NASA风洞深度调研：一部跨越95年的“地面试飞”史

从1931年“风洞洞穴”到2026年首座40年来的新风洞：为什么在CFD计算流体力学高度发达的今天，NASA依然要花5700万美元造一座实体风洞

本文基于NASA官方公开资料整理，系统梳理NASA风洞体系的发展历史、技术分类、现役核心设施矩阵，以及在计算流体力学（CFD）高度发达的今天，实体风洞依然不可替代的工程逻辑。

一、为什么风洞依然重要

2026年7月31日，NASA在兰利研究中心为“飞行动力学研究设施”（Flight Dynamics Research Facility, FDRF）举行了剪彩仪式，这是NASA历史上首座“重大新建风洞”，距离上一次同等规模的新建，已经过去了超过40年。

这个“40年空窗期”本身就是一个耐人寻味的信号：在超级计算机与计算流体力学（CFD）技术突飞猛进的几十年里，为什么NASA依然认为，花费5700万美元新建一座实体风洞是必要的？答案要从风洞这项技术近百年的发展历史中寻找。

二、风洞简史：从“风洞洞穴”到国家试验体系

2.1 起点：1931年的“风洞洞穴”

1929年2月，美国国家航空咨询委员会（NACA，NASA的前身）批准在兰利研究中心建造“全尺寸风洞”（Full-Scale Tunnel）。这项工程由史密斯·德弗朗斯（Smith J. DeFrance）领衔设计，参与团队中还包括后来在NASA风洞发展史上举足轻重的亚伯拉罕·西尔弗斯坦（Abraham Silverstein）。

这座风洞于1931年5月27日正式启用，测试段尺寸达到30英尺高、60英尺宽，整座建筑长434英尺、宽222英尺，占地超过两英亩，是当时全世界最大的风洞。它最大的突破在于：此前的风洞大多只能测试缩比模型，而这座风洞第一次实现了对全尺寸真实飞机的直接测试，启用当天，一架美国海军沃特O3U-1“海盗II”双翼机被整机安装进测试段，在时速120英里的气流中完成了“原地试飞”。

由于其恢弘的规模，媒体与业内很快给它起了一个流传后世的绰号，“风洞洞穴”（Cave of the Winds）。二战期间，这座风洞几乎24小时不间断运转，美国几乎所有现役高性能作战飞机，包括P-51“野马”、P-47“雷电”等经典机型，都曾在此完成“减阻优化”测试。

此后近70年里，这座风洞持续见证了美国航空航天史上的多个关键节点：1959年，“水星”飞船座舱曾被放入测试段进行气动测试；此后它还参与了阿波罗登月计划相关测试、航天飞机气动构型验证，甚至潜艇模型的水动力学研究。1985年，这座风洞被列为美国国家历史地标，直至2011年最终拆除，结束了长达81年的服役历程。

2.2 扩张：从亚声速到跨声速、超声速、高超声速

与兰利“全尺寸风洞”几乎同期，NACA埃姆斯航空实验室（NASA埃姆斯研究中心前身）也在1940年设计、1944年建成投用了规模更大的40英尺×80英尺风洞，性能一举超越兰利的设施，成为二战后期全尺寸飞机测试的核心力量。

进入冷战与太空竞赛时代，火箭与高速飞行器的兴起，推动NASA风洞体系向跨声速、超声速乃至高超声速领域全面扩张，低温高压跨声速风洞、超声速统一规划风洞、马赫6高超声速风洞等一系列专业化设施相继建成，形成了覆盖全速域的试验能力矩阵。

