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

發(fā)布時間：2016-01-20  點擊次數(shù)：人次  分享：

         近年來，隨著美國高超聲速飛行器多項關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)成熟度水平達到5+~6的水平，接近向工程研制階段轉(zhuǎn)化的臨界點，美國進一步加大了對現(xiàn)有試驗設(shè)施現(xiàn)代化升級改進的力度，并在2014年底依托阿諾德工程發(fā)展中心（AEDC）專門組建了“高速試驗部門”，旨在進一步提升推進、氣動、結(jié)構(gòu)與材料等領(lǐng)域的試驗?zāi)芰Α?/span>

 

         美國國防部在其2016年2月公布的2017財年國防預(yù)算申請中，首次在國防部核心試驗與鑒定設(shè)施投資計劃（CTEIP）下為專門高超聲速飛行器試驗設(shè)施建設(shè)編列了1600萬美元預(yù)算經(jīng)費，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)試驗中所需關(guān)鍵設(shè)施的能力缺陷。

 

         這一系列動作只是近年來美國持續(xù)加大高超聲速試驗?zāi)芰ㄔO(shè)的一個縮影。事實上，美國高超聲速技術(shù)領(lǐng)域試驗?zāi)芰χ尾蛔愕膯栴}由來已久。

 

         早在世紀(jì)之交，美空軍AEDC有關(guān)專家就指出，美國在過去半個世紀(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)展計劃不成功的諸多因素中，用于研究開發(fā)試驗與鑒定（RDT&E）的試驗設(shè)施能力不足是重要原因之一。美國當(dāng)前高度重視高超聲速技術(shù)領(lǐng)域的試驗?zāi)芰ㄔO(shè)，與其對高超聲速技術(shù)發(fā)展過程中歷史教訓(xùn)的審視與反省密不可分。

 

美國高超聲速技術(shù)試驗設(shè)施建設(shè)的歷史教訓(xùn)

 

戰(zhàn)略上重視程度不夠，大型試驗設(shè)施建設(shè)缺乏國家頂層謀劃和經(jīng)費支持

 

       美國大多數(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，美國曾擬定了相關(guān)規(guī)劃，開始著手高超聲速試驗設(shè)施的建設(shè)工作，并將大型昂貴的試驗設(shè)施建設(shè)置于高的優(yōu)先級，相關(guān)設(shè)計活動已開展。但是到70年代初，國家對試驗設(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)劃的試驗設(shè)施均未建成。

 

       80年代，伴隨著國家空天飛機（NASP）計劃的啟動，美國又開始關(guān)注高超聲速試驗設(shè)施的建設(shè)問題，并在80年代末至90年代相繼開展了多個專項研究，如《高超聲速試驗投資規(guī)劃》、《國家試驗設(shè)施研究》等（見表1）。

 

     《國家試驗設(shè)施研究》報告曾針對高超聲速試驗設(shè)施建設(shè)闡述了為期20年的“兩步走”發(fā)展規(guī)劃，提出第一階段專注于建設(shè)快、風(fēng)險低、投資少的設(shè)施建設(shè)，第二階段則專注于建設(shè)大型復(fù)雜的系統(tǒng)級驗證設(shè)施。但這些規(guī)劃或計劃均未獲得決策層的支持，導(dǎo)致試驗設(shè)施建設(shè)不得不從高超聲速飛行器項目中找經(jīng)費。

 

       由于美國高超聲速技術(shù)試驗設(shè)施的建設(shè)始終未能基于國家長遠戰(zhàn)略考慮，沒有國家層面的專項支持和投入，因而其建設(shè)和發(fā)展緩慢，在很長一段時間不能滿足高超聲速技術(shù)開發(fā)和系統(tǒng)研制的需要。

 

試驗技術(shù)儲備不足，導(dǎo)致試驗設(shè)施建設(shè)進度跟不上實際的試驗需求

 

       以美國20世紀(jì)80年代啟動的NASP計劃為例，項目啟動后才發(fā)現(xiàn)所需的很多試驗技術(shù)（包括地面試驗和計算機模擬仿真試驗）尚未掌握，尤其是吸氣式推進技術(shù)和冷卻機身結(jié)構(gòu)的試驗技術(shù)儲備嚴重不足。

 

