美國國防部高速系統(tǒng)試驗（HSST）項目技術(shù)進(jìn)展研究

張寶珍，趙群力

中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京 100029

近年來，美國為確保其軍事優(yōu)勢，加速開發(fā)高超聲速武器系統(tǒng)。為開展相應(yīng)的研究工作，需要新建或升級高超聲速試驗設(shè)施，而這些重大科研試驗設(shè)施本身也有許多技術(shù)難題需要解決。為此，美國國防部“試驗鑒定科技”計劃專門設(shè)立了高速系統(tǒng)試驗（HSST）項目。該項目致力于長期滾動投資研發(fā)高速/高超聲速試驗測試技術(shù)，為開展高超聲速重大科研試驗設(shè)施建設(shè)提供技術(shù)支撐。

本文簡述了美國國防部高速系統(tǒng)試驗（HSST）項目的提出背景、經(jīng)費規(guī)模和組織實施，總結(jié)了項目技術(shù)發(fā)展重點，梳理了近年來HSST 項目重點技術(shù)進(jìn)展，最后得出了“需要通過超前的統(tǒng)籌規(guī)劃，長期迭代開展關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研和技術(shù)攻關(guān)，以確保高超聲速試驗基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成功及試驗?zāi)芰ΡM快形成”的結(jié)論，從而為國內(nèi)高超聲速試驗設(shè)施建設(shè)和試驗技術(shù)開發(fā)提供參考借鑒。

1 HSST項目概況

1.1 項目背景

為確保試驗與測試技術(shù)緊跟武器技術(shù)的發(fā)展步伐，美國國防部于2002 年啟動了試驗鑒定科技（T&E/S&T）投資計劃，通過每年的持續(xù)滾動投資，支持成熟度3～5級的先進(jìn)試驗與測試技術(shù)應(yīng)用研究和先期技術(shù)開發(fā)，促進(jìn)成熟度達(dá)到6級的試驗與測試技術(shù)從實驗室向試驗場/靶場應(yīng)用快速轉(zhuǎn)化。該計劃包括若干重點技術(shù)領(lǐng)域，每個技術(shù)領(lǐng)域投資若干子項目。最初設(shè)立了高超聲速試驗、頻譜效率、多譜試驗三個重點技術(shù)領(lǐng)域。2006財年，美國國防部將“高超聲速試驗”重新冠名為“高速/高超聲速試驗”；2009年，更名為先進(jìn)推進(jìn)試驗技術(shù)（APTT）；2012 年，再次更名為高速系統(tǒng)試驗（HSST）并沿用至今。HSST項目中的技術(shù)開發(fā)優(yōu)先順序始終與美國國防部5年期科技重點投資指南保持一致。

1.2 經(jīng)費規(guī)模

HSST 項目的主要任務(wù)是開發(fā)高速系統(tǒng)試驗與測試技術(shù)，以滿足高速和高超聲速武器系統(tǒng)試驗與鑒定的需要。在大國競爭日趨激烈的背景下，美國持續(xù)加大高超武器研發(fā)投入，HSST 項目資金從2012 年的約2300 萬美元大幅增加到2023財年的約3億美元，見表1。表1數(shù)據(jù)來自美國歷年的預(yù)算文件[1-11]。

表1 美國國防部對HSST項目投入的經(jīng)費（單位：萬美元）Table 1 The DOD budget for the HSST project（Unit：10000 dollars）

1.3 組織實施

HSST 項目主要以阿諾德工程發(fā)展綜合體（AEDC）為牽頭單位，依托政府科研機構(gòu)、企業(yè)及高校等幾十家單位聯(lián)合開展研究工作。HSST 的子項目內(nèi)容主要根據(jù)國防部試驗技術(shù)規(guī)劃，每年度編制一次，并通過發(fā)布跨機構(gòu)通告（BAA），充分利用政府科研機構(gòu)、大學(xué)以及企業(yè)的研發(fā)力量，解決關(guān)鍵試驗技術(shù)問題。

HSST項目與其他的試驗鑒定科學(xué)技術(shù)項目一樣，依據(jù)一定的原則，在眾多技術(shù)項目中篩選出需要重點發(fā)展的技術(shù)。其主要流程包括跨軍種試驗技術(shù)工作組、征求意見、白皮書和提議項目、資源選擇評估組、執(zhí)行機構(gòu)5 個步驟，如圖1所示[12]。

圖1 試驗鑒定科學(xué)技術(shù)項目篩選程序[12]Fig.1 The selection process of the T&E/S&T project[12]