三、风洞的技术分类：不止是“吹风”那么简单

现代风洞并非单一形态的设备，而是按照速域、用途、结构原理，演化出了高度专业化的多个技术分支：

按速域划分：低速/亚声速风洞（0-0.8马赫）、跨声速风洞（0.8-1.2马赫）、超声速风洞（1.2-5马赫）、高超声速风洞（5马赫以上）

低温高压跨声速风洞：通过将气体冷却至极低温、同时提高压力，在较小尺寸的测试段内模拟出与全尺寸飞行器相当的雷诺数条件，是跨声速高精度气动测试的关键技术路线

结冰风洞：专门模拟飞机在结冰气象条件下的飞行状态，用于研究机翼结冰机理与除冰/防冰系统性能

立式尾旋风洞：气流垂直向上吹送，专门用于研究飞行器失速、尾旋及尾旋改出特性，新建成的FDRF正属于此类

气动弹性风洞：专门用于研究飞行器结构在气动载荷下的颤振、抖振等动态响应问题

声学风洞：在保证气动性能测试的同时，专门控制测试环境噪声本底，用于研究飞行器/发动机噪声特性

四、现役核心设施矩阵

目前，NASA通过“航空科学评估与测试能力”（Aerosciences Evaluation and Test Capabilities, AETC）项目对旗下主力风洞群实施统一管理，覆盖埃姆斯、格伦、兰利三大研究中心的十余座主力风洞，能够提供从0.1马赫到10马赫以上、单位雷诺数最高达4500万每米的全谱系试验条件。以下为部分代表性设施概览：

所属中心

设施名称

速域/类型

核心用途

兰利研究中心（Langley）

国家跨声速风洞（NTF）

低温高压跨声速

高雷诺数跨声速气动力测试

兰利研究中心（Langley）

统一规划风洞（UPWT）

超声速

超声速气动特性与进气道研究

兰利研究中心（Langley）

14x22英尺亚声速风洞

低速/亚声速

起降构型、短距起降飞行器测试

兰利研究中心（Langley）

跨声速动力学风洞（TDT）

跨声速

气动弹性、颤振与阵风响应研究

兰利研究中心（Langley）

飞行动力学研究设施（FDRF，新建）

立式亚声速

自由飞、失速尾旋、进入-下降-着陆

埃姆斯研究中心（Ames）

11x11英尺跨声速风洞

跨声速

运载器与飞行器跨声速气动特性

埃姆斯研究中心（Ames）

9x7英尺超声速风洞

超声速

超声速运载器与推进系统测试

格伦研究中心（Glenn）

10x10英尺超声速风洞（阿贝·西尔弗斯坦风洞）

超声速

进气道、喷管、全尺寸发动机测试

格伦研究中心（Glenn）

结冰研究风洞（IRT）

低速/结冰环境

飞机结冰与除冰系统研究

格伦研究中心（Glenn）

9x15英尺低速风洞

低速

推进系统噪声与低速气动研究

除表中所列设施外，AETC体系还包括如4英尺超声速统一规划风洞、8x6英尺超声速风洞、螺旋桨模拟实验室、旋翼悬停测试设施等一系列细分领域的专业化设施，共同构成美国航空航天气动试验能力的核心底座。

五、旗舰设施深度剖析

5.1 国家跨声速风洞（NTF）：靠“冻”出高精度

跨声速区间（速度接近声速前后）是飞行器气动设计中最复杂、也最容易出现激波、气流分离等非线性现象的速域。要在有限尺寸的测试段内，准确复现全尺寸飞行器在真实飞行高度下的雷诺数条件，传统方式需要极高的气流压力，对结构强度要求极高。NTF采用的解决方案是向测试段内注入液氮，将气体温度降至零下百余摄氏度的低温状态，低温环境下气体粘性显著降低，使得在相对紧凑的测试段尺寸下，也能获得接近全尺寸飞行条件的高雷诺数数据，这也是当今世界少数几座具备这一能力的顶尖跨声速风洞之一。

5.2 跨声速动力学风洞（TDT）：给飞行器做“抖动体检”

TDT是全球气动弹性研究领域最重要的专用风洞之一，其独特之处在于既可以使用常规空气，也可以切换为使用密度更高的重气体作为试验介质，密度更高的介质可以在较低流速下模拟出与真实飞行状态相当的动压条件，从而更安全、更经济地开展颤振、抖振及阵风响应等动态气动弹性问题的研究，这类研究对确保新一代飞行器结构安全至关重要。

5.3 结冰研究风洞（IRT）：格伦研究中心的“人造暴风雪实验室”

飞机结冰是航空史上导致多起严重事故的关键致因之一。格伦研究中心的结冰研究风洞，能够在可控条件下模拟不同过冷水滴尺寸、含水量与温度组合的结冰气象环境，用于验证机翼防冰/除冰系统的有效性，是美国联邦航空管理局（FAA）适航审定流程中的关键试验支撑设施之一。

5.4 全新登场：飞行动力学研究设施（FDRF）

2026年7月31日正式启用的FDRF，是NASA兰利研究中心百年风洞史上的最新篇章，它同时整合并升级了此前服役数十年的“20英尺立式尾旋风洞”与“12英尺低速风洞”两座老旧设施的功能。

