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美國(guó)高超聲速技術(shù)試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)的歷史教訓(xùn)及當(dāng)前舉措

發(fā)布時(shí)間：2016-01-20  點(diǎn)擊次數(shù)：人次  分享：

         近年來(lái)，隨著美國(guó)高超聲速飛行器多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)成熟度水平達(dá)到5+~6的水平，接近向工程研制階段轉(zhuǎn)化的臨界點(diǎn)，美國(guó)進(jìn)一步加大了對(duì)現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)施現(xiàn)代化升級(jí)改進(jìn)的力度，并在2014年底依托阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）專(zhuān)門(mén)組建了“高速試驗(yàn)部門(mén)”，旨在進(jìn)一步提升推進(jìn)、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)與材料等領(lǐng)域的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/span>

 

         美國(guó)國(guó)防部在其2016年2月公布的2017財(cái)年國(guó)防預(yù)算申請(qǐng)中，首次在國(guó)防部核心試驗(yàn)與鑒定設(shè)施投資計(jì)劃（CTEIP）下為專(zhuān)門(mén)高超聲速飛行器試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)編列了1600萬(wàn)美元預(yù)算經(jīng)費(fèi)，旨在解決當(dāng)前高超聲速巡航導(dǎo)彈和助推滑翔武器研發(fā)和作戰(zhàn)試驗(yàn)中所需關(guān)鍵設(shè)施的能力缺陷。

 

         這一系列動(dòng)作只是近年來(lái)美國(guó)持續(xù)加大高超聲速試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)的一個(gè)縮影。事實(shí)上，美國(guó)高超聲速技術(shù)領(lǐng)域試驗(yàn)?zāi)芰χ尾蛔愕膯?wèn)題由來(lái)已久。

 

         早在世紀(jì)之交，美空軍AEDC有關(guān)專(zhuān)家就指出，美國(guó)在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)高超聲速技術(shù)發(fā)展的歷史中經(jīng)歷了多次起伏，導(dǎo)致其發(fā)展計(jì)劃不成功的諸多因素中，用于研究開(kāi)發(fā)試驗(yàn)與鑒定（RDT&E）的試驗(yàn)設(shè)施能力不足是重要原因之一。美國(guó)當(dāng)前高度重視高超聲速技術(shù)領(lǐng)域的試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)，與其對(duì)高超聲速技術(shù)發(fā)展過(guò)程中歷史教訓(xùn)的審視與反省密不可分。

 

美國(guó)高超聲速技術(shù)試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)的歷史教訓(xùn)

 

戰(zhàn)略上重視程度不夠，大型試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)缺乏國(guó)家頂層謀劃和經(jīng)費(fèi)支持

 

       美國(guó)大多數(shù)航空航天基礎(chǔ)設(shè)施是在二戰(zhàn)結(jié)束后不久興建的，但未包括開(kāi)發(fā)吸氣式高超聲速系統(tǒng)和其它高超聲速系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備。在20世紀(jì)60年代，美國(guó)曾擬定了相關(guān)規(guī)劃，開(kāi)始著手高超聲速試驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)工作，并將大型昂貴的試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)置于高的優(yōu)先級(jí)，相關(guān)設(shè)計(jì)活動(dòng)已開(kāi)展。但是到70年代初，國(guó)家對(duì)試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)的支持發(fā)生了轉(zhuǎn)變，資金不能到位，納入規(guī)劃的試驗(yàn)設(shè)施均未建成。

 

       80年代，伴隨著國(guó)家空天飛機(jī)（NASP）計(jì)劃的啟動(dòng)，美國(guó)又開(kāi)始關(guān)注高超聲速試驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)問(wèn)題，并在80年代末至90年代相繼開(kāi)展了多個(gè)專(zhuān)項(xiàng)研究，如《高超聲速試驗(yàn)投資規(guī)劃》、《國(guó)家試驗(yàn)設(shè)施研究》等（見(jiàn)表1）。

 

