【防务资讯】美国空军计划发展可重复使用200次的高超声速试验平台！
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作者：胡冬冬、张绍芳、刘晓明
北京时间5月11日，美国空军公布了HyRAX项目详细需求，相对4月5日公布的项目广泛机构通告（BAA）透露了更多项目信息。
当前，美国空军研究实验室（AFRL）正在开发很多不同的高超声速技术、持续改进高超声速技术的科学模型。高超声速飞行条件下要想达到技术成熟度水平（TRL）6，还存在很多挑战。传统的高超声速条件下的飞行主要采用一次性使用的专用飞行器（如X-43、X-51），只能提供持续时间较短的飞行试验结果。HyRAX项目的目标是开发可重复使用的高超声速试验平台，以推动更广泛的高超声速技术的成熟，并获得高超声速科学测量数据的积累。该试验台本身的目标是能够进行高频次飞行，以使得高超声速技术能够快速成熟，并可采用相关飞行数据使得设计工具获得持续验证。
AFRL航空航天系统部高速系统处旨在通过HyRAX项目开发一款可重复使用试验飞行器，用作高超声速试验平台，来促进多种高超声速技术的成熟和获取高超声速科学测量方法。HyRAX飞行器同时也将通过高频次飞行试验验证高超声速飞行器可以进行高效、经济可承受的飞行，为未来发展可重复使用高超声速飞行器奠定基础。
HyRAX飞行器的首要目标是通过飞行试验验证AFRL指定的高超声速技术和科学测量方法。高超声速技术和科学测量方法主要包括气动、自动控制、传感器、推进、材料或结构及子系统。在初始的校验飞行后，HyRAX飞行器将携带可验证一系列高超声速技术（如热防护材料和自适应控制）及高超声速科学测量方法（如边界层测量方法）的多种高超声速载荷进行重复飞行，并可最大限度的与不同的载荷兼容。
AFRL计划使HyRAX飞行器（包括核心地面支持系统）成为空军飞行试验资产，并且由空军人员在承包商的支持下进行操作。本项目将完成飞行器设计、制造、组装，通过飞行试验评审，并提供满足美国空军的适航性认证所必须的信息及美国空军人员在承包商支持下操作飞行器所需必要信息。承包商需为校验飞行和最初的高超声速载荷带飞提供飞行试验支持、载荷集成和挑选适装有效载荷服务。
为用作高超声速试验平台，HyRAX飞行器需能够进行频繁的飞行，并且是经济可承受的。同时HyRAX飞行器及相关支持设备需要方便运输，以满足在不同靶场进行试验的需求。HyRAX飞行器的可重复使用关键性能参数（KPP）如表1所示：
▼ HyRAX关键性能参数
项目预计制造3架HyRAX飞行器及所需配件，每架飞行器将能够进行至少200次飞行，并为后续额外生产的飞行器定制部件。
HyRAX项目的另一个目标是提升高超声速飞行器设计与运行的技术水平。在HyRAX计划的所有阶段，承包商需要在下列技术领域采集并记录数据：
（1）质量特性，包括质量特性如何随着设计成熟度而变化；
（2）不同学科的设计工具精度，包括并不限于气动、气动热、结构载荷以及内部热管理；
（3）飞行器维护、检查以及飞行准备操作；
（4）设计、制造、组装与飞行试验的成本；
（5）飞行中传感器的精度；
（6）整个项目过程取得的经验和教训。
由于HyRAX计划的进度紧迫，在项目早期应该应用可靠的系统工程原理并避免后续需求的攀升。AFRL正在论证针对不同高超声速技术和高超声速科学测量方法的飞行试验需求，同时还鼓励竞标者在设计HyRAX飞行器过程中预先提出额外的高超声速技术和高超声速科学测量方法。
HyRAX项目预计分为三个阶段，第一阶段计划完成HyRAX飞行器及支持系统的初始设计；第二阶段计划完成详细设计；第三阶段计划完成制造、组装、校验飞行和早期的高超声飞行。
▼ HyRAX项目阶段和进程
HyRAX的设计需要满足AFRL的进度目标和成本约束。HyRAX项目的第一阶段是竞争性的，主要进行HyRAX方案的初始设计；在完成第一阶段的最终设计评审后，将从参与第一阶段的所有承包商中开展竞争性淘汰，胜出者将继续完成HyRAX飞行器的设计、制造和组装，并开始进行飞行试验（第二和第三阶段）。为确保项目顺利进行，用于试飞的高超声速载荷将由第二和第三阶段的承包商来制造和交付。未来的载荷可能需要单独开展竞标，或者由其它项目来提供。
