美国高超声速技术试验设施建设的历史教训及当前举措

发布时间：2016-01-20  点击次数：人次  分享：

         近年来，随着美国高超声速飞行器多项关键技术的技术成熟度水平达到5+~6的水平，接近向工程研制阶段转化的临界点，美国进一步加大了对现有试验设施现代化升级改进的力度，并在2014年底依托阿诺德工程发展中心（AEDC）专门组建了“高速试验部门”，旨在进一步提升推进、气动、结构与材料等领域的试验能力。

 

         美国国防部在其2016年2月公布的2017财年国防预算申请中，首次在国防部核心试验与鉴定设施投资计划（CTEIP）下为专门高超声速飞行器试验设施建设编列了1600万美元预算经费，旨在解决当前高超声速巡航导弹和助推滑翔武器研发和作战试验中所需关键设施的能力缺陷。

 

         这一系列动作只是近年来美国持续加大高超声速试验能力建设的一个缩影。事实上，美国高超声速技术领域试验能力支撑不足的问题由来已久。

 

         早在世纪之交，美空军AEDC有关专家就指出，美国在过去半个世纪高超声速技术发展的历史中经历了多次起伏，导致其发展计划不成功的诸多因素中，用于研究开发试验与鉴定（RDT&E）的试验设施能力不足是重要原因之一。美国当前高度重视高超声速技术领域的试验能力建设，与其对高超声速技术发展过程中历史教训的审视与反省密不可分。

 

美国高超声速技术试验设施建设的历史教训

 

战略上重视程度不够，大型试验设施建设缺乏国家顶层谋划和经费支持

 

       美国大多数航空航天基础设施是在二战结束后不久兴建的，但未包括开发吸气式高超声速系统和其它高超声速系统所需的基础设施和设备。在20世纪60年代，美国曾拟定了相关规划，开始着手高超声速试验设施的建设工作，并将大型昂贵的试验设施建设置于高的优先级，相关设计活动已开展。但是到70年代初，国家对试验设施建设的支持发生了转变，资金不能到位，纳入规划的试验设施均未建成。

 

       80年代，伴随着国家空天飞机（NASP）计划的启动，美国又开始关注高超声速试验设施的建设问题，并在80年代末至90年代相继开展了多个专项研究，如《高超声速试验投资规划》、《国家试验设施研究》等（见表1）。

 

     《国家试验设施研究》报告曾针对高超声速试验设施建设阐述了为期20年的“两步走”发展规划，提出第一阶段专注于建设快、风险低、投资少的设施建设，第二阶段则专注于建设大型复杂的系统级验证设施。但这些规划或计划均未获得决策层的支持，导致试验设施建设不得不从高超声速飞行器项目中找经费。

 

       由于美国高超声速技术试验设施的建设始终未能基于国家长远战略考虑，没有国家层面的专项支持和投入，因而其建设和发展缓慢，在很长一段时间不能满足高超声速技术开发和系统研制的需要。

 

试验技术储备不足，导致试验设施建设进度跟不上实际的试验需求

 

       以美国20世纪80年代启动的NASP计划为例，项目启动后才发现所需的很多试验技术（包括地面试验和计算机模拟仿真试验）尚未掌握，尤其是吸气式推进技术和冷却机身结构的试验技术储备严重不足。

 

       该计划在研制X-30飞行器的液氢储箱时，结构试验设施无法满足试验目的，测试液氢储箱所需的结构试验设备无法跟上项目研发进度，被迫采用小尺寸试件替代全尺寸试验。在计算机仿真试验方面，缺少对氢气流动力学和热环境飞行剖面的模拟仿真能力。

 

       由于未能掌握诸多试验技术，设施建设不足，X-30只能依赖当时已有试验设施（或小幅改造的设施）开展相关试验，导致NASP计划的风险降低试验不充分，为项目的高风险和最终失败埋下了隐患。

 

图1 NASP计划结束时（1994年）美国高超声速试验设施能力状态

 

       近年来美国开展的HTV-2两次试飞均遭失败，也与地面风洞试验技术储备不足有很大关系。根据试验故障专家组的调查结论，引起HTV-2第二次飞行试验提前终止的最可能原因是极高的速度导致飞行器气动外壳破损而造成的；HTV-2的飞行速度高达马赫数20，而美国现有可满足较长时间运行条件的地面风洞试验最大只能模拟马赫数15的流动，马赫数20的极端条件只能依靠数值计算来模拟，从而导致飞行器结构的地面试验验证不充分。

 

将试验设施建设与飞行器系统开发相捆绑，并追求过高性能指标

 

       上世纪70年代至21世纪初，美国高超声速试验设施的建设鲜有真正的进展，其原因之一是将高超声速飞行器系统开发与试验设施建设捆绑的做法。

 

       美国AEDC和NASA在总结历史经验教训后均指出，新型高超试验设施规模大、系统复杂，要想获得所需的高超声速飞行器试验能力，需要10~20年的建设周期；即使攻克了相关建造与试验技术，也需要7~12年的周期才能完成新型试验设施的设计与建造。而飞行器系统的开发周期通常只有5~10年，而且由于飞行器系统的试验设施需求往往要到进入系统开发周期才能进行明确定义，这就导致试验设施的建设进度永远赶不上实际的试验需求。

 

 

       因此，将飞行器系统开发与试验设施建设相捆绑的做法明显不符合科学发展和技术开发活动的客观规律，而等待明确飞行器性能参数以后再兴建所需试验设施的思想更是违背了客观规律。

 

       试验设施建设计划难以落实的另一个原因是，工业界对试验设施追求过高的性能指标，倾向于尽可能一次性建成各方面都符合实际试验需求的、全能的设施，这就导致某些技术的成熟度无法支撑试验设施的建设，相关论证缺乏可行性，最终无法获得决策层的支持。