所提議的項目需遵循的關(guān)鍵原則為[12]：滿足一種試驗鑒定需求；需要開展科學(xué)技術(shù)方面的工作；高回報；應(yīng)用廣泛（多于一個國防部試驗機構(gòu)）；具備向試驗?zāi)芰﹂_發(fā)的高可轉(zhuǎn)化能力。

2 HSST技術(shù)發(fā)展重點

HSST 項目的投資重點是在國防部試驗資源管理中心（TRMC）制定的《試驗與評價資源戰(zhàn)略規(guī)劃》（以下簡稱《戰(zhàn)略規(guī)劃》）的指導(dǎo)下確立的。TRMC專門負(fù)責(zé)對國家的武器裝備試驗與評價能力進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，每兩年制定/修訂一份試驗資源戰(zhàn)略規(guī)劃。高超聲速是《戰(zhàn)略規(guī)劃》中確定的十大重點領(lǐng)域之一?；诟叱曀傥磥硇吞柊l(fā)展對試驗測試技術(shù)的需求與挑戰(zhàn)，HSST項目設(shè)置了地面試驗、計算工具、測量儀器以及飛行試驗4個重點子領(lǐng)域（見圖2），并采用試驗鑒定科學(xué)技術(shù)項目篩選程序，進(jìn)一步確定HSST 項目每個子領(lǐng)域分別開展的研究內(nèi)容。在此后的每個新財年，HSST項目都會根據(jù)上一年度進(jìn)展情況以及需求變化對子領(lǐng)域的項目進(jìn)行調(diào)整。HSST 4個重點子領(lǐng)域的主要研究內(nèi)容如下[13-16]。

圖2 HSST項目涉及的技術(shù)領(lǐng)域及應(yīng)用方向[13-14]Fig.2 The technical areas and application directions of the HSST project[13-14]

（1） 地面試驗

地面試驗包括氣動熱結(jié)構(gòu)與先進(jìn)推進(jìn)試驗技術(shù)、氣動力和氣動熱試驗技術(shù)兩部分。其中，氣動熱結(jié)構(gòu)與先進(jìn)推進(jìn)試驗技術(shù)旨在改進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)地面試驗方法，擴展試驗包線，提升準(zhǔn)確性和保真度，降低不確定性以及對傳感器/導(dǎo)引頭的組合氣動效應(yīng)。支撐氣動熱結(jié)構(gòu)與先進(jìn)推進(jìn)試驗技術(shù)發(fā)展的子項目主要包括高超聲速吸氣式推進(jìn)潔凈空氣試驗臺、大尺寸超燃沖壓發(fā)動機試驗技術(shù)、高速系統(tǒng)試驗技術(shù)改進(jìn)研究等。

氣動力和氣動熱試驗技術(shù)旨在提升氣動加熱與燒蝕試驗?zāi)芰?，改進(jìn)流動品質(zhì)，支持高速/高超聲速武器系統(tǒng)彈藥投放試驗。該領(lǐng)域的子項目主要包括電弧加熱器流動品質(zhì)、高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩測量研究等。

（2） 計算工具

高速流場所用的計算工具，主要是高超試驗鑒定所用的先進(jìn)建模與仿真軟件。該領(lǐng)域的子項目包括建模與仿真驗證與轉(zhuǎn)化研究、X射線斷層攝影計算方法研究、瞬態(tài)熱分析軟件工具集（TTAS）、污染效應(yīng)計算流體力學(xué)（CFD）研究等。

（3） 測量儀器

測量儀器包括高速流場所用的測量儀器與診斷技術(shù)，旨在開發(fā)新型傳感器，提升測量精度和范圍。該領(lǐng)域的子項目有高壓可調(diào)諧二極管激光吸收光譜、真實氣體力測量天平系統(tǒng)、中紅外熱成像技術(shù)、高焓表面摩阻傳感器等。

（4） 飛行試驗

HSST 項目的飛行試驗與評價技術(shù)旨在提升任務(wù)可靠性和發(fā)射靈活性，開發(fā)飛行中的測量方法和技術(shù)，增加每次試飛中的數(shù)據(jù)捕獲量，并降低飛行試驗總成本。該領(lǐng)域的子項目包括高保真度自動機載可重構(gòu)跟蹤系統(tǒng)（HAARTS）、高空激光探測與測距大氣傳感系統(tǒng)（HALAS）、自主飛行安全系統(tǒng)（AFSS）、基于無人機的靶場、機載高分辨率多光譜望遠(yuǎn)鏡等。

