高超聲速飛行器地面試驗方法綜述

田建明，景建斌，韓廣岐

（中國兵器工業(yè)試驗測試研究院，陜西 華陰 714200）

0 引言

高超聲速飛行器是指飛行馬赫數(shù)大于5，以吸氣式發(fā)動機或其組合發(fā)動機為主要動力，能在大氣層和跨大氣層中遠(yuǎn)程飛行的飛行器，其應(yīng)用形式包括高超聲速巡航導(dǎo)彈、高超聲速有人／無人飛機、空天飛機和空天導(dǎo)彈等多種飛行器［1］。

20世紀(jì)90年代后期至今，高超聲速飛行器技術(shù)進入一個快速發(fā)展的時期，俄羅斯、法國、美國都先后獨立或以國際合作的方式開展了超燃沖壓發(fā)動機的研制。超燃沖壓發(fā)動機是高超聲速飛行器的關(guān)鍵技術(shù)，世界各國在高超聲速飛行器技術(shù)領(lǐng)域的研究主要都集中在超燃沖壓發(fā)動機的研制上，已經(jīng)開展了大量的原理、數(shù)值模擬和相關(guān)地面試驗技術(shù)研究，獲得了大量的研究成果。美國等發(fā)達(dá)國家已達(dá)到了開展飛行試驗的條件。地面試驗技術(shù)是超燃沖壓發(fā)動機研制中的關(guān)鍵支撐性技術(shù)，是研制成功不可或缺的手段，是飛行試驗成功的保障。

我國高超聲速飛行器地面測試手段目前距國際水平尚有較大差距，為了支持高超聲速飛行器發(fā)展，特就此作一綜述。

1 高超聲速飛行器

追求更高的飛行速度，并非是充滿想象力的科學(xué)工作者的追求，而是由于速度的提高所能帶來的實際益處所決定的。速度的提高使得在相同的運輸距離上所需的時間大大縮短；速度的提高增強了武器的作戰(zhàn)效能與攻擊能力；速度的提高使得入軌飛行器具有了擺脫地球引力的基本能力。在大氣層內(nèi)實現(xiàn)高超聲速飛行正是人類很久以來的夢想，而這個夢想正在逐步走向?qū)崿F(xiàn)。高超聲速飛行器在今后相當(dāng)長的時間里將是航空航天技術(shù)發(fā)展的最前沿，近期可發(fā)展形成快速反應(yīng)的導(dǎo)彈，極大改變戰(zhàn)場模式，改變軍事力量的對比，具有極大的軍事和經(jīng)濟意義。

高超聲速飛行器作為高科技領(lǐng)域之一的航空航天技術(shù)是體現(xiàn)一個國家科技實力與工業(yè)基礎(chǔ)的重要標(biāo)準(zhǔn)志，同時也是一個國家的政治地位與軍事力量的有力象征，是一個國家綜合國力的重要組成部分。美國、俄羅斯、法國、德國、日本等國率先開始了高超聲速飛行器的技術(shù)研究，我國也開展了相關(guān)領(lǐng)域的研究。

常見的高超聲速飛行器可分為三類：可重復(fù)使用的飛行器、高超聲速滑翔飛行器（飛機）及高超聲速巡航飛行器。外形的設(shè)計多種多樣，主要的四種外形類型為升力體、翼身組合體、軸對稱圓錐體和翼身融合體。通過不同的目標(biāo)外形設(shè)計，可提供最小阻力和最大升阻。

高超聲速飛行的特點：小密度比和薄激波層；強粘性效應(yīng)，并可支配整個流場；存在高熵層；高超聲速流動是高能流動，存在高溫效應(yīng)；高超聲速流動存在低密度效應(yīng)。

2 高超聲速飛行器地面試驗方法

高超聲速飛行器地面試驗可以解決以下問題：1）地面氣動試驗，主要解決幾何外形的氣動設(shè)計，發(fā)動機部件工作問題，發(fā)動機的整體工作特性，以及發(fā)動機與飛行器的匹配問題。具體的試驗包括：直連式試驗、自由射流試驗、氣流參數(shù)對發(fā)動機的影響試驗；2）典型環(huán)境下高溫材料性能試驗，解決材料的高溫?zé)g和高溫?zé)岱雷o；3）高超聲速典型飛行環(huán)境試驗，解決飛行過程的綜合力學(xué)環(huán)境對飛行器結(jié)構(gòu)、各部件的結(jié)構(gòu)整體性、振動、沖擊、測試和控制傳感器的影響。

