風洞試驗對於飛行器的研制至關重要，可以說風洞是各類飛行器的「搖籃」。高超音速飛行器的飛行速度超過5馬赫，突防能力強，被稱為「大國利器」。要設計高超音速飛行器，需要氣動力、氣動熱等關鍵數據作為支撐，風洞試驗就是這些數據的主要來源。
美國太空總署下屬格連研究中心的高超音速風洞。
2024年11月，美國聖母大學宣稱「研制出國際首座氣流速度超過10馬赫的靜音風洞，將用於支撐美國高超音速飛行器等先進武器裝備研究」，並舉行器材啟動儀式。據悉，該風洞的研制獲得了美國國防部和美國空軍的支持。
大國競相研發
風洞是依據相對運動原理和一定的相似準則，在地面以人工方式制造高速氣流，使其流過飛行器模型，據此開展實驗測試的管道狀器材。風洞種類繁多，按照不同氣流流向、氣流速度、實驗時間、功能用途和形狀尺寸等，可以分為不同類別。其中，根據試驗段氣流速度（馬赫數）範圍劃分風洞，馬赫數小於0.3的風洞為低速風洞；大於0.3小於0.8的為亞音速風洞；大於0.8小於1.2的為跨音速風洞；大於1.2小於5的為超音速風洞；大於5的為高超音速風洞。
高超音速風洞專門用於模擬高超音速飛行條件，對航天飛行器、中程彈道導彈、運載火箭等高超音速飛行器進行測試，確保後者在實際使用中具備較高的可靠性和優良效能。按照執行時長不同，高超音速風洞又分為脈沖式和暫沖式兩種，脈沖式風洞的穩定執行時長一般為毫秒量級，暫沖式風洞的執行時長在數秒至數十分鐘。另外，高超音速風洞執行時需要透過一定途徑使氣體溫度升高，確保氣流在試驗段不會發生冷凝。通常，高溫高壓氣體經過收縮擴張型噴管膨脹加速到高超音速。
從發現新現象、研究流動機理，到提供飛行器設計所需的氣動力、氣動熱等數據，高超音速風洞試驗至關重要，一些國家為此建立了多型高超音速風洞器材。
美國是當今世界上擁有高超音速風洞最多的國家之一，美國太空總署下屬機構、國防部下屬機構和一些商業機構都建有數量眾多的高超音速風洞。在過去60多年間，美國高超音速風洞在其高超音速計劃中發揮了重要作用。例如，美國太空穿梭機計劃先後進行了700多項地面模擬試驗，試驗總時長達7萬多小時；X-43A、X-51A等高超音速驗證機試飛也與大量地面試驗密不可分。俄羅斯也建有多型風洞器材，主要集中在俄羅斯中央流體動力研究院、中央機械研究院等單位。
幾處典型風洞
美國空軍阿諾工程發展中心9號風洞，主要用於臨近空間高超音速飛行器和跨大氣層飛行器的氣動力地面試驗。其氣流速度在6至14馬赫之間，噴管口徑1.5米，執行時長為0.5至15秒，2016年升級改造後氣流速度可達18馬赫。美國航空航天局下屬格連研究中心的HTF高超音速風洞，能夠模擬5至7馬赫的高超音速氣流。
日本國家航天實驗中心（角田）HIEST風洞是一座激波風洞，具備噴管口徑大、試驗時間長等特點。該風洞的最高總壓達150兆帕，噴管口徑0.8米，穩定試驗時長在2毫秒以上，可模擬的氣流速度範圍為8至16馬赫。
俄羅斯中央機械研究院U-12風洞，可模擬的氣流速度為2至20馬赫，可按照常規激波管方式執行，在激波管中產生強激波，強激波將試驗氣體加熱到高溫狀態，也可按照下吹風洞方式執行，但試驗時間較短。
未來發展趨勢
隨著航空航天、軍事等領域對高超音速飛行器的效能要求不斷提高，高超音速風洞的技術指標也不斷提升。這包括提高風洞的實驗段馬赫數範圍、氣流溫度和壓力等參數，以模擬更為真實的高超音速飛行環境。同時，這也對風洞的流場品質、測量精度等提出更高要求，以滿足更精確的實驗需求。
從目前的技術發展看，靜音風洞是未來高超音速風洞的發展趨勢之一。靜音風洞能夠模擬出逼真的高超音速飛行環境，提高實驗數據的可信度。不過，靜音風洞的發展也面臨諸多挑戰，包括高昂的建設和執行費用、技術難題等。各航空航天大國都將靜音風洞列為重要發展方向之一，美國聖母大學風洞即為一型靜音風洞。
■岡敦殿
（來源：中國國防報）
