高超声速HIFiRE计划的经验教训
远望智库高级研究员 黄志澄
高超声速国际飞行研究试验（Hypersonic International Flight Research Experimentation，HIFiRE）计划，是由美国空军研究实验室（AFRL）和澳大利亚国防科学技术部(Defence，Science and Technology Organization ，DSTO)联合管理，美国宇航局（NASA）、德国航空航天中心（DLR）、英国BAE系统公司等参加，并由美国波音公司和澳大利亚昆士兰大学（University of Queensland）为主要承担单位的一项国际高超声速飞行研究试验计划。
HIFiRE计划在2006年11月正式启动，总经费为5400万美元。这个计划的目的是，提供一个低成本的高超声速飞行试验平台，对高超声速飞行的现象进行研究，以增加对高超声速飞行的基础问题和物理现象的理解。通过这个计划，将拓展高超声速飞行数据库，提高模拟高超声速飞行的建模能力和提高萁模拟方法的精度，验证高超声速飞行的飞行环境及其关键技术。这个计划通过循序渐进的项目安排，逐步增加高超声速飞行试验的复杂程度，最后期望实现超燃发动机（Scramjet）的持续自主飞行，为研制下一代空天飞行器打下技术基础。
从上世纪60年代以来，澳大利亚昆士兰大学致力于高超声速飞行技术的基础研究。60年代初，澳大利亚空气动力学家斯托克（R T Stalker）就建设了第一个自由活塞激波管，经过不断改进，在80年代初建成T3自由活塞激波风洞，1988年建成T4自由活塞激波风洞。这座风洞可以模拟飞行马赫数为8的高超声速飞行器的飞行环境，并开展了有关高超声速飞行器外形和超燃发动机的试验研究。
澳大利亚昆士兰大学的T3风洞
HyShot计划
HyShot （Hypersonic Shot）高超声速飞行试验计划是由澳大利亚昆士兰大学高超声速中心的艾伦·保尔（Allan Paull）博士领导的。参加和赞助的单位有澳大利亚防务科学技术组织，NASA、美国空军科学研究办公室（AFOSR—Air Force Office of Scientific Research）；德国DLR，英国防务评估研究局（DERA--Defence Evaluation and Research Agency）、日本国家航空航天实验室（NAL）等。
HyShot采用的运载火箭
飞行试验采用的运载火箭（Terrier-Orion），为一个两级探空火箭，其第1级火箭为圆柱体，尾部有“X”形配置的4个梯形稳定尾翼。第2级火箭也是圆柱形的，但直径比第1级火箭略小，尾部也有“X”配置的4个稳定尾翼。第2级火箭的顶部为试飞器。试验在澳大利亚武麦拉导弹靶场进行。在第2级下落过程中，进行了超燃冲压发动机试验。
在2001年和2002年的HyShot1、HyShot2试验中，所用的以氢为燃料的超燃冲压发动机，是由澳大利亚昆士兰大学的高超声速中心设计的。它采用二维背对背结构，楔形进气口和矩形燃烧室。在试飞器上，仅携带了可供超燃冲压发动机工作5-6s使用的燃料。试验中，在超燃冲压发动机内外设置了40多个测量点。HyShot1试验没有成功，但HyShot2取得了成功，试验的马赫数达到7.6。2006年3月25日试验的HyShot3的超燃冲压发动机，是由英国魁讷提丘公司（Qinetiq Co.）设计的。头锥是用强度高重量轻的复合材料制造的。设计的超燃冲压发动机，采用了三维子弹形进气口，椭圆形燃烧室。2006年3月30日进行了第四次发射(HyShot4)。发动机由日本设计，但在飞行试验中，由于发动机可能没有工作而宣告失败。
HyCause计划
HyCAUS的试验载荷