     《國(guó)家試驗(yàn)設(shè)施研究》報(bào)告曾針對(duì)高超聲速試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)闡述了為期20年的“兩步走”發(fā)展規(guī)劃，提出第一階段專(zhuān)注于建設(shè)快、風(fēng)險(xiǎn)低、投資少的設(shè)施建設(shè)，第二階段則專(zhuān)注于建設(shè)大型復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證設(shè)施。但這些規(guī)劃或計(jì)劃均未獲得決策層的支持，導(dǎo)致試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)不得不從高超聲速飛行器項(xiàng)目中找經(jīng)費(fèi)。

 

       由于美國(guó)高超聲速技術(shù)試驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)始終未能基于國(guó)家長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略考慮，沒(méi)有國(guó)家層面的專(zhuān)項(xiàng)支持和投入，因而其建設(shè)和發(fā)展緩慢，在很長(zhǎng)一段時(shí)間不能滿(mǎn)足高超聲速技術(shù)開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)研制的需要。

 

試驗(yàn)技術(shù)儲(chǔ)備不足，導(dǎo)致試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度跟不上實(shí)際的試驗(yàn)需求

 

       以美國(guó)20世紀(jì)80年代啟動(dòng)的NASP計(jì)劃為例，項(xiàng)目啟動(dòng)后才發(fā)現(xiàn)所需的很多試驗(yàn)技術(shù)（包括地面試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬仿真試驗(yàn)）尚未掌握，尤其是吸氣式推進(jìn)技術(shù)和冷卻機(jī)身結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)技術(shù)儲(chǔ)備嚴(yán)重不足。

 

       該計(jì)劃在研制X-30飛行器的液氫儲(chǔ)箱時(shí)，結(jié)構(gòu)試驗(yàn)設(shè)施無(wú)法滿(mǎn)足試驗(yàn)?zāi)康模瑴y(cè)試液氫儲(chǔ)箱所需的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)設(shè)備無(wú)法跟上項(xiàng)目研發(fā)進(jìn)度，被迫采用小尺寸試件替代全尺寸試驗(yàn)。在計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)方面，缺少對(duì)氫氣流動(dòng)力學(xué)和熱環(huán)境飛行剖面的模擬仿真能力。

 

       由于未能掌握諸多試驗(yàn)技術(shù)，設(shè)施建設(shè)不足，X-30只能依賴(lài)當(dāng)時(shí)已有試驗(yàn)設(shè)施（或小幅改造的設(shè)施）開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)，導(dǎo)致NASP計(jì)劃的風(fēng)險(xiǎn)降低試驗(yàn)不充分，為項(xiàng)目的高風(fēng)險(xiǎn)和最終失敗埋下了隱患。

 

圖1 NASP計(jì)劃結(jié)束時(shí)（1994年）美國(guó)高超聲速試驗(yàn)設(shè)施能力狀態(tài)

 

       近年來(lái)美國(guó)開(kāi)展的HTV-2兩次試飛均遭失敗，也與地面風(fēng)洞試驗(yàn)技術(shù)儲(chǔ)備不足有很大關(guān)系。根據(jù)試驗(yàn)故障專(zhuān)家組的調(diào)查結(jié)論，引起HTV-2第二次飛行試驗(yàn)提前終止的最可能原因是極高的速度導(dǎo)致飛行器氣動(dòng)外殼破損而造成的；HTV-2的飛行速度高達(dá)馬赫數(shù)20，而美國(guó)現(xiàn)有可滿(mǎn)足較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行條件的地面風(fēng)洞試驗(yàn)最大只能模擬馬赫數(shù)15的流動(dòng)，馬赫數(shù)20的極端條件只能依靠數(shù)值計(jì)算來(lái)模擬，從而導(dǎo)致飛行器結(jié)構(gòu)的地面試驗(yàn)驗(yàn)證不充分。

 

將試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)與飛行器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)相捆綁，并追求過(guò)高性能指標(biāo)

 