       該計劃在研制X-30飛行器的液氫儲箱時，結(jié)構(gòu)試驗設(shè)施無法滿足試驗?zāi)康?，測試液氫儲箱所需的結(jié)構(gòu)試驗設(shè)備無法跟上項目研發(fā)進度，被迫采用小尺寸試件替代全尺寸試驗。在計算機仿真試驗方面，缺少對氫氣流動力學(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技術(shù)，設(shè)施建設(shè)不足，X-30只能依賴當(dāng)時已有試驗設(shè)施（或小幅改造的設(shè)施）開展相關(guān)試驗，導(dǎo)致NASP計劃的風(fēng)險降低試驗不充分，為項目的高風(fēng)險和最終失敗埋下了隱患。

 

圖1 NASP計劃結(jié)束時（1994年）美國高超聲速試驗設(shè)施能力狀態(tài)

 

       近年來美國開展的HTV-2兩次試飛均遭失敗，也與地面風(fēng)洞試驗技術(shù)儲備不足有很大關(guān)系。根據(jù)試驗故障專家組的調(diào)查結(jié)論，引起HTV-2第二次飛行試驗提前終止的最可能原因是極高的速度導(dǎo)致飛行器氣動外殼破損而造成的；HTV-2的飛行速度高達馬赫數(shù)20，而美國現(xiàn)有可滿足較長時間運行條件的地面風(fēng)洞試驗最大只能模擬馬赫數(shù)15的流動，馬赫數(shù)20的極端條件只能依靠數(shù)值計算來模擬，從而導(dǎo)致飛行器結(jié)構(gòu)的地面試驗驗證不充分。

 

將試驗設(shè)施建設(shè)與飛行器系統(tǒng)開發(fā)相捆綁，并追求過高性能指標(biāo)

 

       上世紀(jì)70年代至21世紀(jì)初，美國高超聲速試驗設(shè)施的建設(shè)鮮有真正的進展，其原因之一是將高超聲速飛行器系統(tǒng)開發(fā)與試驗設(shè)施建設(shè)捆綁的做法。

 

       美國AEDC和NASA在總結(jié)歷史經(jīng)驗教訓(xùn)后均指出，新型高超試驗設(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?zāi)芰?，需?0~20年的建設(shè)周期；即使攻克了相關(guān)建造與試驗技術(shù)，也需要7~12年的周期才能完成新型試驗設(shè)施的設(shè)計與建造。而飛行器系統(tǒng)的開發(fā)周期通常只有5~10年，而且由于飛行器系統(tǒng)的試驗設(shè)施需求往往要到進入系統(tǒng)開發(fā)周期才能進行明確定義，這就導(dǎo)致試驗設(shè)施的建設(shè)進度永遠趕不上實際的試驗需求。

 

 

       因此，將飛行器系統(tǒng)開發(fā)與試驗設(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)開發(fā)活動的客觀規(guī)律，而等待明確飛行器性能參數(shù)以后再興建所需試驗設(shè)施的思想更是違背了客觀規(guī)律。

 

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

 

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

 

 

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

 

       長期以來，在高超聲速技術(shù)開發(fā)中，美國NASA、國防部以及工業(yè)界一直未能形成思想統(tǒng)一、協(xié)調(diào)一致的國家團隊。在競爭機制的誘導(dǎo)下，工業(yè)界的承包商、NASA的研究中心以及國防部實驗室，都認為有必要獨立掌握從飛行器設(shè)計、建造到試飛的所有技術(shù)和能力，導(dǎo)致彼此之間因為有限的資源而產(chǎn)生競爭和爭奪，最終損害了各方利益以及國家的整體利益。

 

       在高超聲速試驗設(shè)施的建設(shè)過程中也是如此，建設(shè)經(jīng)費呈現(xiàn)被多個部門利益分割的、碎片化的狀態(tài)，導(dǎo)致20世紀(jì)80年代地面試驗設(shè)施分布零散，重大試驗設(shè)施缺乏專項資金支持，試驗設(shè)備建設(shè)不成體系。在這種機制和做法下，相關(guān)研發(fā)部門不得不在多個試驗設(shè)施上開展的多次試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)拼接，來獲取所需的試驗數(shù)據(jù)，最終導(dǎo)致效果不佳。

 

 

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

 

       進入21世紀(jì)，以2001年國家航空航天計劃（NAI）為標(biāo)志，美國啟動了新一輪高超聲速技術(shù)的研究熱潮，同時開始將高超聲速試驗設(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)儲備、能力統(tǒng)籌、經(jīng)費保障等多方面采取措施，推動高超聲速試驗設(shè)施的建設(shè)。

