美國高超聲速計劃的啟示

對于風險巨大的高超聲速計劃

必須及時動態調整

以很高速度飛行的高超聲速飛行器要經歷十分嚴酷而復雜的飛行環境，特別是地面無法完全模擬，所以在其發展過程中必然面臨各種技術風險。在美國政府要求大大縮減國防預算的情況下，美國的高超聲速計劃還面臨成本風險。與過去類似的項目相比，美國對幾個高超聲速計劃的投入都較少，如最復雜的X-51A的總投入，也只有8.8億美元。由于經費有限，在設計這些試驗飛行器時，對安全性和可靠性的考慮，就明顯不足。例如沒有進行較充分的地面試驗，x-51A的風洞試驗只有約3200小時，不到美國航天飛機風洞試驗時間1/22；更沒有抓緊建設能夠較好模擬真實飛行條件的新風洞。技術風險疊加成本風險。就使計劃面臨能否達到目標的戰略風險。面對風險，唯一的應對方法是及時正確地對計劃進行評估，并進行動態調整。總體上看，美國對計劃的調整還是及時的。

美國的高超聲速計劃之所以能作及時調整，因這些計劃都與美國國防先期研究計劃局（DARPA）參與有關。這個局是艾森豪威爾總統在面臨蘇聯首先發射衛星的壓力下成立的。危機感和容忍失敗的創新文化，讓這個局主持研發了互聯網，GPS和隱身戰機等劃時代產品，功不可沒。特別是這個局的項目主管，都是招聘而來，平均任職4年，計劃的調整也與他們沒有任何利益糾葛。

高超聲速飛行試驗的成敗

取決于技術基礎

不難發現，美國高超聲速飛行試驗的成敗，取決于它的技術基礎。X-37B明顯有美國研制和運行航天飛機的技術基礎作支撐。美軍在研發AHW以前，桑迪亞國家實驗室就執行過“桑迪亞有翼再入飛行器試驗”計劃；美國空軍研發過“助推滑翔再入飛行器”，并進行過4次飛行試驗，為AHw的試飛成功作了很好的技術準備。HTV-2采用了先進的乘波外形，升阻比估計可達4左右，但由于地面試驗設備的模擬能力不夠，對較長時間的高超聲速滑翔飛行，遇到的問題也認識不足，從而導致兩次飛行試驗的失敗。在HTV-2第一次飛行試驗失敗后，其項目主管克里斯·舒爾茲就表示：“在M數為20的飛行條件下，我們對飛行器的空氣動力學現象還存在認識上的盲區。”

吸氣式高超聲速飛行的困難，是超燃沖壓發動機技術并未過關，達不到第6級技術成熟水平（TRL6），即表示系統或原型機已在相關環境下進行過實際的驗證。由于空氣在發動機中的滯留時間極短，僅僅有千分之幾秒的時間，所以燃料燃燒的任務就如同在龍卷風中點燃一根火柴，還要讓它持續燃燒下去。因此，在燃燒室中如何使氣流和燃料進行充分的混合、進行穩定的燃燒，并在燃燒后產生的推力，能夠大于在整個飛行器的阻力，就成為能否取得成功的關鍵。X-43A和X-51A的飛行試驗數據表明，超燃沖壓發動機產生的推力相對于阻力來說，冗余很小。這兩個試驗飛行器還不是真實飛行器的尺度，也無任何有效載荷，因此真實飛行器的推力冗余會更小。

正如2008年美國國防部提出的《高超聲速計劃發展路線圖》指出的那樣：“隨著的M數增加，與高超聲速飛行相關的基礎科學挑戰的復雜性和嚴峻性隨之而增大，因此，基礎研究是國防部高超聲速研究、發展、試驗與評估工作的核心。”

發展高超聲速技術

必須有效平衡三大手段

為了研制出滿足設計要求的軌道器，必須一體化地成功應用三個手段，即模擬和仿真（MS）、地面試驗和飛行試驗。

十分關鍵的是要將這些手段發展到能夠有效地平衡的狀態，以提供高超聲速系統的研究、發展、試驗和評估的一體化。從美國高超聲速飛行試驗可見，充分的地面試驗，仍然是保證飛行試驗成功的最有效途徑。

從美國現有地面試驗設備的能力來看，還不能滿足成功研制吸氣式高超聲速飛行器的要求。美國國防部試驗管理中心主任約翰·福爾凱斯在2010年的報告《高速武器時代》中，就明確提出，為了保證飛行試驗的成功，除了要求地面試驗設備能提供清潔空氣和真實溫度的模擬能力外，還要求提供變M數的模擬能力，并建議對美國空軍阿諾德工程發展中心的發動機試驗設備進行改造。在這篇報告中，也特別強調要研究將地面試驗數據外推到飛行條件的方法。

1999年NASA的馬歇爾中心，曾請美國國際科學應用公司，對X-37B的設計進行了評審。評審中對氣動性能最關心的問題為：M數在6至10之間的數據不確定度；M數在大于10之后的數據可靠性；RCS風洞數據的可靠性；氣動熱數據的可靠性。

實際上，對于M數小于10的氣動數據主要依靠風洞試驗。此時，對試驗數據，必須進行綜合分析和不確定度的估計。對于M數大于10的氣動數據若依靠CFD，由于難于估計其結果的不確定度，使用時就要特別小心。美國在研制X-37B時反復指出：使用不可靠的CFD數據可能導致飛行試驗失敗。

我國發展高超聲速技術

必須走創新之路

美國的高超聲速飛行試驗的成敗，為各國發展高超聲速技術提供了寶貴的經驗教訓。特別是吸氣式高超聲速試驗，美國屢試屢敗，但屢敗仍屢試。美國對試驗失敗的寬容，是一項重大創新取得成功的前提，其精神值得借鑒。我國發展高超聲速技術，不應簡單模仿美國，應在吸收其成果的基礎上，走出一條符合我國國情的創新發展之路。