胡冬冬｜解读美国空军“高超声速导弹武器材料和工艺”项目提案征集公告
2016年4月至7月以来，空军研究实验室材料与制造研究部（AFRL/RX）在美国联邦商机（FBO）网站上密集发布了关于“高超声速导弹武器材料和工艺（M&P）”项目的一系列广泛机构通告（BAA）（如表1所示），旨在通过广泛征集工业界/学术界的创新技术和方案，加速推动高超声速导弹武器材料和工艺（M&P）以及极端环境下材料特性和寿命预测技术的成熟，优化技术选择方案，降低2020年左右启动的高超声速导弹武器系统采办项目的决策风险。
“高超声速导弹武器材料和工艺（M&P）”项目广泛机构通告（BAA）的有效周期为2年，主要分为两个提案征集阶段。第一阶段提案征集通告（Call-1）于2016年6月1日发布，将在12个月以后发布第二阶段提案征集通告（Call-2）。每一阶段完成提案征集后将授予相应合同。
“高超声速导弹武器材料和工艺（M&P）”项目主要针对两类机载发射的高超声速导弹方案。一类是采用吸气推进系统的高超声速巡航导弹方案，另一类是具有更高初始速度以维持高超滑翔飞行的助推滑翔武器。两种武器方案拟完成的任务目标类似。AFRL指出，由于助推滑翔高超声速武器风险更高，需要更为先进的材料体系，因此将优先考虑能解决助推滑翔武器材料及工艺问题的技术方案，但同时也关注能解决吸气式高超声速巡航导弹相关关键瓶颈问题的技术方案。
为满足美国空军近期对快速转化为实用化的武器系统的紧迫需求，AFRL特别强调选用能够解决关键难题、显著降低武器采办风险、具有最高收益的材料和工艺（M&P）技术以及材料特性和寿命预测技术方案。
项目主要涵盖三个方面的研发活动：
●开展相关技术研发，进一步促进材料和工艺（M&P）技术的成熟；
●开展“制造准备”活动，用于优选技术方案；
●对材料加工工艺进行建模，并对极端飞行环境下的材料特性和寿命进行预测，以降低后续高超声速导弹武器研制的风险。
BAA指出，预计金属和非金属材料的组合方案可满足项目的目标需求。基础材料方案包括但不限于钛合金、超合金、氧化物-氧化物陶瓷基复合材料（CMC）、碳/碳化硅（C/SiC）CMC和碳/碳（C/C）复合材料。其它M&P技术方案包括但不限于连接、黏结、集成、绝热、密封、无损评估及探伤探测等，要求不得对导弹的结构性能、可制造性以及可维护性产生负面影响。
AFRL要求投标方案中提议的材料和工艺方案应具备经济可承受性、生产稳定性好、具有较高的鲁棒性，在2020年前技术成熟度等级（TRL）至少达到5以上。
项目总经费预估为4820万美元，空军预期在项目周期内将授出多个合同，单个合同金额范围30~350万美元。预计将在2016年9月30日授出第一份合同。
根据第一阶段提案征集通告（Call-1）中的描述，项目第一阶段的主要需求可总结如下：
a.强调材料及工艺方案满足大批量生产需求
所有材料及工艺方案应有能力实现规模化，满足大批量生产需求。要求对材料来源及工艺参数变化后对产品性能的影响开展全面的定量化研究，加深对工艺变量与产品性能之间关系的理解（尤其是高温结构纤维增强复合材料），确保为高超声速武器系统研制企业在可接受的成本和研制周期内提供置信度较高的材料方案、实现优越的武器性能。
为验证可制造性，应明确可应用的原材料体系；识别所有必要的工艺参数，采用实验方法论生成全因子实验设计（DOE）方案，并通过分析实现实验方案优选和数量降阶，以确定最高效的试验组合用于实际生产和测试。
b.要求采用集成计算材料工程框架，并可集成至工业设计系统
