美国高超声速试验设施发展历程与布局现状分析

曹学伟，田 傲，曾宏刚

(中国航空研究院，北京 100029)

1 引 言

高超声速技术是美国国防领域的重点研究方向，经过70年的发展，美国的高超声速技术已经取得了诸多历史性突破。然而在进入21世纪以后，俄、中等国在这一领域的快速发展使其倍感压力，在高超声速试验设施体系完善过程中做出了相应的调整，以保证其在该技术领域的绝对领导地位，并加快了高超声速武器装备转化。本文从美国高超声速技术试验设施发展历程与体系布局两个方面，介绍了美国在高超声速技术试验设施方面的调整与提升，并分析了其中的特点，为我国相关设施能力的提升和发展提供参考。

2 美国高超声速试验设施发展历程

美国高超声速试验设施的发展历程随着高超声速技术的发展也发生了诸多变化，这在一定程度上影响着美国高超声速技术的发展。从上世纪50年代至今，根据其发展特点，美国高超声速试验设施发展历程可分为基础期、平缓期、发展期、提升期与加速期5个阶段。

2.1 基础期(20世纪50年代～60年代)

美国大多数航空航天基础试验设施是在二战结束后不久兴建的，其中充分吸纳了当年德国在航空航天领域的经验，但此时还未开发吸气式高超声速技术所需的基础设施和设备。20世纪50年代，美国制定了“统一风洞规划”，该规划的实施本着设施先行、着眼长远的思想，兴建了一系列超声速地面试验设施，并在其后的三四十年里很好地支撑了美国诸多重大飞行器研发计划的实施。20世纪60年代，美国拟定了相关规划，开始着手高超声速试验设施的建设与设计工作，并将相关试验设施建设项目设置了较高优先级。这一时期试验设施的发展对后来美国高超声速技术的发展起到了奠定基础的作用，有效地支撑了诸如X-15A高超声速飞机的研制与试飞。

2.2 平缓期(20世纪70年代～90年代)

20世纪70年代初，由于国家技术方向转变(重心放在火箭动力洲际导弹上)和资金未到位等因素，纳入规划的试验设施均未建成[1]，此时美国的高超声速试验设施建设进入了发展平缓期。20世纪80年代，伴随着国家空天飞机计划(NASP)的启动，美国又开始关注高超声速试验设施的建设，并在20世纪80年代末至20世纪90年代相继开展了多个专项研究，如《高超声速试验投资规划》《国家试验设施研究》等。由于当时还未能掌握诸多试验技术，设施建设不足，X-30只能依赖当时已有或小幅改进的试验设施开展试验，试验不充分为项目的高风险和最终失败埋下了隐患。另外，在高超声速试验设施建设过程中，建设经费呈现被多个部门利益分割、碎片化的状态，导致地面试验设施分布零散，重大试验设施缺乏专项资金支持。这一时期试验设施发展呈现体系规划缺乏、利益分割、技术发展缓慢等特点。

2.3 发展期(2000年～2010年)

进入21世纪，以国家航空航天计划(NAI)为标志，美国启动了新一轮高超声速技术的研究热潮，高超声速试验设施发展进入了卓有成效的发展期。此时美国将高超声速试验设施建设放在重要位置，并从顶层规划、组织管理、技术储备、能力统筹、经费保障等多方面采取措施，推动高超声速试验设施的建设。

在顶层规划方面，美国基于对高速/高超声速试验与鉴定基础设施能力的评估，提出了按照“三步并行”的总体思路来建立高超声速技术领域试验与鉴定能力：一是充分利用现有设施能力；二是采用当前商用货架技术升级现有设施能力；三是投资开发先进试验技术以满足未来武器系统开发需求。

在经费保障方面，美国国防部在其“试验与鉴定/科学与技术”计划下设立了旨在提升高超声速试验技术成熟度的预研专项(HSST)，每年拨付经费约2000万美元。该专项由阿诺德工程发展中心(AEDC)牵头，依托政府科研机构、企业及高校等40多家单位联合开展，已有大量的技术成果实现能力提升转化。