飞行器设计
通过不断的研究和分析使可重复使用高超声速试验平台和相关的支持设备成熟。这些研究包括但不局限于：参数敏感性研究、基于物理学的技术优化研究、工程精确分析、高精度分析（如有限元分析和计算流体力学分析）、需求权衡分析和项目计划研究、任务有效性分析、成本估算模型和风险分析
地面试验
计划、设计、研究、制造、组装和开展地面试验，使可重复使用高超声速试验平台和相关的支持设备成熟，这些地面试验包括但不限于：风洞试验、结构和材料试验、操作和维护仿真分析、原型演示、软件仿真分析、硬件在回路测试、推进系统试验、飞行子系统试验，承包商同时也需要进行数据采集、数据简化和试验后分析，并将所获得的这些数据整合到飞行器设计的任务中。
飞行试验
支持政府的可重复高超声速试验平台的飞行试验，包括但不限于：开展维护服务、在飞行控制中心加载关键位置信息、提供和操作支持设备、准备用于飞行试验的飞行器。
有效载荷集成
将有效载荷集成到可重复使用高超声速试验平台上，包括但不限于：升级更新飞行器的控制系统、升级更新数据收集子系统和升级更新附属设备硬件。
有效载荷研发和制造
设计、研发并制造有效载荷以使高超声速技术和高超声速科学测量方法更加成熟。
范围
对HyRAX飞行器进行初步的设计，满足美国空军高超声速试验载荷和边界层科学测量方法的飞行试验需求。承包商需进行权衡研究、方案分析及必要的地面试验，使HyRAX飞行器的设计进一步成熟并细化设计方案。权衡研究、方案分析和地面试验活动包括：
• 外型及布局，包括质量特性
• 气动，包括气动热动力学
• 推进系统
• 任务性能、高超声速试验和科学测量载荷的集成
• 负载、机身结构与材料
• 飞行器管理系统，包括飞行器控制和健康管理系统
• 电力、流体、热与作动（PFTA）系统
• 地面支持设备及设施
• 制造计划
• 载荷集成、仪器、数据收集和整理计划
• 系统安全和地面试验计划
• 适航认证计划
• 飞行和滑跑试验计划
• 可操作性和可靠性
• 项目成本、进度和风险
HyRAX的初始设计阶段将以可重复使用试验飞行器的初始设计评审（PDR）为结束标志。由于HyRAX项目的目标是在四年内开始飞行试验，飞行器设计在通过PDR时，需能达到或超过AFRL关于设计成熟度的预期。
系统需求细化
将高超声速技术和高超声速科学测量飞行试验转化为对飞行器的需求。将开发功能体系架构并将其集成到一个物理架构中，以展示HyRAX飞行器的方案设计。明确项目验证和校验计划。
初始设计
开展方案设计并进行必要的分析和优化研究，以得到成熟的飞行器设计方案。在初始设计的最后阶段，完成由AFRL针对PDR制定的技术成熟度要求。
关键风险降低试验
明确飞行器设计存在的主要风险，并进行一次甚至多次硬件风险降低试验，得到的数据将会在初始设计评审之前被整合到飞行器设计中。
此次美国空军研究实验室（AFRL）发布的HyRAX项目需求征询意见书，旨在从工业界广泛征求关于高超声速试验台的设计思路、设计方法和设计途径方面的信息。除了用于对潜在承包商的能力和思路进行广泛摸底外，AFRL还要求参与投标的承包商考虑——除此次公开的项目需求征求信息外，面向下一个5~10年期间的飞行试验中还需要考虑哪些高超声速技术和科学测量方法，以及关于该项目如何安排和开展的整体反馈，并要求承包商分享相关信息。
该征询书公布的关于HyRAX试验平台的关键性能指标仅代表了美空军关于可重复使用高超声速试验台的目标图像需求，对技术需求的描述也比较模糊和宽泛，其主要目的是用于美国空军与工业部门的沟通和对接，并不代表最终招标需求。
根据2014年美国空军科学顾问委员会对美国高超声速技术的技术成熟度（TRL）评估结果，初步判断，此次HyRAX项目需求征询书中公布的关键性能指标要求较高，经过与工业部门的广泛摸底和沟通，最终的性能指标需求可能会有所调整。
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