       上世紀(jì)70年代至21世紀(jì)初，美國(guó)高超聲速試驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)鮮有真正的進(jìn)展，其原因之一是將高超聲速飛行器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)捆綁的做法。

 

       美國(guó)AEDC和NASA在總結(jié)歷史經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后均指出，新型高超試驗(yàn)設(shè)施規(guī)模大、系統(tǒng)復(fù)雜，要想獲得所需的高超聲速飛行器試驗(yàn)?zāi)芰?，需?0~20年的建設(shè)周期；即使攻克了相關(guān)建造與試驗(yàn)技術(shù)，也需要7~12年的周期才能完成新型試驗(yàn)設(shè)施的設(shè)計(jì)與建造。而飛行器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期通常只有5~10年，而且由于飛行器系統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)施需求往往要到進(jìn)入系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期才能進(jìn)行明確定義，這就導(dǎo)致試驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)進(jìn)度永遠(yuǎn)趕不上實(shí)際的試驗(yàn)需求。

 

 

       因此，將飛行器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)相捆綁的做法明顯不符合科學(xué)發(fā)展和技術(shù)開(kāi)發(fā)活動(dòng)的客觀規(guī)律，而等待明確飛行器性能參數(shù)以后再興建所需試驗(yàn)設(shè)施的思想更是違背了客觀規(guī)律。

 

       試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)計(jì)劃難以落實(shí)的另一個(gè)原因是，工業(yè)界對(duì)試驗(yàn)設(shè)施追求過(guò)高的性能指標(biāo)，傾向于盡可能一次性建成各方面都符合實(shí)際試驗(yàn)需求的、全能的設(shè)施，這就導(dǎo)致某些技術(shù)的成熟度無(wú)法支撐試驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)，相關(guān)論證缺乏可行性，最終無(wú)法獲得決策層的支持。

 

       事實(shí)上，盡管很難確定未來(lái)要立項(xiàng)研制的特定高超聲速飛行器的詳細(xì)性能參數(shù)，但是對(duì)未來(lái)普遍意義上的高超聲速飛行器的主要特征參數(shù)進(jìn)行大致描述還是有可能的。20世紀(jì)40~50年代美國(guó)“統(tǒng)一風(fēng)洞規(guī)劃”（Unitary Wind Tunnel Plan）的實(shí)施就是本著這一思想，興建了跨聲速和超聲速地面試驗(yàn)設(shè)施，并在其后的30~40年很好地支撐了美國(guó)諸多重大飛行器研發(fā)計(jì)劃的實(shí)施，確保了美國(guó)在航空航天技術(shù)領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先地位。

 

 

缺乏對(duì)試驗(yàn)?zāi)芰ㄔO(shè)的資源統(tǒng)籌，試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)不成體系

 

       長(zhǎng)期以來(lái)，在高超聲速技術(shù)開(kāi)發(fā)中，美國(guó)NASA、國(guó)防部以及工業(yè)界一直未能形成思想統(tǒng)一、協(xié)調(diào)一致的國(guó)家團(tuán)隊(duì)。在競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的誘導(dǎo)下，工業(yè)界的承包商、NASA的研究中心以及國(guó)防部實(shí)驗(yàn)室，都認(rèn)為有必要獨(dú)立掌握從飛行器設(shè)計(jì)、建造到試飛的所有技術(shù)和能力，導(dǎo)致彼此之間因?yàn)橛邢薜馁Y源而產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)和爭(zhēng)奪，最終損害了各方利益以及國(guó)家的整體利益。

 

       在高超聲速試驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)過(guò)程中也是如此，建設(shè)經(jīng)費(fèi)呈現(xiàn)被多個(gè)部門(mén)利益分割的、碎片化的狀態(tài)，導(dǎo)致20世紀(jì)80年代地面試驗(yàn)設(shè)施分布零散，重大試驗(yàn)設(shè)施缺乏專(zhuān)項(xiàng)資金支持，試驗(yàn)設(shè)備建設(shè)不成體系。在這種機(jī)制和做法下，相關(guān)研發(fā)部門(mén)不得不在多個(gè)試驗(yàn)設(shè)施上開(kāi)展的多次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接，來(lái)獲取所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終導(dǎo)致效果不佳。

