風洞是現(xiàn)代航空航天技術(shù)發(fā)展中無論如何都不能跨過去的一個坎。飛機在試飛之前必須要經(jīng)過密集的風洞測試，才能確定其氣動性能，測量出飛機模型表面的壓力、壓強和流場，這樣一來才能夠獲得飛機的各種數(shù)據(jù)，包括阻力、升力、加熱特性等等，使得后續(xù)飛機的研制工作事半功倍。風洞的作用如此重要，以至于有人說飛機是“吹出來的”。
風洞即風洞實驗室，是以人工的方式產(chǎn)生并且控制氣流，用來模擬飛行器或?qū)嶓w周圍氣體的流動情況，并可量度氣流對實體的作用效果以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀實驗設(shè)備，它是進行空氣動力實驗最常用、最有效的工具之一。
風洞試驗簡單來說，是根據(jù)運動的相對性原理，將飛機模型固定在地面，人為制造氣流流過，模擬真實飛行時飛機周圍的空氣流動情況，以研究飛機與空氣流動的相互作用，了解飛機的空氣動力學特性。
世界上公認的第一個風洞是英國人韋納姆于1869-1871年建成，并測量了物體與空氣相對運動時受到的阻力。它是一個兩端開口的木箱，截面45.7厘米×45.7厘米，長3.05米。1900年，美國的萊特兄弟建造了一個風洞，截面40.6厘米×40.6厘米，長1.8米，氣流速度40-56.3千米/小時。為他們成功地進行世界上第一次動力飛行奠定了基礎(chǔ)。1901年，萊特兄弟又建造了一個風速12米/秒的風洞，繼續(xù)為他們的飛機進行有關(guān)的實驗測試。
我國建造風洞的歷史可以追溯到1936年。當年建造的第一個風洞，在戰(zhàn)爭時被日軍炸毀了，隨后建造的風洞依然難逃厄運，為的就是遏制中國空氣動力研究，而空氣動力研究正是航空航天發(fā)展的基礎(chǔ)，風洞試驗的難度和重要性由此可見一斑。
好在中國風洞起步晚，步子卻不小。1968年錢學森、郭永懷倡議，在四川組建氣動中心。目前，中國空氣動力研究與發(fā)展中心已經(jīng)成為我國規(guī)模最大、綜合實力最強的風洞試驗基地，是中國國家級空氣動力試驗、研究和開發(fā)中心，也是亞洲最大風洞群。包括低速、高速、超高速以及激波、電弧等風洞，具備開展低速試驗、高速試驗、噪聲試驗、結(jié)冰試驗等一系列試驗的能力。其中，用于解決飛機飛行降噪問題的航空聲學風洞，背景噪聲只有75.6分貝，目前是國際最高水平。此外，還包括亞洲首座大型結(jié)冰風洞、首次在2.4米風洞建立了工程實用的虛擬飛行試驗平臺、首次發(fā)現(xiàn)了漩渦破裂區(qū)域存在多螺旋結(jié)構(gòu)等。
中國空氣動力研究與發(fā)展中心為我國武器裝備發(fā)展和國民經(jīng)濟建設(shè)作出了重大貢獻。從“殲-10”“梟龍”戰(zhàn)機和“神舟”系列飛船，到磁懸浮、“和諧號”高速列車；從高達300多米的東方明珠塔，到橫跨30多公里海面的杭州灣跨海大橋，都在這里進行過風洞試驗。2010年5月，發(fā)展中心啟動科研試驗新區(qū)建設(shè)。多種新型飛機在科研試驗新區(qū)首次實現(xiàn)了模型飛行試驗，上百萬組數(shù)據(jù)分類入庫，中心目前已全面具備了風洞試驗、數(shù)值計算和模型飛行三大手段。我國C919大型客機的許多風洞試驗都是在這里開展的。
風洞試驗并不像看起來那樣簡單，“仿真性”是解決一切試驗共同的難題。飛機在不同飛行階段，遭遇各種氣候條件，只要有試驗需求，就要能夠在風洞里面模擬出來相應的空氣流動情況。要控制空氣這個看不見摸不著的東西，難度著實不小。飛機飛行時，空氣可是沒有邊界的，那在風洞這個有邊界的地方，如何模擬沒有邊界的氣流？飛機飛在空中是騰空而起，在風洞中卻是支在一個架子上，氣流受支架影響，其周邊的氣流會不會發(fā)生改變？這些問題的解決都必須靠風洞試驗的數(shù)據(jù)來說話。
說到風洞試驗，離不開空氣動力學上兩個非常重要的概念：一是馬赫數(shù)（Ma）。馬赫數(shù)是風洞試驗必須模擬的相似參數(shù)，風洞通常按照來流馬赫數(shù)進行分類。馬赫數(shù)馬赫數(shù)=飛行速度/聲速，用于表征飛行器的飛行速度，反映飛行器飛行時周圍空氣的壓縮程度。按照馬赫數(shù)的大小，風洞分為低速風洞（Ma＜0.4）：主要用于開展飛機起飛、著陸等空氣動力試驗研究。高速風洞（0.4≤Ma＜5）：高速風洞又可細分為跨聲速風洞（0.4≤Ma＜1.4）和超聲速風洞（1.4≤Ma＜5），主要用于各種航空飛行器空氣動力試驗研究。超高速風洞（Ma≥5）：主要用于開展各種航天飛行器空氣動力試驗研究。二是雷諾數(shù)（Re）。雷諾數(shù)=慣性力/粘性力，用于表征飛機飛行時受到的粘性力，反映氣流對飛機表面的粘性阻滯作用。