在2004年，由澳大利亚DSTO和美国DAPRA，联合执行了HyCAUSE (Hypersonic Collaborative Australia/United States Experiment)高超声速飞行试验计划。计划的目标是在飞行马赫数为10下试验氢为燃料的超燃冲压发动机。发动机有两个方案。一个是澳大利亚的二维方案，地面试验是在昆士兰大学的T4自由活塞激波风洞内进行的。一个是美国的向内转向方案，地面试验是在美国CUBRC的LENS的激波风洞内进行的。飞行试验最后选用了美国方案。2007年6月15日进行了飞行试验。HyCAUSE计划使用Talos Mk-11/Castor 1 XM-33二级探空火箭。火箭加速到530 公里，然后在接近垂直的方向下降，达到飞行马赫数为10。由于助推火箭发生晃动，超燃冲压发动机无法正常工作。在试验中，有2秒时间测量了沿燃冲压发动机壁面的压力分布和热流分布，但与地面试验数据不符。由由此可见，HyCAUSE计划估计并未成功。
HIFiRE计划
目前，HIFiRE计划预计的9次飞行试验，已经进行了大约一半，项目团队正在准备后续试验，其中还将包括关键的超燃冲压发动机驱动的自由飞行试验。美、澳最近作出了延长Hifire项目的决定，为飞行试验计划的全面完成，提供了可能。
HIFiRE计划进行三类型旨在验证关键技术的飞行试验，即测量高超声速边界层转捩的空气动力学试验；高超声速飞行器的控制试验和高超声速飞行器动力系统的超燃冲压发动机试验。最后，还要进行使用超燃冲压发动机的高超声速飞行器的持续飞行试验。
2009年5月进行了HIFiRE0试验，试验的目的是为了减少HIFiRE计划风险的准备试验，与前述的HyShot计划类似。
2010年3月进行了HIFiRE1试验，试验的目的是测量圆锥体上的高超声速边界层转捩和激波与边界层的相互干扰。采用的火箭与前述的HyShot计划相同，最大飞行马赫数达到7.8。飞行试验取得成功。
2012年4月进行了HIFiRE2试验，试验的目的是在加速条件下测量碳氢燃料的超燃冲压发动机性能，以及在等动压轨道上飞行器的性能。发动机由美国波音公司研制。飞行试验中最大飞行马赫数达到8.0。飞行试验取得成功。试验表明双模态超燃冲压发动机实现了由亚燃向超燃模态的转换。试验测得了在发动机燃烧室核心区水蒸气在空间的分布。
2012年9月进行了HIFiRE3试验，试验的目的是在加速条件下测量气氢燃料的轴对称超燃冲压发动机性能。发动机由澳大利亚昆士兰大学研制。飞行试验中最大飞行马赫数达到8.0。飞行试验取得成功。
2012年5月进行了HIFiRE5试验，试验的目的是测量椭圆锥体上的高超声速边界层转捩。这次飞行试验由于第二级火箭未能点火，试验未能取得成功。2016年5月再次进行了HIFiRE5试验，试验取得成功。试验中飞行器达到了最大高度为278千米，最大飞行马赫数达到7.5。
2015年4月进行了HIFiRE7试验。这是HIFiRE计划中最关键的推进系统试验。试验时，将采用一对由飞背对背安装的以方转椭圆进道构型（REST）超燃冲压发动机的飞行器，以7.7马赫的速度穿过大气层，在接近垂直向下飞向地面的过程中，试验超燃冲压发动机的性能。试验时间约为5秒。超燃冲压发动机使用液氢燃料，采用椭圆型燃烧室，它比矩型燃烧室，流道浸润面积更小，强度更好。椭圆型燃烧室的宽高比接近2.0，以保证在燃烧室中的燃料与空气的良好混合。计划在这次飞行试验中，要直接测量发动机产生的推力，并和地面试验数据进行比较。这次试验在再入到高度为64公里时，遥测信号消失，试验失败，但仍测得了部分数据。
HIFiRE计划今后除了再次进行HIFiRE7的试验外，今后还要进行下列试验项目：
HIFiRE 4将进行飞行器“乘波体”外形的飞行控制试验，此次试验将验证飞行器的气动特性、稳定性和控制能力。
HIFiRE 6将试验以马赫数为7.0的速度飞行时，飞行器的自适应飞行控制系统的性能。
HIFiRE8将结合从HIFiRE 4、HIFiRE 6和HIFiRE 7中获取的外形和飞行控制的经验，将以超过7马赫的速度、在55千帕动压情况下，进行30秒的超燃冲压发动机驱动的飞行器演示验证。
