高超声速飞行器地面试验方法综述

田建明，景建斌，韩广岐

（中国兵器工业试验测试研究院，陕西 华阴 714200）

0 引言

高超声速飞行器是指飞行马赫数大于5，以吸气式发动机或其组合发动机为主要动力，能在大气层和跨大气层中远程飞行的飞行器，其应用形式包括高超声速巡航导弹、高超声速有人／无人飞机、空天飞机和空天导弹等多种飞行器［1］。

20世纪90年代后期至今，高超声速飞行器技术进入一个快速发展的时期，俄罗斯、法国、美国都先后独立或以国际合作的方式开展了超燃冲压发动机的研制。超燃冲压发动机是高超声速飞行器的关键技术，世界各国在高超声速飞行器技术领域的研究主要都集中在超燃冲压发动机的研制上，已经开展了大量的原理、数值模拟和相关地面试验技术研究，获得了大量的研究成果。美国等发达国家已达到了开展飞行试验的条件。地面试验技术是超燃冲压发动机研制中的关键支撑性技术，是研制成功不可或缺的手段，是飞行试验成功的保障。

我国高超声速飞行器地面测试手段目前距国际水平尚有较大差距，为了支持高超声速飞行器发展，特就此作一综述。

1 高超声速飞行器

追求更高的飞行速度，并非是充满想象力的科学工作者的追求，而是由于速度的提高所能带来的实际益处所决定的。速度的提高使得在相同的运输距离上所需的时间大大缩短；速度的提高增强了武器的作战效能与攻击能力；速度的提高使得入轨飞行器具有了摆脱地球引力的基本能力。在大气层内实现高超声速飞行正是人类很久以来的梦想，而这个梦想正在逐步走向实现。高超声速飞行器在今后相当长的时间里将是航空航天技术发展的最前沿，近期可发展形成快速反应的导弹，极大改变战场模式，改变军事力量的对比，具有极大的军事和经济意义。

高超声速飞行器作为高科技领域之一的航空航天技术是体现一个国家科技实力与工业基础的重要标准志，同时也是一个国家的政治地位与军事力量的有力象征，是一个国家综合国力的重要组成部分。美国、俄罗斯、法国、德国、日本等国率先开始了高超声速飞行器的技术研究，我国也开展了相关领域的研究。

常见的高超声速飞行器可分为三类：可重复使用的飞行器、高超声速滑翔飞行器（飞机）及高超声速巡航飞行器。外形的设计多种多样，主要的四种外形类型为升力体、翼身组合体、轴对称圆锥体和翼身融合体。通过不同的目标外形设计，可提供最小阻力和最大升阻。

高超声速飞行的特点：小密度比和薄激波层；强粘性效应，并可支配整个流场；存在高熵层；高超声速流动是高能流动，存在高温效应；高超声速流动存在低密度效应。

2 高超声速飞行器地面试验方法

高超声速飞行器地面试验可以解决以下问题：1）地面气动试验，主要解决几何外形的气动设计，发动机部件工作问题，发动机的整体工作特性，以及发动机与飞行器的匹配问题。具体的试验包括：直连式试验、自由射流试验、气流参数对发动机的影响试验；2）典型环境下高温材料性能试验，解决材料的高温烧蚀和高温热防护；3）高超声速典型飞行环境试验，解决飞行过程的综合力学环境对飞行器结构、各部件的结构整体性、振动、冲击、测试和控制传感器的影响。

主要的地面试验手段包括风洞试验和火箭橇试验，两者各有千秋。

在高超声速风洞中进行的飞行器试验项目一般有以下几项：全模测力试验、压力分布试验、铰链力矩试验、动稳定性试验、喷流干扰试验、级间分离或多体分离试验、高超声速进气道试验、模拟自由飞试验等。风洞试验主要开展研制初期的部件级或原理级试验，主要存在尺寸、雷诺数、温度等效应，同时仍存在“污染”气体会对燃烧室试验结果产生影响，主要是湍流和气体组分的影响，使本就复杂的超声速燃烧问题变得更复杂。另外，一般风洞试验只能在一个马赫数下研究进气道的“脉冲”起动问题和“自起动”能力。但风洞试验在研制初期仍是不可或缺的一种试验手段。

