美國高超聲速計(jì)劃的啟示

對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)巨大的高超聲速計(jì)劃

必須及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整

以很高速度飛行的高超聲速飛行器要經(jīng)歷十分嚴(yán)酷而復(fù)雜的飛行環(huán)境，特別是地面無法完全模擬，所以在其發(fā)展過程中必然面臨各種技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。在美國政府要求大大縮減國防預(yù)算的情況下，美國的高超聲速計(jì)劃還面臨成本風(fēng)險(xiǎn)。與過去類似的項(xiàng)目相比，美國對(duì)幾個(gè)高超聲速計(jì)劃的投入都較少，如最復(fù)雜的X-51A的總投入，也只有8.8億美元。由于經(jīng)費(fèi)有限，在設(shè)計(jì)這些試驗(yàn)飛行器時(shí)，對(duì)安全性和可靠性的考慮，就明顯不足。例如沒有進(jìn)行較充分的地面試驗(yàn)，x-51A的風(fēng)洞試驗(yàn)只有約3200小時(shí)，不到美國航天飛機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)間1/22；更沒有抓緊建設(shè)能夠較好模擬真實(shí)飛行條件的新風(fēng)洞。技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)疊加成本風(fēng)險(xiǎn)。就使計(jì)劃面臨能否達(dá)到目標(biāo)的戰(zhàn)略風(fēng)險(xiǎn)。面對(duì)風(fēng)險(xiǎn)，唯一的應(yīng)對(duì)方法是及時(shí)正確地對(duì)計(jì)劃進(jìn)行評(píng)估，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整?？傮w上看，美國對(duì)計(jì)劃的調(diào)整還是及時(shí)的。

美國的高超聲速計(jì)劃之所以能作及時(shí)調(diào)整，因這些計(jì)劃都與美國國防先期研究計(jì)劃局（DARPA）參與有關(guān)。這個(gè)局是艾森豪威爾總統(tǒng)在面臨蘇聯(lián)首先發(fā)射衛(wèi)星的壓力下成立的。危機(jī)感和容忍失敗的創(chuàng)新文化，讓這個(gè)局主持研發(fā)了互聯(lián)網(wǎng)，GPS和隱身戰(zhàn)機(jī)等劃時(shí)代產(chǎn)品，功不可沒。特別是這個(gè)局的項(xiàng)目主管，都是招聘而來，平均任職4年，計(jì)劃的調(diào)整也與他們沒有任何利益糾葛。

高超聲速飛行試驗(yàn)的成敗

取決于技術(shù)基礎(chǔ)

不難發(fā)現(xiàn)，美國高超聲速飛行試驗(yàn)的成敗，取決于它的技術(shù)基礎(chǔ)。X-37B明顯有美國研制和運(yùn)行航天飛機(jī)的技術(shù)基礎(chǔ)作支撐。美軍在研發(fā)AHW以前，桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室就執(zhí)行過“桑迪亞有翼再入飛行器試驗(yàn)”計(jì)劃；美國空軍研發(fā)過“助推滑翔再入飛行器”，并進(jìn)行過4次飛行試驗(yàn)，為AHw的試飛成功作了很好的技術(shù)準(zhǔn)備。HTV-2采用了先進(jìn)的乘波外形，升阻比估計(jì)可達(dá)4左右，但由于地面試驗(yàn)設(shè)備的模擬能力不夠，對(duì)較長時(shí)間的高超聲速滑翔飛行，遇到的問題也認(rèn)識(shí)不足，從而導(dǎo)致兩次飛行試驗(yàn)的失敗。在HTV-2第一次飛行試驗(yàn)失敗后，其項(xiàng)目主管克里斯·舒爾茲就表示：“在M數(shù)為20的飛行條件下，我們對(duì)飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象還存在認(rèn)識(shí)上的盲區(qū)。”