 

 

美當(dāng)前高超聲速技術(shù)試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)重要舉措

 

       進(jìn)入21世紀(jì)，以2001年國(guó)家航空航天計(jì)劃（NAI）為標(biāo)志，美國(guó)啟動(dòng)了新一輪高超聲速技術(shù)的研究熱潮，同時(shí)開(kāi)始將高超聲速試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)放在重要位置，并從頂層規(guī)劃、組織管理、技術(shù)儲(chǔ)備、能力統(tǒng)籌、經(jīng)費(fèi)保障等多方面采取措施，推動(dòng)高超聲速試驗(yàn)設(shè)施的建設(shè)。

 

提出了“三步并行”的總體思路，出臺(tái)“高超聲速設(shè)施與試驗(yàn)資源路線圖”進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃并給予經(jīng)費(fèi)保障

 

        進(jìn)行21世紀(jì)以來(lái)，隨著國(guó)家航空航天計(jì)劃（NAI）的啟動(dòng)，美國(guó)掀起了新一輪高超聲速技術(shù)的研究熱潮。

 

       美國(guó)基于對(duì)高速/高超聲速（HS/H）試驗(yàn)與鑒定基礎(chǔ)設(shè)施能力的評(píng)估，提出了按照“三步并行”的總體思路來(lái)建立高超聲速技術(shù)領(lǐng)域試驗(yàn)與鑒定（T&E）能力：一是充分利用現(xiàn)有設(shè)施能力（過(guò)去一些有限的投資建立起來(lái)的設(shè)施已具備一些基本的試驗(yàn)?zāi)芰Γ?；二是采用?dāng)前商用貨架（COTS）技術(shù)升級(jí)現(xiàn)有設(shè)施能力；三是投資開(kāi)發(fā)先進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)以滿(mǎn)足未來(lái)武器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)需求。

 

 

       該總體思路特別強(qiáng)調(diào)了第三步的緊迫性和重要性——鑒于高速/高超聲速系統(tǒng)的T&E能力所需很多技術(shù)尚不存在或尚未開(kāi)發(fā)，這是最為關(guān)鍵的一步，必須立即起步，以及早識(shí)別關(guān)鍵需求、建立能力發(fā)展路徑。在這一總體思路指導(dǎo)下，國(guó)防部出臺(tái)了“高超聲速設(shè)施與試驗(yàn)資源路線圖”。該路線圖被進(jìn)一步納入了2008年美國(guó)《國(guó)防部高超聲速技術(shù)路線圖》，圍繞高速/高超聲速技術(shù)發(fā)展需求對(duì)建模與仿真能力、地面試驗(yàn)?zāi)芰?、飛行試驗(yàn)?zāi)芰Φ陌l(fā)展進(jìn)行了較為系統(tǒng)地規(guī)劃。

 

       美國(guó)國(guó)防部試驗(yàn)資產(chǎn)管理中心（TRMC）每年負(fù)責(zé)評(píng)估國(guó)防部包括高超聲速技術(shù)領(lǐng)域在內(nèi)的關(guān)鍵領(lǐng)域的試驗(yàn)與鑒定（T&E）預(yù)算經(jīng)費(fèi)是否充足，為國(guó)防部試驗(yàn)與鑒定（T&E）資源戰(zhàn)略規(guī)劃的制定提供支撐。在此基礎(chǔ)上，TRMC通過(guò)每年度預(yù)算經(jīng)費(fèi)的撥付和執(zhí)行，以支撐關(guān)鍵的國(guó)防部高超聲速試驗(yàn)設(shè)施能力建設(shè)。

 

設(shè)置獨(dú)立的高超聲速試驗(yàn)科學(xué)技術(shù)專(zhuān)項(xiàng)，提前進(jìn)行試驗(yàn)技術(shù)攻關(guān)和儲(chǔ)備