 

       事实上，尽管很难确定未来要立项研制的特定高超声速飞行器的详细性能参数，但是对未来普遍意义上的高超声速飞行器的主要特征参数进行大致描述还是有可能的。20世纪40~50年代美国“统一风洞规划”（Unitary Wind Tunnel Plan）的实施就是本着这一思想，兴建了跨声速和超声速地面试验设施，并在其后的30~40年很好地支撑了美国诸多重大飞行器研发计划的实施，确保了美国在航空航天技术领域一直处于世界领先地位。

 

 

缺乏对试验能力建设的资源统筹，试验设施建设不成体系

 

       长期以来，在高超声速技术开发中，美国NASA、国防部以及工业界一直未能形成思想统一、协调一致的国家团队。在竞争机制的诱导下，工业界的承包商、NASA的研究中心以及国防部实验室，都认为有必要独立掌握从飞行器设计、建造到试飞的所有技术和能力，导致彼此之间因为有限的资源而产生竞争和争夺，最终损害了各方利益以及国家的整体利益。

 

       在高超声速试验设施的建设过程中也是如此，建设经费呈现被多个部门利益分割的、碎片化的状态，导致20世纪80年代地面试验设施分布零散，重大试验设施缺乏专项资金支持，试验设备建设不成体系。在这种机制和做法下，相关研发部门不得不在多个试验设施上开展的多次试验结果进行数据拼接，来获取所需的试验数据，最终导致效果不佳。

 

 

美当前高超声速技术试验设施建设重要举措

 

       进入21世纪，以2001年国家航空航天计划（NAI）为标志，美国启动了新一轮高超声速技术的研究热潮，同时开始将高超声速试验设施建设放在重要位置，并从顶层规划、组织管理、技术储备、能力统筹、经费保障等多方面采取措施，推动高超声速试验设施的建设。

 

提出了“三步并行”的总体思路，出台“高超声速设施与试验资源路线图”进行统一规划并给予经费保障

 

        进行21世纪以来，随着国家航空航天计划（NAI）的启动，美国掀起了新一轮高超声速技术的研究热潮。

 

       美国基于对高速/高超声速（HS/H）试验与鉴定基础设施能力的评估，提出了按照“三步并行”的总体思路来建立高超声速技术领域试验与鉴定（T&E）能力：一是充分利用现有设施能力（过去一些有限的投资建立起来的设施已具备一些基本的试验能力）；二是采用当前商用货架（COTS）技术升级现有设施能力；三是投资开发先进试验技术以满足未来武器系统开发需求。

 

 

       该总体思路特别强调了第三步的紧迫性和重要性——鉴于高速/高超声速系统的T&E能力所需很多技术尚不存在或尚未开发，这是最为关键的一步，必须立即起步，以及早识别关键需求、建立能力发展路径。在这一总体思路指导下，国防部出台了“高超声速设施与试验资源路线图”。该路线图被进一步纳入了2008年美国《国防部高超声速技术路线图》，围绕高速/高超声速技术发展需求对建模与仿真能力、地面试验能力、飞行试验能力的发展进行了较为系统地规划。

 

       美国国防部试验资产管理中心（TRMC）每年负责评估国防部包括高超声速技术领域在内的关键领域的试验与鉴定（T&E）预算经费是否充足，为国防部试验与鉴定（T&E）资源战略规划的制定提供支撑。在此基础上，TRMC通过每年度预算经费的拨付和执行，以支撑关键的国防部高超声速试验设施能力建设。

 

设置独立的高超声速试验科学技术专项，提前进行试验技术攻关和储备

 

       自2002年以来，美国国防部即在其“试验与鉴定/科学与技术”（T&E/S&T）计划下设立了旨在提升高超声速试验技术技术成熟度的预研专项（当前专项名称为“高速系统试验”（HSST））。该专项是迄今美国国防部唯一的一个专门针对高超声速试验科学技术开展的科研专项，近年来每年获得经费大约2000万美元左右。专项由AEDC牵头，依托政府科研机构、企业及高校40多家单位联合开展。

 

图2 当前参与国防部“高超声速试验科学技术专项”的单位

 

       高超声速试验科学技术专项持续滚动近15年以来，已有大量的技术成果陆续转化到相关的试验设施建设和能力升级改进中。尤其值得关注的是，经过十多年持续攻关，近两年来，美国在高超声速气动推进清洁空气试验台（HAPCAT）、变马赫数喷管等试验技术领域均取得了突破性进展，为解决高超声速飞行器超燃冲压发动机地面试验能力包络不足、天地一致性等难题提供了有力支撑。

 

统筹试验能力资源建设，确立核心与重点设施，确保试验设施体系化发展

 

       根据TRMC于2012年发布的《试验与鉴定基础设施全面评估》报告，美国国防部在当前已有和在建的地面试验设施中，确定了16处核心试验设施（见表2）和3处重点试验设施。通过建立政策法规，每年提供足够的升级改造和运维经费，持续维持上述16处核心高超声速地面设施处于正常运转状态。

 

       这些设施主要分布在美国国防部、NASA、能源部和高校，涉及传统燃烧加热、电弧、激波、静音、洁净空气等不同类型的风洞以及弹道靶和火箭撬等设施，能够模拟高温、高压、高马赫数、高焓、高雷诺数等参数。

 

       据TRMC的评估结论，“在得到充分维护、同时逐步弥补当前识别的试验能力差距的前提下，上述至少16处核心试验设施将足以满足近期和中期高超声速技术演示验证飞行器的地面试验需求。”（文/胡冬冬 牛文 李文杰 叶蕾）

 

图3 美国国防部当前重点确保的高超声速地面试验中心及设施

 

 

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