美國國防部高速系統試驗（HSST）項目技術進展研究

張寶珍，趙群力

中國航空工業發展研究中心，北京 100029

近年來，美國為確保其軍事優勢，加速開發高超聲速武器系統。為開展相應的研究工作，需要新建或升級高超聲速試驗設施，而這些重大科研試驗設施本身也有許多技術難題需要解決。為此，美國國防部“試驗鑒定科技”計劃專門設立了高速系統試驗（HSST）項目。該項目致力于長期滾動投資研發高速/高超聲速試驗測試技術，為開展高超聲速重大科研試驗設施建設提供技術支撐。

本文簡述了美國國防部高速系統試驗（HSST）項目的提出背景、經費規模和組織實施，總結了項目技術發展重點，梳理了近年來HSST 項目重點技術進展，最后得出了“需要通過超前的統籌規劃，長期迭代開展關鍵技術預研和技術攻關，以確保高超聲速試驗基礎設施建設成功及試驗能力盡快形成”的結論，從而為國內高超聲速試驗設施建設和試驗技術開發提供參考借鑒。

1 HSST項目概況

1.1 項目背景

為確保試驗與測試技術緊跟武器技術的發展步伐，美國國防部于2002 年啟動了試驗鑒定科技（T&E/S&T）投資計劃，通過每年的持續滾動投資，支持成熟度3～5級的先進試驗與測試技術應用研究和先期技術開發，促進成熟度達到6級的試驗與測試技術從實驗室向試驗場/靶場應用快速轉化。該計劃包括若干重點技術領域，每個技術領域投資若干子項目。最初設立了高超聲速試驗、頻譜效率、多譜試驗三個重點技術領域。2006財年，美國國防部將“高超聲速試驗”重新冠名為“高速/高超聲速試驗”；2009年，更名為先進推進試驗技術（APTT）；2012 年，再次更名為高速系統試驗（HSST）并沿用至今。HSST項目中的技術開發優先順序始終與美國國防部5年期科技重點投資指南保持一致。

1.2 經費規模

HSST 項目的主要任務是開發高速系統試驗與測試技術，以滿足高速和高超聲速武器系統試驗與鑒定的需要。在大國競爭日趨激烈的背景下，美國持續加大高超武器研發投入，HSST 項目資金從2012 年的約2300 萬美元大幅增加到2023財年的約3億美元，見表1。表1數據來自美國歷年的預算文件[1-11]。

表1 美國國防部對HSST項目投入的經費（單位：萬美元）Table 1 The DOD budget for the HSST project（Unit：10000 dollars）

1.3 組織實施

HSST 項目主要以阿諾德工程發展綜合體（AEDC）為牽頭單位，依托政府科研機構、企業及高校等幾十家單位聯合開展研究工作。HSST 的子項目內容主要根據國防部試驗技術規劃，每年度編制一次，并通過發布跨機構通告（BAA），充分利用政府科研機構、大學以及企業的研發力量，解決關鍵試驗技術問題。

HSST項目與其他的試驗鑒定科學技術項目一樣，依據一定的原則，在眾多技術項目中篩選出需要重點發展的技術。其主要流程包括跨軍種試驗技術工作組、征求意見、白皮書和提議項目、資源選擇評估組、執行機構5 個步驟，如圖1所示[12]。

圖1 試驗鑒定科學技術項目篩選程序[12]Fig.1 The selection process of the T&E/S&T project[12]

所提議的項目需遵循的關鍵原則為[12]：滿足一種試驗鑒定需求；需要開展科學技術方面的工作；高回報；應用廣泛（多于一個國防部試驗機構）；具備向試驗能力開發的高可轉化能力。

2 HSST技術發展重點

HSST 項目的投資重點是在國防部試驗資源管理中心（TRMC）制定的《試驗與評價資源戰略規劃》（以下簡稱《戰略規劃》）的指導下確立的。TRMC專門負責對國家的武器裝備試驗與評價能力進行統一規劃，每兩年制定/修訂一份試驗資源戰略規劃。高超聲速是《戰略規劃》中確定的十大重點領域之一。基于高超聲速未來型號發展對試驗測試技術的需求與挑戰，HSST項目設置了地面試驗、計算工具、測量儀器以及飛行試驗4個重點子領域（見圖2），并采用試驗鑒定科學技術項目篩選程序，進一步確定HSST 項目每個子領域分別開展的研究內容。在此后的每個新財年，HSST項目都會根據上一年度進展情況以及需求變化對子領域的項目進行調整。HSST 4個重點子領域的主要研究內容如下[13-16]。