火箭橇试验是高超声速飞行器型号研制过程中的一种重要的地面试验手段，是介于试验室试验与飞行试验之间的联系天地之间的一种试验系统，其最大的特点是能模拟试验件所需的速度和加速度。利用这一试验方法，不仅能考核高超声速飞行器整机、部件的性能，也能考核它们对高速飞行环境的适应性及可靠性。其飞行包络基本能涵盖飞行试验，是1∶1试验件所能考核的最有效试验系统，其可在轨无损回收经考核过的试验件，供进一步试验室分析；是高超声速武器系统研制过程中不可或缺的地面试验系统，是测量、评估、验证、考核高超声速发动机进气道设计合理性，低空高马赫数“脉冲”起动和“自起动”能力，防烧蚀设计及发动机综合性能等关键性地面试验系统。美国冲压式发动机的国家定型试验均是通过采用火箭橇试验来完成的。

由于高超声速流动引起的复杂的物理现象会导致高超声速火箭橇试验在以下三方面与低速火箭橇试验明显不同：气动力（升力、阻力、力矩会明显变大，压力中心位置改变等）；气动热（热流明显，需进行计算并采取防热措施等）；气动物理（高速下会出现明显的激波形状和流场的光电特性）。

3 高超声速飞行器地面试验现状

随着高超声速飞行器的研制，各种特殊的高超声速地面试验项目也越来越多［2－7］。从各国航天发展的历史来看，在高超声速飞行器的研制过程中均对地面的模拟试验投入了巨大的人力、物力和财力。美国航天飞机研究计划中共进行地面模拟试验709项，试验总时数达到了71 297h。2012年，国外进行了6次高超声速飞行器技术的飞行试验，其中5次飞行试验成功，1次飞行试验失败。成功的取得与他们所做的大量地面试验是密不可分的。

3.1 高超声速风洞试验现状

国外在高超声速风洞试验方面主要在提高气流质量、精确测量模型姿态、精确流场校测、改进测试仪器和数据采集处理系统等方面进行改造，适应型号研制需求建立大型高超声速高马赫数风洞，不断扩大Ma、Re试验范围。

美国LENS系列激波风洞的研制始于1986年。为了配合NASP计划开展超燃冲压发动机的研究，可以复现Ma为6～15的飞行条件，主动模拟的流动参数为来流总焓、飞行高度压力和飞行速度，也能开展高超声速飞行器的气动热和气动光学研究。

俄罗斯高超声速风洞AT－303于1999年投入使用，可进行高雷诺数Ma为8～20的风洞试验，为超燃冲压发动机设计、机身推进一体化以及气动力特性提供试验数据机的设计准则。

法国的S4高超声速风洞：S4高超声速风洞试验速度Ma为4～12，采用可变喉道技术进行自由射流试验。

日本JAXA高超声速风洞：运行有三座高超声速风洞，采用共同的高压空气系统、空气加热系统及真空系统，可根据需要进行试验，一天可进行四次试验，可工作于高焓模式和长时间模式。

我国已建成脉冲型爆轰高焓激波风洞［8］，图1所示的JF10爆轰驱动激波风洞采用了由Φ150mm到Φ100mm的锥面变截面技术，可工作在反向和正向两种运行模式，为开展高温真实气体效应和高雷诺数实验，为我国高超声速飞行器的研制提供必要的地面试验模拟装置。

图1 爆轰驱动激波风洞Fig.1 Shock wave wind tunnel by detonation driving

3.2 高超声速地面火箭橇试验现状

高超声速飞行器地面火箭橇试验作为可进行1∶1实际模型试验的手段，受到美俄等航天技术强国的青睐，火箭橇试验可模拟真实飞行的综合试验环境，可通过模拟飞行过程来获得大量数据，并且试验的重复性、操控性、维护性均优于风洞试验。