 

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

 

        進行21世紀(jì)以來，隨著國家航空航天計劃（NAI）的啟動，美國掀起了新一輪高超聲速技術(shù)的研究熱潮。

 

       美國基于對高速/高超聲速（HS/H）試驗與鑒定基礎(chǔ)設(shè)施能力的評估，提出了按照“三步并行”的總體思路來建立高超聲速技術(shù)領(lǐng)域試驗與鑒定（T&E）能力：一是充分利用現(xiàn)有設(shè)施能力（過去一些有限的投資建立起來的設(shè)施已具備一些基本的試驗?zāi)芰Γ?；二是采用?dāng)前商用貨架（COTS）技術(shù)升級現(xiàn)有設(shè)施能力；三是投資開發(fā)先進試驗技術(shù)以滿足未來武器系統(tǒng)開發(fā)需求。

 

 

       該總體思路特別強調(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)尚不存在或尚未開發(fā)，這是最為關(guān)鍵的一步，必須立即起步，以及早識別關(guān)鍵需求、建立能力發(fā)展路徑。在這一總體思路指導(dǎo)下，國防部出臺了“高超聲速設(shè)施與試驗資源路線圖”。該路線圖被進一步納入了2008年美國《國防部高超聲速技術(shù)路線圖》，圍繞高速/高超聲速技術(shù)發(fā)展需求對建模與仿真能力、地面試驗?zāi)芰?、飛行試驗?zāi)芰Φ陌l(fā)展進行了較為系統(tǒng)地規(guī)劃。

 

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

 

設(shè)置獨立的高超聲速試驗科學(xué)技術(shù)專項，提前進行試驗技術(shù)攻關(guān)和儲備

 

       自2002年以來，美國國防部即在其“試驗與鑒定/科學(xué)與技術(shù)”（T&E/S&T）計劃下設(shè)立了旨在提升高超聲速試驗技術(shù)技術(shù)成熟度的預(yù)研專項（當(dāng)前專項名稱為“高速系統(tǒng)試驗”（HSST））。該專項是迄今美國國防部唯一的一個專門針對高超聲速試驗科學(xué)技術(shù)開展的科研專項，近年來每年獲得經(jīng)費大約2000萬美元左右。專項由AEDC牽頭，依托政府科研機構(gòu)、企業(yè)及高校40多家單位聯(lián)合開展。

 

圖2 當(dāng)前參與國防部“高超聲速試驗科學(xué)技術(shù)專項”的單位

 

       高超聲速試驗科學(xué)技術(shù)專項持續(xù)滾動近15年以來，已有大量的技術(shù)成果陸續(xù)轉(zhuǎn)化到相關(guān)的試驗設(shè)施建設(shè)和能力升級改進中。尤其值得關(guān)注的是，經(jīng)過十多年持續(xù)攻關(guān)，近兩年來，美國在高超聲速氣動推進清潔空氣試驗臺（HAPCAT）、變馬赫數(shù)噴管等試驗技術(shù)領(lǐng)域均取得了突破性進展，為解決高超聲速飛行器超燃沖壓發(fā)動機地面試驗?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?zāi)芰Y源建設(shè)，確立核心與重點設(shè)施，確保試驗設(shè)施體系化發(fā)展

 

       根據(jù)TRMC于2012年發(fā)布的《試驗與鑒定基礎(chǔ)設(shè)施全面評估》報告，美國國防部在當(dāng)前已有和在建的地面試驗設(shè)施中，確定了16處核心試驗設(shè)施（見表2）和3處重點試驗設(shè)施。通過建立政策法規(guī)，每年提供足夠的升級改造和運維經(jīng)費，持續(xù)維持上述16處核心高超聲速地面設(shè)施處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

 

       這些設(shè)施主要分布在美國國防部、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的評估結(jié)論，“在得到充分維護、同時逐步彌補當(dāng)前識別的試驗?zāi)芰Σ罹嗟那疤嵯?，上述至?6處核心試驗設(shè)施將足以滿足近期和中期高超聲速技術(shù)演示驗證飛行器的地面試驗需求。”（文/胡冬冬 牛文 李文杰 葉蕾）

 

圖3 美國國防部當(dāng)前重點確保的高超聲速地面試驗中心及設(shè)施

 

 

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