投标方案必须采用带有工艺数据和模型的集成计算材料工程（ICME）框架，以提升设计过程中材料方案优化和性能预测的准确度。要求所有建模工具必须能够集成到原始设备制造商（OEM）的工业设计系统中。所用模型可以是经验性模型、分析性模型、数值模型或几种模型的组合，但必须尽可能准确反映系统内在物理化学机理。模型架构应具备足够的灵活性，以便后续能够纳入新型材料和工艺。所用ICME模型必须确保能准确预测产品结构材料的物理和力学性能，并要求至少对一种相关材料系统和工艺模型的可行性进行演示、验证和校验。采集的数据和工艺模型应具有充分性，以形成材料及工艺知识库。
c.明确提出了“制造准备”研发活动应满足的目标
开展“制造准备”研发活动是该项目的三大任务之一。AFRL在BAA中指出，针对“制造准备”（Manufacturing readiness）的提案应满足如下6个方面的目标。
d.鼓励投标企业与发动机/总体研制企业、试验设施提供单位组队进行投标，加快技术转化进程
AFRL要求所提解决方案应详细考虑高超声速导弹的任务剖面（任务剖面定义了飞行环境和材料性能需求），鼓励投标企业从主承包商获取系统需求。另外，在对热防护材料和结构真实性能的评估中，考虑到材料工作的极端环境，需要应用非常复杂的特殊试验设施，其中某些设施仅政府机构拥有。因此，AFRL鼓励投标企业与试验设施提供单位、高超声速技术领域的发动机研制企业以及飞行器系统总承包商组队进行投标，以加强信息共享与沟通、提高技术方案的针对性、加速技术转化进程。
高超声速飞行器热防护材料与工艺是高超声速飞行器设计与制造的关键技术之一。由于高超声速飞行环境的恶劣和复杂，使得关于高超声速飞行器热防护材料的研发非常困难。
空军研究实验室（AFRL）此次发布的“高超声速导弹武器材料和工艺（M&P）”项目BAA主要针对吸气式高超声速巡航导弹和助推滑翔武器两类机载发射的高超声速导弹方案，可判断其应用对象直接面向当前空军正在开展的高速打击武器（HSSW）项目（含高超声速吸气式武器概念（HAWC）和战术助推滑翔武器（TBG）两个子项目）。HSSW项目目前由AFRL和国防高级研究计划局（DARPA）共同开展，相关的技术成熟工作和系统演示验证工作同步进行，计划2020年左右转入工程研制阶段。
总体而言，AFRL在2016年4月至7月期间针对“高超声速导弹武器材料和工艺（M&P）”项目公布的一系列BAA内容描述偏于宏观，主要给出了一些通用性的要求，并未透露材料及工艺项目针对高超声速武器的哪些部位，也未明确提出具体的技术指标需求。结合前期跟踪积累的相关信息，做出如下几点初步判断：
a.从关注的技术需求重点及技术成熟度等级（TRL）的目标描述来看，可判断目前美国高超声速助推滑翔武器的材料及制造工艺水平尚未达到TRL5
近10年来，美国先后通过实施X-43A、X-51A、HTV-2等多个高超声速飞行器项目，对采用不同材料体系和结构方案的热防护系统/热结构技术进行了研究和验证，并取得了一定的突破。但高超声速助推滑翔飞行器HTV-2两次飞行试验的失败，在一定程度上也与HTV-2热防护系统尚无法满足所设定的高超声速飞行环境有较大关系（HTV-2 2011年第2次试飞失败后，近年来美国空军的重点已从战略射程、飞行马赫数高达20的HTV-2项目转向发展战术射程、飞行马赫数8~10的TBG项目。TBG项目的诸多性能指标相比HTV-2已大幅下降。）