主要的地面試驗手段包括風(fēng)洞試驗和火箭橇試驗，兩者各有千秋。

在高超聲速風(fēng)洞中進行的飛行器試驗項目一般有以下幾項：全模測力試驗、壓力分布試驗、鉸鏈力矩試驗、動穩(wěn)定性試驗、噴流干擾試驗、級間分離或多體分離試驗、高超聲速進氣道試驗、模擬自由飛試驗等。風(fēng)洞試驗主要開展研制初期的部件級或原理級試驗，主要存在尺寸、雷諾數(shù)、溫度等效應(yīng)，同時仍存在“污染”氣體會對燃燒室試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，主要是湍流和氣體組分的影響，使本就復(fù)雜的超聲速燃燒問題變得更復(fù)雜。另外，一般風(fēng)洞試驗只能在一個馬赫數(shù)下研究進氣道的“脈沖”起動問題和“自起動”能力。但風(fēng)洞試驗在研制初期仍是不可或缺的一種試驗手段。

火箭橇試驗是高超聲速飛行器型號研制過程中的一種重要的地面試驗手段，是介于試驗室試驗與飛行試驗之間的聯(lián)系天地之間的一種試驗系統(tǒng)，其最大的特點是能模擬試驗件所需的速度和加速度。利用這一試驗方法，不僅能考核高超聲速飛行器整機、部件的性能，也能考核它們對高速飛行環(huán)境的適應(yīng)性及可靠性。其飛行包絡(luò)基本能涵蓋飛行試驗，是1∶1試驗件所能考核的最有效試驗系統(tǒng)，其可在軌無損回收經(jīng)考核過的試驗件，供進一步試驗室分析；是高超聲速武器系統(tǒng)研制過程中不可或缺的地面試驗系統(tǒng)，是測量、評估、驗證、考核高超聲速發(fā)動機進氣道設(shè)計合理性，低空高馬赫數(shù)“脈沖”起動和“自起動”能力，防燒蝕設(shè)計及發(fā)動機綜合性能等關(guān)鍵性地面試驗系統(tǒng)。美國沖壓式發(fā)動機的國家定型試驗均是通過采用火箭橇試驗來完成的。

由于高超聲速流動引起的復(fù)雜的物理現(xiàn)象會導(dǎo)致高超聲速火箭橇試驗在以下三方面與低速火箭橇試驗明顯不同：氣動力（升力、阻力、力矩會明顯變大，壓力中心位置改變等）；氣動熱（熱流明顯，需進行計算并采取防熱措施等）；氣動物理（高速下會出現(xiàn)明顯的激波形狀和流場的光電特性）。

3 高超聲速飛行器地面試驗現(xiàn)狀

隨著高超聲速飛行器的研制，各種特殊的高超聲速地面試驗項目也越來越多［2－7］。從各國航天發(fā)展的歷史來看，在高超聲速飛行器的研制過程中均對地面的模擬試驗投入了巨大的人力、物力和財力。美國航天飛機研究計劃中共進行地面模擬試驗709項，試驗總時數(shù)達(dá)到了71 297h。2012年，國外進行了6次高超聲速飛行器技術(shù)的飛行試驗，其中5次飛行試驗成功，1次飛行試驗失敗。成功的取得與他們所做的大量地面試驗是密不可分的。

3.1 高超聲速風(fēng)洞試驗現(xiàn)狀

國外在高超聲速風(fēng)洞試驗方面主要在提高氣流質(zhì)量、精確測量模型姿態(tài)、精確流場校測、改進測試儀器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等方面進行改造，適應(yīng)型號研制需求建立大型高超聲速高馬赫數(shù)風(fēng)洞，不斷擴大Ma、Re試驗范圍。

美國LENS系列激波風(fēng)洞的研制始于1986年。為了配合NASP計劃開展超燃沖壓發(fā)動機的研究，可以復(fù)現(xiàn)Ma為6～15的飛行條件，主動模擬的流動參數(shù)為來流總焓、飛行高度壓力和飛行速度，也能開展高超聲速飛行器的氣動熱和氣動光學(xué)研究。

俄羅斯高超聲速風(fēng)洞AT－303于1999年投入使用，可進行高雷諾數(shù)Ma為8～20的風(fēng)洞試驗，為超燃沖壓發(fā)動機設(shè)計、機身推進一體化以及氣動力特性提供試驗數(shù)據(jù)機的設(shè)計準(zhǔn)則。

法國的S4高超聲速風(fēng)洞：S4高超聲速風(fēng)洞試驗速度Ma為4～12，采用可變喉道技術(shù)進行自由射流試驗。

日本JAXA高超聲速風(fēng)洞：運行有三座高超聲速風(fēng)洞，采用共同的高壓空氣系統(tǒng)、空氣加熱系統(tǒng)及真空系統(tǒng)，可根據(jù)需要進行試驗，一天可進行四次試驗，可工作于高焓模式和長時間模式。