3 重要技術(shù)進(jìn)展

經(jīng)過長期持續(xù)滾動投資，HSST項目取得一系列重要技術(shù)進(jìn)展，并從各子領(lǐng)域的單項技術(shù)開發(fā)轉(zhuǎn)向跨領(lǐng)域的多項技術(shù)集成開發(fā)與應(yīng)用，形成了多種集成應(yīng)用平臺。這為開展高超聲速技術(shù)試驗工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。重要技術(shù)進(jìn)展有以下幾個方面。

（1） 高超聲速氣動熱與推進(jìn)清潔空氣試驗臺

高超聲速氣動熱與推進(jìn)清潔空氣試驗臺（HAPCAT）利用清潔空氣加熱和可變馬赫數(shù)（VMN）能力，能夠在Ma4.5～7.5的模擬飛行條件下進(jìn)行氣動推進(jìn)、氣動熱和氣動光學(xué)試驗。其主要目的是通過試驗的方法確定氣動力和氣動熱對先進(jìn)高超聲速傳感器性能的綜合影響。HAPCAT包括三大核心模塊，即潔凈空氣再生蓄熱式加熱器（RSH）、空氣輸送系統(tǒng)（ADS）和變馬赫數(shù)噴管。2015 年8 月，RSH 完成研制并成功試驗，實現(xiàn)了約38h 的持續(xù)運行；2019 財年，完成了空氣輸送系統(tǒng)（ADS）的最終設(shè)計、制造和在 HAPCAT中的安裝，并開始進(jìn)行完工檢查運行；2020 財年，完成了RSH和ADS的關(guān)鍵子部件的集成，并完成了可變馬赫數(shù)噴管能力的初步設(shè)計審查；2021 財年，對HAPCAT 試驗臺在包線上限進(jìn)行了完工檢查；2022 財年，完成了HAPCAT 試驗設(shè)施的組裝，計劃2023 財年開始進(jìn)行設(shè)施運行試驗[2-10,17-18]。

（2） 中壓電弧加熱器原型樣機研制

該原型樣機用疊片加熱器取代現(xiàn)有管弧加熱器，創(chuàng)建的試驗包線大約是當(dāng)前氣動熱試驗包線的三倍。2020 財年，完成了電弧加熱器流動品質(zhì)氣動熱試驗技術(shù)開發(fā)，演示驗證了電弧加熱器旋轉(zhuǎn)線圈部件的新穎設(shè)計，為試驗件提供了更高品質(zhì)的流量，并延長了電弧加熱器電極的工作壽命；2021 財年，完成了AEDC電弧加熱器的多次效率升級；2022年，啟動了新的氣動熱試驗技術(shù)開發(fā)工作，包括提升一種等離子體管的試驗?zāi)芰?。這將推進(jìn)電感耦合等離子體地面試驗設(shè)施建設(shè)，該設(shè)施可以作為電弧噴射加熱器能力的重要補充[2-5]。

（3） CUBRC的LENS系列激波風(fēng)洞擴建和升級改造

美國卡爾斯潘—布法羅研究中心（CUBRC）的大能量國家激波（LENS）風(fēng)洞具有高馬赫數(shù)試驗?zāi)芰?，可以開展高超聲速氣動熱、氣動光學(xué)和表面催化效應(yīng)等方面的研究，是進(jìn)行高超聲速飛行器、超高速流動、大氣層攔截彈、高超聲速返回艙等地面試驗的主要設(shè)備。2015—2017 財年，在HSST 專項的支持下，完成了LENSⅡ擴建，提升了試驗?zāi)芰?，試驗運行時間提高了三倍。為滿足CUBRC高超聲速激波和膨脹風(fēng)洞進(jìn)一步發(fā)展的需要，最近4 年來，HSST 完成了用于評估高超聲速飛行器傳感器和導(dǎo)引頭系統(tǒng)的氣動光學(xué)儀器套件設(shè)計集成工作，以及用于評估高超聲速系統(tǒng)的多個非侵入式診斷系統(tǒng)。2022財年，成功開發(fā)和演示了一個小尺寸試驗設(shè)施，為建設(shè)全尺寸的氣動光學(xué)和氣動熱防護(hù)系統(tǒng)試驗設(shè)施提供了重要的技術(shù)支撐[3-10]。

（4） 高空激光探測與測距大氣傳感系統(tǒng)