 

       自2002年以來(lái)，美國(guó)國(guó)防部即在其“試驗(yàn)與鑒定/科學(xué)與技術(shù)”（T&E/S&T）計(jì)劃下設(shè)立了旨在提升高超聲速試驗(yàn)技術(shù)技術(shù)成熟度的預(yù)研專(zhuān)項(xiàng)（當(dāng)前專(zhuān)項(xiàng)名稱(chēng)為“高速系統(tǒng)試驗(yàn)”（HSST））。該專(zhuān)項(xiàng)是迄今美國(guó)國(guó)防部唯一的一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)高超聲速試驗(yàn)科學(xué)技術(shù)開(kāi)展的科研專(zhuān)項(xiàng)，近年來(lái)每年獲得經(jīng)費(fèi)大約2000萬(wàn)美元左右。專(zhuān)項(xiàng)由AEDC牽頭，依托政府科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)及高校40多家單位聯(lián)合開(kāi)展。

 

圖2 當(dāng)前參與國(guó)防部“高超聲速試驗(yàn)科學(xué)技術(shù)專(zhuān)項(xiàng)”的單位

 

       高超聲速試驗(yàn)科學(xué)技術(shù)專(zhuān)項(xiàng)持續(xù)滾動(dòng)近15年以來(lái)，已有大量的技術(shù)成果陸續(xù)轉(zhuǎn)化到相關(guān)的試驗(yàn)設(shè)施建設(shè)和能力升級(jí)改進(jìn)中。尤其值得關(guān)注的是，經(jīng)過(guò)十多年持續(xù)攻關(guān)，近兩年來(lái)，美國(guó)在高超聲速氣動(dòng)推進(jìn)清潔空氣試驗(yàn)臺(tái)（HAPCAT）、變馬赫數(shù)噴管等試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域均取得了突破性進(jìn)展，為解決高超聲速飛行器超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)?zāi)芰Πj(luò)不足、天地一致性等難題提供了有力支撐。

 

統(tǒng)籌試驗(yàn)?zāi)芰Y源建設(shè)，確立核心與重點(diǎn)設(shè)施，確保試驗(yàn)設(shè)施體系化發(fā)展

 

       根據(jù)TRMC于2012年發(fā)布的《試驗(yàn)與鑒定基礎(chǔ)設(shè)施全面評(píng)估》報(bào)告，美國(guó)國(guó)防部在當(dāng)前已有和在建的地面試驗(yàn)設(shè)施中，確定了16處核心試驗(yàn)設(shè)施（見(jiàn)表2）和3處重點(diǎn)試驗(yàn)設(shè)施。通過(guò)建立政策法規(guī)，每年提供足夠的升級(jí)改造和運(yùn)維經(jīng)費(fèi)，持續(xù)維持上述16處核心高超聲速地面設(shè)施處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

 

       這些設(shè)施主要分布在美國(guó)國(guó)防部、NASA、能源部和高校，涉及傳統(tǒng)燃燒加熱、電弧、激波、靜音、潔凈空氣等不同類(lèi)型的風(fēng)洞以及彈道靶和火箭撬等設(shè)施，能夠模擬高溫、高壓、高馬赫數(shù)、高焓、高雷諾數(shù)等參數(shù)。

 

       據(jù)TRMC的評(píng)估結(jié)論，“在得到充分維護(hù)、同時(shí)逐步彌補(bǔ)當(dāng)前識(shí)別的試驗(yàn)?zāi)芰Σ罹嗟那疤嵯?，上述至?6處核心試驗(yàn)設(shè)施將足以滿(mǎn)足近期和中期高超聲速技術(shù)演示驗(yàn)證飛行器的地面試驗(yàn)需求。”（文/胡冬冬 牛文 李文杰 葉蕾）

 

圖3 美國(guó)國(guó)防部當(dāng)前重點(diǎn)確保的高超聲速地面試驗(yàn)中心及設(shè)施

 

 

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