2020年美国高超声速地面试验设施发展动向

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来源：海鹰资讯作者：苑桂萍  王俊伟

2020年，为满足持续增长的高超声速试验需求，美国启动高超声速地面试验设施评估工作，持续升级、更新高超声速地面试验设施，拓展高超声速试验能力，推动地面试验设施体系化发展，在地面试验设施建设方面取得了一定程度的进展。

01.启动高超声速地面试验设施评估工作，具备高超声速武器系统气动地面试验能力

2020年4月，美国防部总监察长办公室签署通过一份工作备忘录，开始对选定的高超声速地面试验设施开展评估工作，目的是确认美国防部是否有足够的地面试验与鉴定设施，并有能力支持国防部规划的高超声速武器系统的环境试验。

2020年9月，美国阿诺德工程发展中心（AEDC）飞行系统综合试验中心（TSTW）称，具备为高超声速等先进军事武器系统提供空气动力学地面试验的能力。TSTW由外载分离部和空气动力学效应部组成。外载分离部将使用系留轨迹受控系统，在风洞中模拟研究不同高度、速度和飞行姿态环境下导弹等分离物从飞行器上分离的特性，收集贴近实际的分离轨迹数据，以减少武器开发的生命周期，并有助于验证现有的计算数据。空气动力学效应部则负责进行导弹稳定性与控制性、射流效果、力与力矩以及负载相关的风洞试验，在飞行试验前验证测试系统，降低风险。

02.不断升级改造现有地面试验设施，全面提升高超声速试验能力

高超声速气动风洞试验设施获多方位升级，9号风洞马赫数拓展到18

美国AEDC的4个气动风洞，分别是位于阿诺德空军基地的风洞A、风洞B、风洞C以及位于马里兰州白橡树研究中心的9号高超声速风洞，用于对模型进行超声速空气动力学试验。风洞B可以达到马赫数6和马赫数8的速度，风洞C可以产生马赫数8和马赫数10的速度，而9号高超声速风洞则能达到马赫数6.7、8、10、14和18。

2019年4月AEDC完成了9号风洞从马赫数14升级到马赫数18后的初步调试，实现了对9号风洞的最新补充，有助于更深入地了解整个任务轨迹中装置的性能。至7月，AEDC共完成四次马赫数18试验能力的验证测试，包括新喷嘴喉部材料在马赫数18下的稳定状态，新设计的马赫数18喷嘴的流量均匀性等。2020年5月至7月已对马赫数18进行校准，未来将在高超声速试验计划中得到广泛运用。

高超声速推进系统试验设施改造计划持续进行，现有设施发挥先进试验能力

持续改造J-5大型火箭发动机试验设施，增强可变马赫数清洁空气条件下的试验能力

2017年9月，AEDC宣布将通过“高超声速试验能力改进”（HTCI）项目，对阿诺德空军基地的J-5大型火箭发动机试验设施进行整修与改造。该工作计划分三个阶段进行。第一阶段为建造加热器，旨在为高超声速武器开发提供马赫数6清洁空气试验条件，加热炉的建造已于2019年11月完成。第二阶段将通过结合可变马赫数喷嘴来进一步增强高超声速试验能力，在地面实现飞行轨迹的精确模拟。第三阶段将通过氧化锆蓄热式加热器系统来使最终运行能力提高到马赫数7.5。

目前，J-5试验设施的改造工程在第一阶段完成的基础上稳步推进当中，未来J-5试验设施将可实现在速度大于马赫数7的条件下，提供接近真实温度和清洁空气的试验条件。同时计划使用可变马赫数喷嘴，提供准确的飞行轨迹模拟，并且其运行时间要比同类设备更长。

气动与推进试验装置（APTU）持续为先进高超声速推进系统试验提供有力支撑

2019年8月，在美空军研究实验室（AFRL）“中等尺寸超燃冲压关键部件”（MSCC）项目支持下，AFRL联合AEDC和诺格公司在APTU试验台完成了中等尺寸超燃冲压发动机的地面试验，获得了5.9吨的最大推力。诺格公司的试验为期9个月，发动机总长约5.5米，在马赫数4以上的条件下累计工作了超过30分钟。