图2 美国HHSTT轨道上的高超声速火箭橇试验（Ma＝8.5）Fig.2 Hypersonic rocket sled test on HHSTT

国外发达国家十分重视高超声速地面火箭橇试验，在20世纪60年代已开展了高超声速相关的火箭橇试验进行高超声速飞行器基础理论的研究。虽然美国已具有用于完成高速的风洞试验装置，但他们还是在Holloman建立了火箭橇试验轨道HHSTT（如图2）。该轨道长15 546m，调校精度±0.32mm。开展了三大类（弹头试验、高超声速火箭发动机试验、高雷诺数气动力试验）高超声速飞行器试验和相关的火箭橇专项（如滑靴）试验等。

为了使HHSTT轨道能适应高超声速的应用，他们开展了以下几个方面的研究：滑靴／轨道的凿削；改进火箭橇的设计，使火箭橇在HHSTT上的速度能够达到6.0 Ma数量级；热烧蚀问题；采用复合材料发展高性能的火箭发动机。在六十到七十年代高超声速的相关火箭橇试验非常密集，八十到九十年代以后逐年减少，近期报道的美国火箭橇地面试验数量大减，更多的是速度上的突破，目前火箭橇地面最高速度可达到8.7 Ma。

对于高超声速地面火箭橇试验存在的问题，可借鉴高超声速飞行器所形成的设计集成技术，但并不能完全覆盖，许多关键技术是火箭橇所独需的。刨削、摩擦热烧蚀等现象的形成机理比较复杂，影响因素颇多，从美国发展高超声速火箭橇的文献报道来看，搞清楚问题发生的机理可以找到解决这些问题的突破口。

4 发展方向和展望

从国外高超声速飞行器的发展过程来看，在高超声速飞行器地面试验领域风洞试验和火箭橇试验同时存在［9－10］，并且相互补充。风洞试验侧重高超声速飞行器的技术原理性验证、定速试验验证；火箭橇试验能包罗各种速度段，可模拟高超声速飞行器的整个过程。高超声速飞行器在实际飞行前需要进行大量的地面试验，火箭橇作为地面试验的重要组成部分，是目前联系天地关系的唯一有效手段。尽管火箭橇和风洞的模拟试验有许多的优点，仍然不能代替真实的高超声速飞行器飞行试验，研制过程仍需通过飞行试验来验证。

因此，高超声速飞行器地面试验应以典型马赫数为试验验证条件进行相关考核。火箭橇试验应以提供从发射到最大速度直至整个飞行段的模拟（包括动压头、流量等诸方面的精确模拟）为目标而进行的相关研究，以实现对高超声速飞行器在飞行试验前的考核与验证，确保飞行试验的安全。

从美国的高超声速飞行器地面试验发展历程中，我们可以得到一些研究思路：必须有明确的任务需求；合理评估技术成熟度，合理安排研究经费和进程；重视对基础和关键技术问题的研究，依托现有理论和技术，充分利用先进的材料和制造技术解决耐热材料问题、降低试验成本等；加强内外部的技术合作，分担研制风险。

［1］蔡国飚，徐大军.高超声速飞行器技术［M］.北京：科学出版社，2012.

［2］刘桐林.国外高超声速技术发展探析［J］.飞航导弹，2002（6）：30－40.

［3］魏毅寅，刘鹏，张冬青，等.国外高超声速技术发展及飞行试验情况分析［J］.飞航导弹，2010（5）：2－9.

［4］宫朝霞，李文杰.美国NAI的高速与高超声速科技计划［J］.飞航导弹，2007（11）：25－27.

［5］姜宗林，赵伟，林贞彬，等.爆轰驱动高焓激波风洞及其瞬态测试技术的研究与进展［J］.力学进展，2001，31（2）：312－317.

［6］占云.高超声速技术（HyTech）计划 ［J］.飞航导弹，2003（3）：33－34.

［7］文杰.美国海军的 FyFly计划 ［J］.飞航导弹，2008（2）：10－13.

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［9］刘桐林.美国高超声速技术的发展与展望［J］.航天控制，2004（4）：36－41.LIU Tonglin.Development and prospect of hypersonic technology in USA［J］.Aerospace Control，2004（4）：36－41.

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