吸氣式高超聲速飛行的困難，是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)并未過關(guān)，達(dá)不到第6級(jí)技術(shù)成熟水平（TRL6），即表示系統(tǒng)或原型機(jī)已在相關(guān)環(huán)境下進(jìn)行過實(shí)際的驗(yàn)證。由于空氣在發(fā)動(dòng)機(jī)中的滯留時(shí)間極短，僅僅有千分之幾秒的時(shí)間，所以燃料燃燒的任務(wù)就如同在龍卷風(fēng)中點(diǎn)燃一根火柴，還要讓它持續(xù)燃燒下去。因此，在燃燒室中如何使氣流和燃料進(jìn)行充分的混合、進(jìn)行穩(wěn)定的燃燒，并在燃燒后產(chǎn)生的推力，能夠大于在整個(gè)飛行器的阻力，就成為能否取得成功的關(guān)鍵。X-43A和X-51A的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力相對(duì)于阻力來說，冗余很小。這兩個(gè)試驗(yàn)飛行器還不是真實(shí)飛行器的尺度，也無任何有效載荷，因此真實(shí)飛行器的推力冗余會(huì)更小。

正如2008年美國國防部提出的《高超聲速計(jì)劃發(fā)展路線圖》指出的那樣：“隨著的M數(shù)增加，與高超聲速飛行相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)挑戰(zhàn)的復(fù)雜性和嚴(yán)峻性隨之而增大，因此，基礎(chǔ)研究是國防部高超聲速研究、發(fā)展、試驗(yàn)與評(píng)估工作的核心?！?/p>

發(fā)展高超聲速技術(shù)

必須有效平衡三大手段

為了研制出滿足設(shè)計(jì)要求的軌道器，必須一體化地成功應(yīng)用三個(gè)手段，即模擬和仿真（MS）、地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。

十分關(guān)鍵的是要將這些手段發(fā)展到能夠有效地平衡的狀態(tài)，以提供高超聲速系統(tǒng)的研究、發(fā)展、試驗(yàn)和評(píng)估的一體化。從美國高超聲速飛行試驗(yàn)可見，充分的地面試驗(yàn)，仍然是保證飛行試驗(yàn)成功的最有效途徑。

從美國現(xiàn)有地面試驗(yàn)設(shè)備的能力來看，還不能滿足成功研制吸氣式高超聲速飛行器的要求。美國國防部試驗(yàn)管理中心主任約翰·福爾凱斯在2010年的報(bào)告《高速武器時(shí)代》中，就明確提出，為了保證飛行試驗(yàn)的成功，除了要求地面試驗(yàn)設(shè)備能提供清潔空氣和真實(shí)溫度的模擬能力外，還要求提供變M數(shù)的模擬能力，并建議對(duì)美國空軍阿諾德工程發(fā)展中心的發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行改造。在這篇報(bào)告中，也特別強(qiáng)調(diào)要研究將地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)外推到飛行條件的方法。

1999年NASA的馬歇爾中心，曾請(qǐng)美國國際科學(xué)應(yīng)用公司，對(duì)X-37B的設(shè)計(jì)進(jìn)行了評(píng)審。評(píng)審中對(duì)氣動(dòng)性能最關(guān)心的問題為：M數(shù)在6至10之間的數(shù)據(jù)不確定度；M數(shù)在大于10之后的數(shù)據(jù)可靠性；RCS風(fēng)洞數(shù)據(jù)的可靠性；氣動(dòng)熱數(shù)據(jù)的可靠性。

實(shí)際上，對(duì)于M數(shù)小于10的氣動(dòng)數(shù)據(jù)主要依靠風(fēng)洞試驗(yàn)。此時(shí)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行綜合分析和不確定度的估計(jì)。對(duì)于M數(shù)大于10的氣動(dòng)數(shù)據(jù)若依靠CFD，由于難于估計(jì)其結(jié)果的不確定度，使用時(shí)就要特別小心。美國在研制X-37B時(shí)反復(fù)指出：使用不可靠的CFD數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致飛行試驗(yàn)失敗。

我國發(fā)展高超聲速技術(shù)

必須走創(chuàng)新之路

美國的高超聲速飛行試驗(yàn)的成敗，為各國發(fā)展高超聲速技術(shù)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。特別是吸氣式高超聲速試驗(yàn)，美國屢試屢敗，但屢敗仍屢試。美國對(duì)試驗(yàn)失敗的寬容，是一項(xiàng)重大創(chuàng)新取得成功的前提，其精神值得借鑒。我國發(fā)展高超聲速技術(shù)，不應(yīng)簡單模仿美國，應(yīng)在吸收其成果的基礎(chǔ)上，走出一條符合我國國情的創(chuàng)新發(fā)展之路。