在能力统筹方面，美国国防部试验资产管理中心(TRMC)每年负责评估国防部包括高超声速技术领域在内的关键领域的试验与鉴定预算经费是否充足，支撑国防部试验与鉴定资源战略规划的制定。根据TRMC在2012年的评估报告，国防部确定了16处核心试验设施和3处重点试验设施。通过建立政策法规，每年提供充足经费，使其处于正常的运转状态，足以满足地面试验需求[2]。

这一时期，美国高超声速试验设施的发展有力促进了高超声速飞行器的地面验证及飞行试验，X-43A、X-51A等都取得了重大成就。

2.4 提升期(2010年～2020年)

2010年以后，随着美国高超声速飞行器多项关键技术的技术成熟度达到5～6的水平，接近向工程研制阶段转化的临界点，美国进一步加大了对现有试验设施现代化升级改进的力度，进入试验设施发展的提升期。2014年，美国空军研究实验室(AFRL)在阿诺德空军基地组建“高速试验分部”，旨在进一步提升推进、气动、结构与材料等领域的试验能力。2016年，美国国防部在其公布的2017财年国防预算申请中，首次在国防部核心试验与鉴定设施投资计划(CTEIP)下专门为高超声速飞行器试验设施建设单列预算，旨在解决当前高超声速巡航导弹和助推滑翔武器研发和作战试验中所需关键设施的能力缺陷。

这一时期的美国高超声速试验设施以飞行器武器化工程验证为核心目标，从能力提升、预算单列、试验创新等方面持续发展。但由于试验能力不足导致验证不充分，致使诸如HTV-2折戟沉沙，其他武器化项目进展缓慢，没有达到军方的预期。

2.5 加速期(2020年至今)

2020年以后，面对俄、中多型高超声速武器装备陆续服役，美国加大了试验设施升级改造的力度。美国国防部在顶层成立相关组织，统一连接大学、科研院所与工业部门，并评估生产薄弱环节，尽快促进装备服役。2020年，美国高超声速专家马克·刘易斯提议增加飞行试验的次数以加深对高超声速领域的认识[3]。美国国防部斥资1亿美元成立联合高超声速转化办公室(JHTO)[4]，以应用高超声速大学联盟为抓手，围绕高温材料结构与制造、吸气式推进系统、导航制导和控制、高超声速环境等重点技术领域，促进成果转化。

另外，美国国防部还成立了高超声速作战室，以评估美国工业界生产高超声速武器装备的能力，并从中识别出供应链中的短板，以了解掌握美国在发展高超声速攻防技术方面的薄弱环节，同时向联邦政府提出投资建议，加快武器装备的交付进度。ASTRO America已经完成了“高超声速生产加速器设施(HPAF)”的设计工作，见图1，将通过全新的制造解决方案提升高超声速武器系统的关键制造能力，解决目前供应链分散和进度延缓等问题[5]。

图1 HPAF工作流程与传统方式对比示意图

3 美国高超声速试验设施体系布局

美国高超声速试验设施经过上述5个阶段的发展，逐步形成了“用户主导、持续提升”的原则，已具备了完整的设施体系与布局，相关设施主要集中在NASA、美国空军、国家能源部等部门的下属机构和高校。其中，NASA的试验设施主要集中在飞行器结构强度/热防护、空气动力学理论与验证、飞行试验等基础科学研究方面，美国空军的试验设施主要以用户视角对诸如动力性能、飞行性能及其他前沿技术等性能评估方面进行验证，而能源部下属实验室及高校更多偏向基础理论向应用转化方面的研究，以下进行具体介绍。