圖2 HSST項目涉及的技術領域及應用方向[13-14]Fig.2 The technical areas and application directions of the HSST project[13-14]

（1） 地面試驗

地面試驗包括氣動熱結構與先進推進試驗技術、氣動力和氣動熱試驗技術兩部分。其中，氣動熱結構與先進推進試驗技術旨在改進推進系統地面試驗方法，擴展試驗包線，提升準確性和保真度，降低不確定性以及對傳感器/導引頭的組合氣動效應。支撐氣動熱結構與先進推進試驗技術發展的子項目主要包括高超聲速吸氣式推進潔凈空氣試驗臺、大尺寸超燃沖壓發動機試驗技術、高速系統試驗技術改進研究等。

氣動力和氣動熱試驗技術旨在提升氣動加熱與燒蝕試驗能力，改進流動品質，支持高速/高超聲速武器系統彈藥投放試驗。該領域的子項目主要包括電弧加熱器流動品質、高超聲速邊界層轉捩測量研究等。

（2） 計算工具

高速流場所用的計算工具，主要是高超試驗鑒定所用的先進建模與仿真軟件。該領域的子項目包括建模與仿真驗證與轉化研究、X射線斷層攝影計算方法研究、瞬態熱分析軟件工具集（TTAS）、污染效應計算流體力學（CFD）研究等。

（3） 測量儀器

測量儀器包括高速流場所用的測量儀器與診斷技術，旨在開發新型傳感器，提升測量精度和范圍。該領域的子項目有高壓可調諧二極管激光吸收光譜、真實氣體力測量天平系統、中紅外熱成像技術、高焓表面摩阻傳感器等。

（4） 飛行試驗

HSST 項目的飛行試驗與評價技術旨在提升任務可靠性和發射靈活性，開發飛行中的測量方法和技術，增加每次試飛中的數據捕獲量，并降低飛行試驗總成本。該領域的子項目包括高保真度自動機載可重構跟蹤系統（HAARTS）、高空激光探測與測距大氣傳感系統（HALAS）、自主飛行安全系統（AFSS）、基于無人機的靶場、機載高分辨率多光譜望遠鏡等。

3 重要技術進展

經過長期持續滾動投資，HSST項目取得一系列重要技術進展，并從各子領域的單項技術開發轉向跨領域的多項技術集成開發與應用，形成了多種集成應用平臺。這為開展高超聲速技術試驗工作奠定了堅實的基礎。重要技術進展有以下幾個方面。

（1） 高超聲速氣動熱與推進清潔空氣試驗臺

高超聲速氣動熱與推進清潔空氣試驗臺（HAPCAT）利用清潔空氣加熱和可變馬赫數（VMN）能力，能夠在Ma4.5～7.5的模擬飛行條件下進行氣動推進、氣動熱和氣動光學試驗。其主要目的是通過試驗的方法確定氣動力和氣動熱對先進高超聲速傳感器性能的綜合影響。HAPCAT包括三大核心模塊，即潔凈空氣再生蓄熱式加熱器（RSH）、空氣輸送系統（ADS）和變馬赫數噴管。2015 年8 月，RSH 完成研制并成功試驗，實現了約38h 的持續運行；2019 財年，完成了空氣輸送系統（ADS）的最終設計、制造和在 HAPCAT中的安裝，并開始進行完工檢查運行；2020 財年，完成了RSH和ADS的關鍵子部件的集成，并完成了可變馬赫數噴管能力的初步設計審查；2021 財年，對HAPCAT 試驗臺在包線上限進行了完工檢查；2022 財年，完成了HAPCAT 試驗設施的組裝，計劃2023 財年開始進行設施運行試驗[2-10,17-18]。

（2） 中壓電弧加熱器原型樣機研制

該原型樣機用疊片加熱器取代現有管弧加熱器，創建的試驗包線大約是當前氣動熱試驗包線的三倍。2020 財年，完成了電弧加熱器流動品質氣動熱試驗技術開發，演示驗證了電弧加熱器旋轉線圈部件的新穎設計，為試驗件提供了更高品質的流量，并延長了電弧加熱器電極的工作壽命；2021 財年，完成了AEDC電弧加熱器的多次效率升級；2022年，啟動了新的氣動熱試驗技術開發工作，包括提升一種等離子體管的試驗能力。這將推進電感耦合等離子體地面試驗設施建設，該設施可以作為電弧噴射加熱器能力的重要補充[2-5]。