2020年，同样在MSCC项目支持下，美国洛克达因公司在APTU试验台完成了相同尺寸和推力的超燃冲压发动机的地面试验。洛克达因公司的试验为期12个月，验证了发动机在不同马赫数条件下的性能，其中在高超声速条件下的工作时长累计超过了1个小时。AEDC继续在APTU中试验先进高超声速推进系统的能力，推进AEDC所承担的关键国防任务。APTU团队一直与美国空军研究实验室（AFRL）合作，试验更为复杂的超声速发动机。APTU和J-5试验能力将在美国未来的超声速系统的发展中发挥关键作用。

提升高超声速试验天气模拟能力，改进高超声速单轨火箭撬设计方法

开发超高速弹道靶G的天气模拟试验技术，支持天气影响试验条件模拟

在高超声武器化的过程中，试验和评估该系统在执行任务期间可能遇到的天气情况下的运行情况至关重要。阿诺德空军基地的超高速弹道靶G允许以超过马赫数20的速度进行软发射，并可模拟遇到灰尘，雨水，冰雪等条件的实际情况。当前美国正在为超高速弹道靶G开发天气模拟试验技术，未来该试验技术还将用于未来高超声速系统的材料试验，以确保系统在任何运行环境中生存、可靠并具性能良好。试验过程中得到的数据将使用的建模和仿真（M＆S）工具进行验证。地面试验数据和M＆S工具的结合将有助于降低研制风险并节约成本。

改进高速试验轨道，增强高超声速系统关键性能指标获取与高超声速火箭橇试验能力

除靶道G之外，AEDC在新墨西哥州霍洛曼空军基地还具备“霍洛曼高速试验轨道”（HHSTT），HHSTT由第846试验中队负责运行，可以在马赫数高达8的条件下对全尺寸模型进行试验。目前，第846试验中队在HHSTT上开发了一种新的制动楔形装置，其与轨顶水囊制动相互作用，可在试验过程中减缓火箭撬速度；同时还对HHSTT雨场的光纤控制和数据采集系统进行了升级，改善天气试验效果，以支持2021年的高超试验与鉴定投资计划（HyTIP），并研究自然降雨，以提高雨场的模拟能力。

HHSTT还将支持高超声速单轨试验，9英寸单轨火箭橇将作为“高超声速准备计划”的一部分。目前第846试验中队正在进行一系列测试，改进设计方法，为2021年包括空射快速反应武器（ARRW）在内等项目进行高超声速火箭橇试验做准备。到目前为止，已在HHSTT上进行了四次测试，第一次测试于2019年6月26日进行，最近一次于2020年8月6日进行。

03.新建多个高超声速风洞，开发新型高超声速试验支持能力

美国空军正在普渡大学和圣母大学新建多个静音风洞，其中普渡大学1座，为马赫数8级，圣母大学2座，一座马赫数6级（直径为美国其它同级静音风洞的2倍），另一座马赫数10级。

2020年2月，美国空军研究实验室授予普渡大学一份价值590万美元的合同，与圣母大学联合开发世界上首座马赫数8的静音风洞。马赫数8的静音风洞将允许在类似真实飞行的环境中进行相关测试，服务于高超声速设计等研究活动。

美国圣母大学将与波音公司合作，设计马赫数10的静音风洞。该风洞由美空军研究实验室的科学研究办公室（AFOSR）出资540万美元建造，综合了低噪声和大尺寸等特点，试验测试能力大大扩展，将用于未来高性能高超声速飞行器设计中的预测和控制高超声速边界层转捩等研究。

美国亚利桑那大学计划在2021年初将其马赫数4的静音风洞改造成马赫数5级。同时，美国德克萨斯州农机大学批准马赫数10级高超声速风洞的建设资金申请，计划与美国陆军未来司令部合作于2021年前完成一座1000米长的马赫数10风洞建设，用于高超声速武器试验以及空战和陆战飞行器测试。

结束语

地面试验可验证和回答理论研究和数值模拟不能解决的问题，是确保掌握高超声速飞行器领域的科学理论和规律、验证技术以开展工程研制不可获取的环节。一直以来，美国将高超声速视为国防的关键领域，计划通过加大高超声速试验频次，加快高超声速技术与武器装备的成熟。2020年，美国仍通过新建和升级改造多座高超声速地面设施，填补试验能力不足。

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