高空激光探測與測距大氣傳感系統(tǒng)（HALAS）采用紫外線激光掃描技術(shù)，可沿高超聲速飛行器的飛行路徑測量大氣密度、溫度、壓力、風(fēng)速/風(fēng)向、氧氣含量等大氣數(shù)據(jù)，測量高度范圍為0～80km，可顯著提高試驗數(shù)據(jù)分析和飛行器性能估算的準(zhǔn)確性。近年來，HSST項目投資開發(fā)了地基和機載兩類HALAS。2013—2018 財年，HSST 完成了陸基便攜式激光探測與測距（LIDAR）系統(tǒng)的開發(fā)，并開展了LIDAR 大氣傳感測量的試驗和演示驗證工作。隨后這套系統(tǒng)被用于沿海飛行試驗場的相關(guān)試驗，以驗證該系統(tǒng)在海上環(huán)境的性能。2020 財年，機載HALAS 被安裝在灣流公司的G-IV 公務(wù)機上，完成了持續(xù)收集大氣數(shù)據(jù)的任務(wù)[5-11,19]。

（5） 高保真度自動機載可重構(gòu)跟蹤系統(tǒng)

高保真度自動機載可重構(gòu)跟蹤系統(tǒng)（HAARTS）可提供高超聲速飛行器在飛行過程中的高分辨率成像數(shù)據(jù)。2018財年，HSST 完成了HAARTS 的最終設(shè)計，包括集成到“全球鷹”無人機上的方案。2021 財年，成功進(jìn)行了HAARTS的地面完工檢查，并且修改完善了集成到無人機上的系統(tǒng)方案。2022 財年，完成了HAARTS 系統(tǒng)的制造和系統(tǒng)集成，以及在“靶場鷹”上的初步安裝檢查，地面測試也已經(jīng)完成，為2023財年全面安裝做好了準(zhǔn)備[3-7]。

（6） 空中靶場

空中靶場在2019 財年之前被稱作“基于無人機的靶場”，其主要目標(biāo)是對退役的無人機進(jìn)行升級改造，彌補當(dāng)前高超聲速飛行試驗基礎(chǔ)設(shè)施的不足。經(jīng)過改裝的RQ-4“全球鷹”和MQ-9“死神”無人機重新被命名為“靶場鷹”和“靶場死神”，將組成“空中靶場”新型無人機系統(tǒng)，用于高空遙測中繼和傳感，以補充或取代美國空軍或海軍的有人數(shù)據(jù)收集飛機。其中，RQ-4B最大滯空時間達(dá)到34h，飛行高度為18km，它能夠長時間在靶場上空飛行，可以用更短的時間完成更多的測試。為了完成一款高超聲速導(dǎo)彈的遙測工作，可能需要將測量船提前21 天部署到位，而使用RQ-4B只需要幾小時就能夠就位，并且花費的資源更少[6]。

為支持空中靶場建設(shè)，HSST對機載高分辨率多光譜望遠(yuǎn)鏡、高空大氣感應(yīng)傳感器以及相控陣遙測技術(shù)進(jìn)行了研究，這些技術(shù)研究成果以及HSST開發(fā)的機載HALAS都將用于“靶場鷹”無人機。

該項目原計劃于2024 年開展機載高超聲速測試設(shè)備驗證試驗，但出于美軍對飛行試驗的迫切需求、多部門聯(lián)合推進(jìn)，以及諾格公司對“全球鷹”的快速改裝、平流層發(fā)射系統(tǒng)公司的“大鵬”（Roc）載機與“塔倫”（Talon）系列飛行器原型機研發(fā)成功等多方面原因，空中靶場項目定于2023 年開始提供試驗測試服務(wù)，即通過多架“靶場鷹”無人機持續(xù)監(jiān)測“大鵬”雙體飛機發(fā)射的“塔倫”高超聲速飛行器，并獲得高質(zhì)量飛行試驗數(shù)據(jù)[20]。

（7） 高壓可調(diào)諧二極管激光吸收光譜

可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器吸收光譜（TDLAS）測量系統(tǒng)是利用特定波長的近紅外激光能量被特定氣體分子吸收形成吸收光譜的原理，來測量流場溫度的一種光學(xué)測量技術(shù)，具有分辨率高、靈敏度高、選擇性高以及非接觸測量等優(yōu)點?？梢岳貌煌ㄩL的激光器，對H2O、CO2、CH4以及O2等進(jìn)行測量，進(jìn)而得到流場靜溫、組分含量、流量和氣流速度等重要流場數(shù)據(jù)，在眾多超聲速流場測量方法中具有很大的優(yōu)勢。