NASA最新风洞正式投用 ，兰利中心的飞行动力学研究设施将用于测试飞机设计，让飞行更快、更安全、更安静。7月31日剪彩仪式上，NASA局长艾萨克曼与政商界领袖共同为其揭幕。

图源：NASA

这座2.5万平方英尺的建筑，配备了一座直径20英尺、高24英尺的立式测试舱，风速范围覆盖0至117英里/小时，可对飞机、航天器等各类飞行器开展自由飞行与固定安装两种模式的测试，重点研究飞行稳定性、可控性、自由下落特性、失速尾旋及尾旋改出等动力学问题。它也将在NASA重返月球、探索火星的任务中，承担起入、下降与着陆（EDL）相关的关键测试任务。

六、风洞与航天史上的关键节点

1959年：“水星”飞船座舱在兰利30x60英尺全尺寸风洞完成气动测试，为美国首次载人航天任务铺路。

阿波罗时代：多座跨声速与超声速风洞参与了“土星五号”运载火箭及登月舱的气动构型验证。

航天飞机时代：全尺寸风洞及多座跨/超声速风洞参与了航天飞机独特的“翼身组合体”气动构型优化。

SLS/猎户座时代：国家跨声速风洞与统一规划风洞等设施持续为“航天发射系统”（SLS）火箭与“猎户座”飞船提供气动数据支持，此前的类似测试还曾促成为SLS火箭加装稳定翼条。

商业航天时代：NASA埃姆斯研究中心的跨声速与超声速风洞近年来也向商业伙伴开放，例如曾为SpaceX“超重型”助推器V3版开展再入大气层气动特性测试，服务于阿尔忒弥斯载人登月任务的“星舰”载人着陆系统研发。

七、挑战：老化的基础设施与CFD的冲击

尽管风洞体系历史悠久、技术积累深厚，但NASA风洞群近几十年也普遍面临基础设施老化的严峻挑战，FDRF所取代的两座老旧风洞，都已经服役超过半个世纪，而“40年未新建重大风洞”这一事实本身，也从侧面反映出行业长期面临的预算与投资压力。

与此同时，计算流体力学（CFD）技术在过去几十年里突飞猛进，能够在超级计算机上以远低于实体风洞试验的成本，模拟出极为精细的气动流场数据，这也一度引发业内关于“风洞是否会被计算机彻底取代”的讨论。

但迄今为止的工程实践表明，二者更多呈现出互补而非替代关系：CFD在方案迭代早期具备成本与速度优势，能够快速筛选大量设计方案；而在最终验证阶段，尤其涉及复杂分离流动、激波干扰、气动弹性耦合等高度非线性现象时，实体风洞试验数据依然是校准仿真模型、确保设计安全裕度不可或缺的“金标准”。这也正是NASA在CFD高度成熟的今天，依然选择投资新建FDRF这类实体风洞设施的核心逻辑。

八、未来趋势

设施整合与现代化：通过新建综合性设施（如FDRF）替代分散的老旧单体风洞，在提升测试能力的同时降低长期维护成本；

数字孪生与混合试验：风洞实测数据与CFD仿真模型深度耦合，形成“实测校准仿真、仿真指导实测”的混合验证范式；

商业化开放：越来越多风洞设施向商业航天企业开放，成为NASA与SpaceX等商业伙伴之间技术协作的重要纽带；

面向深空探索的能力升级：随着阿尔忒弥斯登月与未来载人火星任务的推进，风洞设施正被赋予越来越多围绕行星大气进入、下降与着陆（EDL）场景的专用测试需求。

九、总结

从1931年那座被称为“风洞洞穴”的庞然大物，到2026年整合数十年技术积累、正式启用的飞行动力学研究设施，NASA风洞体系走过了近一个世纪的发展历程。它既是美国航空航天工业持续保持全球领先地位的“隐形基础设施”，也是一部记录着从螺旋桨飞机到载人登月、从航天飞机到商业航天时代的立体历史档案。在计算能力空前强大的今天，实体风洞并未退出舞台，反而在与数字仿真技术的融合中，找到了新的存在价值——这或许正是工程技术发展史上，“新技术补充而非简单取代旧技术”这一规律最生动的注脚之一。