我國已建成脈沖型爆轟高焓激波風(fēng)洞［8］，圖1所示的JF10爆轟驅(qū)動激波風(fēng)洞采用了由Φ150mm到Φ100mm的錐面變截面技術(shù)，可工作在反向和正向兩種運行模式，為開展高溫真實氣體效應(yīng)和高雷諾數(shù)實驗，為我國高超聲速飛行器的研制提供必要的地面試驗?zāi)M裝置。

圖1 爆轟驅(qū)動激波風(fēng)洞Fig.1 Shock wave wind tunnel by detonation driving

3.2 高超聲速地面火箭橇試驗現(xiàn)狀

高超聲速飛行器地面火箭橇試驗作為可進行1∶1實際模型試驗的手段，受到美俄等航天技術(shù)強國的青睞，火箭橇試驗可模擬真實飛行的綜合試驗環(huán)境，可通過模擬飛行過程來獲得大量數(shù)據(jù)，并且試驗的重復(fù)性、操控性、維護性均優(yōu)于風(fēng)洞試驗。

圖2 美國HHSTT軌道上的高超聲速火箭橇試驗（Ma＝8.5）Fig.2 Hypersonic rocket sled test on HHSTT

國外發(fā)達(dá)國家十分重視高超聲速地面火箭橇試驗，在20世紀(jì)60年代已開展了高超聲速相關(guān)的火箭橇試驗進行高超聲速飛行器基礎(chǔ)理論的研究。雖然美國已具有用于完成高速的風(fēng)洞試驗裝置，但他們還是在Holloman建立了火箭橇試驗軌道HHSTT（如圖2）。該軌道長15 546m，調(diào)校精度±0.32mm。開展了三大類（彈頭試驗、高超聲速火箭發(fā)動機試驗、高雷諾數(shù)氣動力試驗）高超聲速飛行器試驗和相關(guān)的火箭橇專項（如滑靴）試驗等。

為了使HHSTT軌道能適應(yīng)高超聲速的應(yīng)用，他們開展了以下幾個方面的研究：滑靴／軌道的鑿削；改進火箭橇的設(shè)計，使火箭橇在HHSTT上的速度能夠達(dá)到6.0 Ma數(shù)量級；熱燒蝕問題；采用復(fù)合材料發(fā)展高性能的火箭發(fā)動機。在六十到七十年代高超聲速的相關(guān)火箭橇試驗非常密集，八十到九十年代以后逐年減少，近期報道的美國火箭橇地面試驗數(shù)量大減，更多的是速度上的突破，目前火箭橇地面最高速度可達(dá)到8.7 Ma。

對于高超聲速地面火箭橇試驗存在的問題，可借鑒高超聲速飛行器所形成的設(shè)計集成技術(shù)，但并不能完全覆蓋，許多關(guān)鍵技術(shù)是火箭橇所獨需的。刨削、摩擦熱燒蝕等現(xiàn)象的形成機理比較復(fù)雜，影響因素頗多，從美國發(fā)展高超聲速火箭橇的文獻報道來看，搞清楚問題發(fā)生的機理可以找到解決這些問題的突破口。

4 發(fā)展方向和展望

從國外高超聲速飛行器的發(fā)展過程來看，在高超聲速飛行器地面試驗領(lǐng)域風(fēng)洞試驗和火箭橇試驗同時存在［9－10］，并且相互補充。風(fēng)洞試驗側(cè)重高超聲速飛行器的技術(shù)原理性驗證、定速試驗驗證；火箭橇試驗?zāi)馨_各種速度段，可模擬高超聲速飛行器的整個過程。高超聲速飛行器在實際飛行前需要進行大量的地面試驗，火箭橇作為地面試驗的重要組成部分，是目前聯(lián)系天地關(guān)系的唯一有效手段。盡管火箭橇和風(fēng)洞的模擬試驗有許多的優(yōu)點，仍然不能代替真實的高超聲速飛行器飛行試驗，研制過程仍需通過飛行試驗來驗證。

因此，高超聲速飛行器地面試驗應(yīng)以典型馬赫數(shù)為試驗驗證條件進行相關(guān)考核?；鸺猎囼瀾?yīng)以提供從發(fā)射到最大速度直至整個飛行段的模擬（包括動壓頭、流量等諸方面的精確模擬）為目標(biāo)而進行的相關(guān)研究，以實現(xiàn)對高超聲速飛行器在飛行試驗前的考核與驗證，確保飛行試驗的安全。

從美國的高超聲速飛行器地面試驗發(fā)展歷程中，我們可以得到一些研究思路：必須有明確的任務(wù)需求；合理評估技術(shù)成熟度，合理安排研究經(jīng)費和進程；重視對基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)問題的研究，依托現(xiàn)有理論和技術(shù)，充分利用先進的材料和制造技術(shù)解決耐熱材料問題、降低試驗成本等；加強內(nèi)外部的技術(shù)合作，分擔(dān)研制風(fēng)險。

［1］蔡國飚，徐大軍.高超聲速飛行器技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2012.

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