飛機操縱面嗡鳴實驗，對馬赫數(shù)的大小很敏感。嗡鳴是飛機作跨聲速飛行時由于翼面上的激波、波后的邊界層分離和操縱面偏轉(zhuǎn)的相互作用而產(chǎn)生的單自由度不穩(wěn)定運動。發(fā)生嗡鳴會降低操縱效率甚至使操縱失效，嚴重時將導致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。通過嗡鳴實驗，可以確定飛機操縱面振動的性質(zhì)，提供排除振動的方法和確定剛度指標。
飛機結(jié)冰一直是飛行安全的大敵。實踐表明，飛機結(jié)冰是飛機安全飛行的致命弱點之一，在世界軍、民用飛機失事案例中占60%以上。以往，我們國家的飛機都要到國外去開展結(jié)冰風洞試驗，2013年，我國終于建成了自己的結(jié)冰風洞，成為世界上第三個可以開展民機全研制過程結(jié)冰風洞試驗的國家。通過結(jié)冰風洞試驗，設(shè)計師們可以獲得在不同氣象條件下飛機的結(jié)冰位置和結(jié)冰冰型等，從而確定結(jié)冰容限及必須防除冰的表面，為飛機防除冰提供安全設(shè)計的依據(jù)。
噪聲水平是民機的重要技術(shù)指標。氣動噪聲風洞試驗是飛機研制重要的地面試驗項目，是評估飛機的適航符合性、舒適性、環(huán)保性以及聲隱身等性能的重要依據(jù)。2019年5月20日，我國型號研制首次8米低速風洞（FL-10風洞）氣動噪聲試驗在航空工業(yè)氣動院順利完成，宣告我國正式形成8米量級低速風洞氣動噪聲試驗能力。風洞在建造之初便預留了消聲室空間，通過風扇低噪聲設(shè)計、動力段降噪、消聲拐角導流片等多種手段，確保風洞自身具有低背景噪聲特性。消聲室長49米、寬33米、高26米，是目前國內(nèi)規(guī)模最大的消聲室，也是國內(nèi)技術(shù)難度、實施難度最高的大型消聲室。
風洞試驗測取的數(shù)據(jù)并不能完全代表真實情況，需要進行一系列的數(shù)據(jù)修正，才能獲得壓力分布這些后續(xù)設(shè)計必需的分析數(shù)據(jù)。而這是真正考驗飛機設(shè)計師水平的地方。因此，現(xiàn)代飛機還必須開展高雷諾數(shù)風洞試驗、動力影響試驗、氣動彈性風洞試驗等一系列用于數(shù)據(jù)修正的風洞試驗，建立起一套從“風洞數(shù)據(jù)”到“真實數(shù)據(jù)”的修正模型，保證試驗數(shù)據(jù)的有效性。
靜氣動彈性風洞實驗是測量模型剛度對氣動特性影響的實驗。通常風洞實驗中的模型都是用強度和剛度較大的金屬制作的，而飛機的剛度比模型低得多。因此，需制造一種由金屬作骨架、用輕木或塑料作填料、能模擬飛機各部件彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的彈性模型，把它放在風洞中作模擬飛行條件的高動壓實驗，測量對模型剛度的影響，修正剛體模型實驗的數(shù)據(jù)。
可見，飛機的設(shè)計對風洞的依賴性很大。風洞試驗作為飛機氣動設(shè)計的重要手段，其最廣為人知的作用就是飛機的氣動布局設(shè)計。從第一架飛機約20個小時的風洞試驗，到現(xiàn)在一般飛機型號所需的上萬小時風洞試驗，風洞試驗技術(shù)一直伴隨著飛機研制技術(shù)的發(fā)展而不斷提高，重要性也愈加凸顯。因此，在學術(shù)界，風洞被稱為“航空航天飛行器的搖籃”，流傳著“有什么樣的風洞，才能有什么樣的飛機、飛船、火箭、導彈”的說法。同時，風洞也被世界各國視為重要的戰(zhàn)略資源。例如，50年代美國B-52型轟炸機的研制，曾進行了約1萬小時的風洞實驗，而80年代第一架航天飛機的研制則進行了約10萬小時的風洞實驗。
我國C919大型客機氣動布局設(shè)計實現(xiàn)了綜合減阻5%的目標，風洞試驗功不可沒。C919的氣動布局是“常規(guī)布局”，但要實現(xiàn)這個“常規(guī)布局”也不是簡單的事兒?！安钪晾?，謬以千里”這句古話用在飛機氣動布局設(shè)計上再合適不過。拿飛機氣動設(shè)計的核心——機翼設(shè)計來說，機翼剖面哪怕差個幾毫米，對于飛機整個氣動性能都有巨大影響，發(fā)動機吊在機翼的不同位置也頗多講究。飛機的氣動外形不存在“照葫蘆畫瓢”，每個型號都有獨特的氣動外形，飛機的主制造商對飛機的氣動外形擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。
面向未來，風洞還承擔著載人航天、火箭、航空發(fā)動機等眾多啟動數(shù)據(jù)的測量和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計任務，作為科技較量的制高點，我國空氣動力研究能力將穩(wěn)居第一梯隊。