据称，即将进行的HIFiRE 5B、HIFiRE 4以及HIFiRE 7等飞行试验，都将使用澳大利亚“基于超燃冲压发动机的空间进入（Scramspace）”计划相同的助推系统。Scramspace计划采用两级助推器加速到200英里（321.8km）和高空马赫数为8.0的条件，之后开始下降，最终坠入海域。计划在160-190英里（25.7-30.6km）之间，飞行器加速通过上层大气时，在不到3秒的极短的时间窗口内进行试验。2013年9月24成功发射Scramspace计划之后，试验器两级都安全落入水中。然而，昆士兰大学领导的团队表示，在这次飞行试验中，试验器上的载荷没有达到合适的飞行条件。
与此同时，研究团队还在着手推进第二阶段“高超声速国际飞行研究试验”计划（HIFiREII），HIFiREII计划将以现阶段HIFiRE计划飞行试验所研发和验证的技术为基础，旨在于2024年前向美、澳空军交付具有决定性战术能力的响应快的高超声速飞行器。
HIFIRE计划的经验教训
由于目前HIFiRE计划尚未全部完成，现在要对整个HIFiRE计划的经验教训进行全面的评估，为时尚早。但从目前HIFiRE计划的进展和己经取得的成果来看、这个计划的特点或是成功之处有以下几点：
1．整个计划基础较扎实。计划是基于澳大利亚昆士兰大学过去长期对高超声速空气动力学和超燃冲压发动机，进行风洞试验和理论研究的基础之上，并通过HIFiRE计划，逐步扩大其研究内容和研究手段。
2．计划的主要目标是进行高超声速技术的基础研究。飞行试验的主要研究对象是高超声速飞行器的关键技术.即空气动力学，飞行控制和动力系统中的基本物理现象。特别是通过HIFiRE计划的试验，能够为解决地面试验数据和计算流体力学（CFD）数据外推到飞行条件，提供大量关键的飞行数据，并为今后设计实用的高超声速飞行器，提供技术依据。
例如，通过HIFiRE1和 HIFiRE5的飞行试验，已经获得了大量高超声速飞行器的边界层转捩随外形、攻角、空间位置的变化数据。这些数据表明，在飞行试验中边界层要比风洞试验稳定得多。这些飞行试验数据通过进一步的分析研究，可为今后设计高超声速飞行器提供重要的依据。
3．发展了一种低成本的高起声速飞行试验技术。在这个计划中采用探空火箭来助推，主要在试验模型再入返回时进行试验。这属于钱学森先生提出的“模型自由飞试验”。它可以克服地面试验中的难于模拟真实飞行的局限，但它又比真实的飞行试验的成本要低很多。
4．采用了从易到难循序渐进的方法来安排试验的内容。先逐步进行单一的空气动力学、飞行控制和动力系统的试验，最后，进行较复杂的30秒的超燃冲压发动机驱动的飞行器演示验证。单一目的的试验便于对数据进行分析，而从易到难和从简到繁，可以确保整个计划的顺利完成。
5．整个HIFiRE计划是一个国际合作的计划，充分发挥了澳大利亚和美国在高超声速技术研究六面的长处，为高超声速技术的国际合作提供了宝贵的经验。
另一方面，HIFiRE计划的第一次HIFiRE5试验并未取得成功，HIFiRE7试验也并未完全成功，这就影响了整个计划的进度。究其原因，可能是HIFiRE计划的制定者，对于试验的难度估计不足，计划的经费投入不足等。从HIFiRE计划以前的HyShot、HyCAUSE等计划也屡有失误来看，这个计划的核心研究团队即澳大利亚昆士兰大学研究团队，在工程经验方面有明显欠缺。最后，在澳大利亚和美国的合作方面，也有改进的余地。
结束语
从HyShot计划、HyCAUS计划到HIFiRE计划，我们可以看到，以澳大利亚昆士兰大学研究团队为核心的国际研究团队，逐步走出了一条从地面试验到模型自由飞的低成本发展高超声速技术之路。HIFiRE计划偏重技术基础和低成本的特点，使得已经完成了X-51A这种高超声速飞行器飞行试验的美国空军试验研究室和美国波音公司等，仍然愿意和澳大利亚，进行合作研究。
HIFiRE计划已经获得的大量飞行试验数据，将进一步推动世界高超声速技术的发展，其公开发表的数据，也值得我们进行深入分析和参考。我国既有很强的高超声速技术的基础研究和地面试验队伍，也有很强的高超声速飞行器的工程研制团队，但在上述两者的结合上，HIFiRE计划将为我们提供宝贵的经验教训。
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