（3） CUBRC的LENS系列激波風洞擴建和升級改造

美國卡爾斯潘—布法羅研究中心（CUBRC）的大能量國家激波（LENS）風洞具有高馬赫數試驗能力，可以開展高超聲速氣動熱、氣動光學和表面催化效應等方面的研究，是進行高超聲速飛行器、超高速流動、大氣層攔截彈、高超聲速返回艙等地面試驗的主要設備。2015—2017 財年，在HSST 專項的支持下，完成了LENSⅡ擴建，提升了試驗能力，試驗運行時間提高了三倍。為滿足CUBRC高超聲速激波和膨脹風洞進一步發展的需要，最近4 年來，HSST 完成了用于評估高超聲速飛行器傳感器和導引頭系統的氣動光學儀器套件設計集成工作，以及用于評估高超聲速系統的多個非侵入式診斷系統。2022財年，成功開發和演示了一個小尺寸試驗設施，為建設全尺寸的氣動光學和氣動熱防護系統試驗設施提供了重要的技術支撐[3-10]。

（4） 高空激光探測與測距大氣傳感系統

高空激光探測與測距大氣傳感系統（HALAS）采用紫外線激光掃描技術，可沿高超聲速飛行器的飛行路徑測量大氣密度、溫度、壓力、風速/風向、氧氣含量等大氣數據，測量高度范圍為0～80km，可顯著提高試驗數據分析和飛行器性能估算的準確性。近年來，HSST項目投資開發了地基和機載兩類HALAS。2013—2018 財年，HSST 完成了陸基便攜式激光探測與測距（LIDAR）系統的開發，并開展了LIDAR 大氣傳感測量的試驗和演示驗證工作。隨后這套系統被用于沿海飛行試驗場的相關試驗，以驗證該系統在海上環境的性能。2020 財年，機載HALAS 被安裝在灣流公司的G-IV 公務機上，完成了持續收集大氣數據的任務[5-11,19]。

（5） 高保真度自動機載可重構跟蹤系統

高保真度自動機載可重構跟蹤系統（HAARTS）可提供高超聲速飛行器在飛行過程中的高分辨率成像數據。2018財年，HSST 完成了HAARTS 的最終設計，包括集成到“全球鷹”無人機上的方案。2021 財年，成功進行了HAARTS的地面完工檢查，并且修改完善了集成到無人機上的系統方案。2022 財年，完成了HAARTS 系統的制造和系統集成，以及在“靶場鷹”上的初步安裝檢查，地面測試也已經完成，為2023財年全面安裝做好了準備[3-7]。

（6） 空中靶場

空中靶場在2019 財年之前被稱作“基于無人機的靶場”，其主要目標是對退役的無人機進行升級改造，彌補當前高超聲速飛行試驗基礎設施的不足。經過改裝的RQ-4“全球鷹”和MQ-9“死神”無人機重新被命名為“靶場鷹”和“靶場死神”，將組成“空中靶場”新型無人機系統，用于高空遙測中繼和傳感，以補充或取代美國空軍或海軍的有人數據收集飛機。其中，RQ-4B最大滯空時間達到34h，飛行高度為18km，它能夠長時間在靶場上空飛行，可以用更短的時間完成更多的測試。為了完成一款高超聲速導彈的遙測工作，可能需要將測量船提前21 天部署到位，而使用RQ-4B只需要幾小時就能夠就位，并且花費的資源更少[6]。

為支持空中靶場建設，HSST對機載高分辨率多光譜望遠鏡、高空大氣感應傳感器以及相控陣遙測技術進行了研究，這些技術研究成果以及HSST開發的機載HALAS都將用于“靶場鷹”無人機。

該項目原計劃于2024 年開展機載高超聲速測試設備驗證試驗，但出于美軍對飛行試驗的迫切需求、多部門聯合推進，以及諾格公司對“全球鷹”的快速改裝、平流層發射系統公司的“大鵬”（Roc）載機與“塔倫”（Talon）系列飛行器原型機研發成功等多方面原因，空中靶場項目定于2023 年開始提供試驗測試服務，即通過多架“靶場鷹”無人機持續監測“大鵬”雙體飛機發射的“塔倫”高超聲速飛行器，并獲得高質量飛行試驗數據[20]。

