進系統甚至材料測試的“一站式”服務，極大地提高了研發效率。而美國風洞由於設計較早，功能較為單一，重複建設較多。技術層面，風洞強國首創的“爆轟驅動”技術一次性解決了試驗時間和復現條件兩大國際難題，美國則尚未看到相關技術突破。這些差距直接影響了近年來美國的高端裝備研發進度。短期難以突破六代機的設計理念強調全頻譜隱身、超音速巡航、高機動性以及在極端條件下的作戰能力，其在不同飛行狀態下的氣動特性、熱效應、舵面控制、隱身效果等都需要高性能風洞的持續試驗。高超音速武器更是需要同時滿足高馬赫數、高雷諾數和高焓值的測試條件，其中馬赫數決定了激波形態和可壓縮性效應，雷諾數決定了邊界層流動的狀態，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，決定了高溫真實氣體效應的程度，對於預測氣動加熱和材料響應至關重要，其設計難點在於同時模擬高空高速的氣流與飛行器的表面力、熱和化學效應。面對六代機和高超音速武器的測試需求，美國現有風洞體系在同時滿足高馬赫數、高雷諾數、高焓值、長測試時間、低噪音等多個維度上存在能力短板。美國現有風洞，特別是以Tunnel 9為代表的設施，測試時長有限、無法完全模擬真實氣體效應和推進/氣動耦合等問題，是制約研發的瓶頸。2024年7月，美國空軍宣佈暫停“下一代空中優勢”（NGAD）戰鬥機項目並進行軍備重新審查，一個重要的原因就是該項目因風洞試驗欠缺嚴重拖慢了進度。風洞技術的競爭，本質上是大國之間在基礎物理研究、高端製造能力和戰略資源控制上的全方位較量。綜合技術差距、預算分配和工業基礎等因素來看，美國短期內（2025~2030年）研發出六代機和高超音速導彈的可能性極低。系統性危機美國風洞技術喪失優勢不是單純的科研問題，而是其整體戰略科技能力衰退的縮影。風洞代表了一個國家在航空航天領域的戰略發展實力，美國在高超音速領域遲遲沒有突破，表面原因是風洞技術相對落後，深層原因則是國家工業基礎和基建能力無法支撐高性能風洞的建造與運行。一是經濟空心化導致製造業衰落。風洞建設需要特種材料、大型真空部件以及兆瓦級變頻器等關鍵工業產品。由於美國本土高端製造能力持續萎縮，如今美國本土已難以支撐精密零部件製造和特種裝置生產。美國特種鋼和鈦合金葉片進口比例超過60%。阿諾德工程發展中心曾因買不到匹配的壓縮機葉片將一座30年前建造的風洞改造為“數字孿生”試驗平台。二是迷信模擬，輕視試驗，技術路線走偏。美國曾認為，隨著計算流體力學的發展，地面試驗只需對特定參數進行模擬，然後通過計算流體力學進行補充計算。基於這一判斷，自上世紀90年代起美軍方和工業界就逐漸暫停了實體風洞建設，轉而投入“數字風洞”，認為超級電腦可替代實物試驗。然而，真實氣體效應、邊界層轉捩、熱化學非平衡以及湍流-激波相互作用等因素使6馬赫以上的氣動現象難以通過模擬手段精準模擬。2022年，美國空軍實驗室曾利用超級電腦模擬X-60A飛行器表面的溫度，結果與風洞實測值存在高達120攝氏度的差距。算力更弱的普通模擬平台與真實情況的差距只會更大。美國研發路線走偏已導致多個高超音速武器項目接連試射失敗，也使美軍六代機研發陷入停滯。2025年7月，美國國會科學與國防技術委員會發佈的報告承認：“風洞資料的缺口直接影響高超音速武器的設計迭代速度。沒有30馬赫等級風洞，未來任務的可行性都要打問號。”三是電網基礎設施嚴重影響風洞運行。穩定有效的電力供應是風洞運行的基礎條件。美國電網主要以天然氣為基荷，調度複雜且電價較高。Tunnel 9風洞一次30秒的試驗，峰值電負荷僅為280兆瓦，卻需要提前24小時向電網預報並事先切斷周邊煉鋁廠和資料中心的供電，這種與其他產業“爭電”的情況，嚴重制約了風洞試驗頻率。四是投入不足，效費比偏低。風洞屬於“重資產、低周轉”平台，美國國家層面投入不足，以盈利為導向的私營企業也不願承建此類長周期、高風險項目，更傾向於承接“短平快”的型號合同，這導致美國的風洞建設投入不足，技術難以迭代，資料積累嚴重不足。為彌補資料缺口，美國頻繁進行昂貴的實彈試射，單次高超試驗含遙測、測控、靶場等費用約為1億～2億美元，且失敗率高。1990年代中期，美國曾提出建設新的國家級風洞的宏偉計畫，但最終因缺乏資金而未能實施。近年來，美國在高超音速測試基礎設施領域呈現出明顯的“追趕”和“補課”態勢。國防部在高超音速研發上的預算從2020財年的26億美元增長到2025財年的69億美元。在2023~2027財年的五年國防計畫中，高超音速導彈開發費用的申請總額達到了130億美元。然而，風洞能力的欠缺並不是短期的資金彌補能夠解決的。五是人才斷層，“產學研”模式落後。風洞的設計、建造和操作極其複雜，特別是高超音速風洞更需要高度專業化的知識和長期的經驗積累。如今美國老一代經驗豐富的工程師已陸續退休，新一代工程師則缺乏大型項目實踐機會，相關知識傳承出現問題。美國正通過高校新建項目來解決問題，但重建一支強大的國家級風洞工程技術團隊並非一日之功。美國風洞領域“產學研”模式落後，也致使科研機構與軍工企業很難緊密合作形成創新閉環。六是預算分配成為制約因素。美國國會每年撥付給阿諾德工程發展中心的維運經費不足3億美元，需維護40多座不同規模的風洞，平均每座風洞僅能分到750萬美元，甚至不夠一次大修費用的三分之一。2023年，美國國家航空航天局蘭利研究中心因“葉片壽命耗盡，排隊等預算”關閉了其20兆瓦電弧風洞；美國海軍空戰中心甚至將模型送往俄羅斯莫斯科進行6馬赫試驗，理由是“租用場地比維修風洞更划算”。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後者的T4激波風洞，2022年與歐洲合作在德國航空航天中心進行高焓試驗，但這些盟友的風洞設施並不先進，且同樣面臨電力供應瓶頸。 (瞭望)