2018 財年以來，HSST 專項持續(xù)研發(fā)高壓可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS），最終將集成到HAPCAT 中，以在高溫和高壓下提供準(zhǔn)確的空氣溫度測量。它將用于設(shè)施控制和設(shè)施狀態(tài)的確定。TDLAS 系統(tǒng)還可用于其他設(shè)施中的溫度測量[7,21]。

（8） 真實氣體力測量（RGFM）系統(tǒng)

該測力天平系統(tǒng)具有高剛度和頻率響應(yīng)快的特點，使得高超聲速流動中的測量持續(xù)時間縮短到1～2ms。這將顯著提高高馬赫數(shù)條件下的空氣測量精度。HSST 利用紅外激光器構(gòu)建了測量高速流中氣體性質(zhì)的先進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)顯著降低了氣體性質(zhì)測量的不確定性，已轉(zhuǎn)交給國防部的一個地面試驗中心和一個研究實驗室，研制了一種小型化、溫度補償?shù)某曀偻鈷煳锓蛛x測試風(fēng)洞天平。2017財年，HSST 完成了用于短期、高焓試驗設(shè)施的測力系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)[8]。

（9） 中紅外熱成像技術(shù)

2014財年，HSST啟動了中紅外熱成像技術(shù)（MIRTI）研發(fā)工作。該技術(shù)可使高超聲速模型表面的高焓流動熱成像定量化，同時不會捕獲有可能遮蔽表面溫度成像的流場輻射效應(yīng)。后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化了MIRTI 的信噪比，并對典型助推滑翔體表面熱輻射的測量進(jìn)行驗證試驗。2016 財年，HSST 在脈沖試驗設(shè)施中測量了典型助推滑翔飛行器表面熱輻射數(shù)據(jù)，以評估不同表面材料組分、處理工藝和濾波頻率對熱成像的影響。2017 財年，HSST 開展了對脈沖試驗設(shè)施中典型助推滑翔飛行器表面熱輻射的測量，為助推滑翔飛行器設(shè)計獲得了有價值的深刻見解，這些成果對未來在高焓設(shè)施上的試驗非常有用[8-9,11]。

（10） 高速流場計算工具

HSST 利用超燃沖壓發(fā)動機試驗和邊界層試驗的統(tǒng)一數(shù)據(jù)，持續(xù)開展了CFD軟件的驗證與改進(jìn)工作。開發(fā)了一種經(jīng)過驗證的邊界層轉(zhuǎn)捩預(yù)測工具，可用于復(fù)雜三維助推滑翔飛行器幾何外形研究。這些軟件可支撐對試驗樣件表面在不同曲率、雷諾數(shù)和迎角等條件下邊界層轉(zhuǎn)捩特征和程度進(jìn)行預(yù)測和分析。在瞬態(tài)熱分析軟件方面完成了氣動熱軟件模塊與結(jié)構(gòu)加熱軟件模塊的集成。該軟件由多個機構(gòu)進(jìn)行了檢測調(diào)試，并已經(jīng)開放給高超聲速研究機構(gòu)，以支撐其對飛行試驗的規(guī)劃和分析。上述計算工具已轉(zhuǎn)化給高超領(lǐng)域的用戶，用于建模仿真、地面試驗和飛行試驗[8-9]。

4 結(jié)束語

HSST項目是美國國防部目前唯一致力于高速/高超聲速試驗鑒定技術(shù)預(yù)研的科技專項計劃，每年征集工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府實驗室提出的試驗?zāi)芰π枨?，其最終目標(biāo)是尋求超前、快速和靈活的高速/高超聲速試驗鑒定技術(shù)。該項目的持續(xù)滾動實施，為先進(jìn)高速/高超聲速技術(shù)向高速/高超試驗領(lǐng)域轉(zhuǎn)化奠定了基礎(chǔ)。

美國的經(jīng)驗表明，高超重大科研試驗設(shè)施通常造價高昂，本身也是一種復(fù)雜系統(tǒng)，其建設(shè)與研發(fā)高超聲速飛行器一樣富有挑戰(zhàn)性，需要通過超前的統(tǒng)籌規(guī)劃，長期迭代開展試驗設(shè)施設(shè)備建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)預(yù)先研究和技術(shù)攻關(guān)，才能確保高超聲速試驗基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及試驗?zāi)芰ΡM快形成，為高超聲速武器研制提供有力的方法和手段支撐。