美国空军科学顾问委员会（SAB）曾在2014年公开发布的高超声速飞行器技术成熟度（THV）研究概要中指出，过去10年间，美国高超声速技术研究和演示验证工作已将多项关键技术发展至技术成熟度5+水平（但并未明确指出哪几项关键技术达到这一水平），但同时也指出，“助推-滑翔高超声速飞行器热防护材料”领域也是当前的技术短板之一。AFRL在此次BAA中指出优先考虑助推-滑翔高超声速武器的材料及工艺方案，同时结合其提及的技术水平目标——在2020年前技术成熟度等级（TRL）至少达到5，可以判断，目前美国战术射程、飞行马赫数8~10的助推-滑翔高超声速武器的材料及工艺技术尚未达到TRL5的水平。
此外，美国阿诺德工程发展中心（AEDC）当前正在加紧对H2中压电弧加热设施进行升级改进，并通过高超声速试验科学技术专项——高速系统试验（HSST）项目下的“电弧加热器流动品质”（AHFQ）子项目提升对高超声速飞行器热防护材料和结构的试验能力，主要也是为了针对性地解决助推-滑翔高超声速武器在热防护领域存在的技术短板。
b.契合高超声速飞行器研发难度大、耦合程度高的特点，通过运用ICME等先进材料开发理念和方法，缩短研发周期
ICME源于美国国家科学院（NRC）在2008年发表的同名报告，是指把计算材料科学的工具集成为一个整体系统，加速材料开发、改造工程设计的优化过程，并把设计和制造统一起来，从而在实际制造之前就实现材料、制造过程和构件的计算机优化。ICME在材料领域建立了一种理论模型和预测在先、实验验证在后的新“文化”，以取代现有的以经验和实验为主的材料研发理念。
DARPA曾在2014年7月启动了以高超声速助推滑翔飞行器热结构气动外壳材料为首选应用对象的“面向平台的材料开发”（MDP）项目，其中ICME是MDP项目实施方案中四大关键技术领域的一项核心内容。MDP项目拟通过吸纳材料科学与工程领域、ICME领域的开发原则，整合作战装备的设计、分析、制造与工程管理等多个学科，在跨学科研发模式下开发一套研发应用材料所需的新方法和新工具，将材料的应用开发周期压缩75%，即开发时间从平均10年以上缩短为2.5年（具体针对高超声速助推滑翔飞行器而言，目标是在2.5年内完成机身外壳新型材料的开发、制造和各种新材料子部件的独立测试工作）。
AFRL在此轮提案征集过程中特别强调运用ICME方法，并且对建模前期工作中的实验方法论、应考虑的材料和工艺的设计变量与响应变量、以及构建相应的知识数据库等提出了具体要求，同时要求所有建模工具必须能够集成到总承包商的工业设计系统中。这些研发工作与DARPA当前正在实施的MDP项目相互呼应和支撑，很好地契合了高超声速飞行器研发难度大、耦合程度高的特点，将有助于大幅缩短材料和工艺技术的研发周期，实现2020年达到TRL5的目标。
c.特别强调材料和工艺（M&P）方案的“可制造性”以及“规模化生产”需求，并鼓励组队投标，体现了空军加快技术尽快转化的紧迫需求
继AFRL于2015年5月发布高速打击武器（HSSW）技术成熟计划的BAA之后，2016年4月以来发布的该系列BAA是HSSW项目启动以来首次专门针对高超声速导弹武器所用材料和工艺发布的提案征集通告（提案征集完毕并评审筛选出优势方案后，将正式授予合同）。该项目的目标不仅要促进高超声速导弹武器材料和工艺（M&P）技术的进一步成熟，还反复强调“所有材料及工艺方案应有能力实现规模化，满足大批量生产需求”，强调“降低制造成本”、“优选高收益方案”、满足经济可承受性要求，并明确提出了针对“制造准备”活动应满足的具体目标。同时，鼓励投标企业与发动机/总体研制企业、试验设施提供单位组队进行投标，均体现了空军欲加快技术尽快转化的紧迫需求，以确保在2020年左右实现高超声速导弹转入正式采办型号的目标。
文章将刊登于《战术导弹技术》第五期
（2016年9月出版）
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