（7） 高壓可調諧二極管激光吸收光譜

可調諧半導體激光器吸收光譜（TDLAS）測量系統是利用特定波長的近紅外激光能量被特定氣體分子吸收形成吸收光譜的原理，來測量流場溫度的一種光學測量技術，具有分辨率高、靈敏度高、選擇性高以及非接觸測量等優點。可以利用不同波長的激光器，對H2O、CO2、CH4以及O2等進行測量，進而得到流場靜溫、組分含量、流量和氣流速度等重要流場數據，在眾多超聲速流場測量方法中具有很大的優勢。

2018 財年以來，HSST 專項持續研發高壓可調諧二極管激光吸收光譜（TDLAS），最終將集成到HAPCAT 中，以在高溫和高壓下提供準確的空氣溫度測量。它將用于設施控制和設施狀態的確定。TDLAS 系統還可用于其他設施中的溫度測量[7,21]。

（8） 真實氣體力測量（RGFM）系統

該測力天平系統具有高剛度和頻率響應快的特點，使得高超聲速流動中的測量持續時間縮短到1～2ms。這將顯著提高高馬赫數條件下的空氣測量精度。HSST 利用紅外激光器構建了測量高速流中氣體性質的先進系統，該系統顯著降低了氣體性質測量的不確定性，已轉交給國防部的一個地面試驗中心和一個研究實驗室，研制了一種小型化、溫度補償的超聲速外掛物分離測試風洞天平。2017財年，HSST 完成了用于短期、高焓試驗設施的測力系統技術研發[8]。

（9） 中紅外熱成像技術

2014財年，HSST啟動了中紅外熱成像技術（MIRTI）研發工作。該技術可使高超聲速模型表面的高焓流動熱成像定量化，同時不會捕獲有可能遮蔽表面溫度成像的流場輻射效應。后續進一步優化了MIRTI 的信噪比，并對典型助推滑翔體表面熱輻射的測量進行驗證試驗。2016 財年，HSST 在脈沖試驗設施中測量了典型助推滑翔飛行器表面熱輻射數據，以評估不同表面材料組分、處理工藝和濾波頻率對熱成像的影響。2017 財年，HSST 開展了對脈沖試驗設施中典型助推滑翔飛行器表面熱輻射的測量，為助推滑翔飛行器設計獲得了有價值的深刻見解，這些成果對未來在高焓設施上的試驗非常有用[8-9,11]。

（10） 高速流場計算工具

HSST 利用超燃沖壓發動機試驗和邊界層試驗的統一數據，持續開展了CFD軟件的驗證與改進工作。開發了一種經過驗證的邊界層轉捩預測工具，可用于復雜三維助推滑翔飛行器幾何外形研究。這些軟件可支撐對試驗樣件表面在不同曲率、雷諾數和迎角等條件下邊界層轉捩特征和程度進行預測和分析。在瞬態熱分析軟件方面完成了氣動熱軟件模塊與結構加熱軟件模塊的集成。該軟件由多個機構進行了檢測調試，并已經開放給高超聲速研究機構，以支撐其對飛行試驗的規劃和分析。上述計算工具已轉化給高超領域的用戶，用于建模仿真、地面試驗和飛行試驗[8-9]。

4 結束語

HSST項目是美國國防部目前唯一致力于高速/高超聲速試驗鑒定技術預研的科技專項計劃，每年征集工業界、學術界和政府實驗室提出的試驗能力需求，其最終目標是尋求超前、快速和靈活的高速/高超聲速試驗鑒定技術。該項目的持續滾動實施，為先進高速/高超聲速技術向高速/高超試驗領域轉化奠定了基礎。

美國的經驗表明，高超重大科研試驗設施通常造價高昂，本身也是一種復雜系統，其建設與研發高超聲速飛行器一樣富有挑戰性，需要通過超前的統籌規劃，長期迭代開展試驗設施設備建設的關鍵技術預先研究和技術攻關，才能確保高超聲速試驗基礎設施建設及試驗能力盡快形成，為高超聲速武器研制提供有力的方法和手段支撐。