3.1 侧重基础科学研究的NASA试验机构

NASA下属从事高超声速试验技术研究的机构主要有兰利研究中心(LRC)、艾姆斯研究中心(ARC)、阿姆斯特朗飞行研究中心(AFRC)等。

兰利研究中心(LRC)主要从事空气动力学、飞机结构与强度、温度及附面层理论等基础科学研究[6]，其拥有诸多高超声速风洞、电弧加热型超燃试验设备、燃烧加热型超燃试验设备、直连式超燃试验设备等设施。兰利研究中心在X-15的设计中提供了大量的风洞验证，也在航天飞机的研制中发挥了重要的支撑作用，主要涉及气动构型、热防护系统及轮胎和制动系统试验装置等。

艾姆斯研究中心在成立初期通过建设日益完善的风洞，研究飞机和空气动力学理论，二战时期主要从事美国军用飞机气动研究，二战后进军航天飞行和信息技术研究领域。该中心拥有许多高速风洞和模拟器等试验设施，这为其在飞行器材料与结构及空气热力学技术研究方面提供了便利，因而其在高超声速热防护技术研究领域拥有绝对的优势。

阿姆斯特朗飞行研究中心主要提供适合不同试飞计划所需要的各式各样的飞机，还有主要用于飞行员保持飞行技巧、安全伴飞和摄像的任务支援飞机，60多年来完成了X-1飞行器、X-15、SR-71、X-43A等高速飞行器试验研究。

3.2 侧重性能评估验证的空军试验机构

美国空军从事高超声速试验技术研究的机构主要有阿诺德工程发展中心(AEDC)、空军研究实验室(AFRL)、卡纳维拉尔角空军基地(CCAFS)、爱德华兹空军基地(EAFB)等。

阿诺德工程发展中心是美国空军直接管理的航空发动机试验机构，建设有世界上最先进、最全面、最综合、最大规模的航空发动机试验设备群[7]，对高超声速相关技术的有效试验与鉴定起到至关重要的作用。该中心拥有3个高超声速气动风洞(风洞B、风洞C和9号风洞)，其高温材料特性评估与鉴定(HTMCE)试验台是美国空军用于开展当前和未来高超声速项目测试与鉴定工作的特种设施。气动与推进试验单元(APTU)试验台可以完成超燃冲压发动机的整机性能测试。

空军研究实验室隶属于美国空军装备司令部，致力于以超前的科技承担起航空航天作战技术的创新、开发和集成，承担的重大项目包括X-37、X-40、X-51A、HTV-3X黑燕等。

卡纳维拉尔角空军基地隶属于美国空军航天司令部，是东部实验靶场的一部分，可以提供包括机场、后勤服务及作为空军基地的完整设施。位于美国加利福尼亚州的爱德华兹空军基地内设有美国空军飞行试验中心，与阿姆斯特朗飞行研究中心毗邻，承担美国涉密等级较高的“X”系列飞行器的试飞任务。

3.3 侧重机理研究的能源部研究机构

美国能源部参与高超声速技术研究的主要有阿贡国家实验室(ANL)和桑迪亚国家实验室(SNL)等。

阿贡国家实验室在复杂空气动力学、推进和材料科学等方向均有研究，其通过硬X射线硬件组件揭示复杂流动和燃烧机理，且不损害发动机性能，研制的复合材料和陶瓷可以帮助高超声速飞机承受较高温度的热应力。

桑迪亚国家实验室(SNL)利用人工智能技术和导航技术，开发自主高超声速飞行系统，建立“人在回路”操作模型，有机结合机器的快速运算能力和人类的思考分析能力[8]。另外，该实验室还具有Ma14级的高超声速风洞(HWT)测试能力。

3.4 侧重风洞测试技术的高校

美国得州农工大学为了积极参与高超声速相关项目，2020年建成了一个可达Ma15的大型高超声速扩展风洞，如图2所示，并在激光、电磁和光学航空航天实验室的帮助下引入了大量先进的激光诊断技术。

图2 TAMU的大型高超声速扩展风洞

普渡大学和圣母大学拥有美国两套可达Ma6的静音风洞。2014年后，圣母大学开通了一个Ma6的高超声速风洞[9]。2020年，普渡大学获得空军研究实验室合同，将与圣母大学联合建造世界上首座Ma8级静音风洞。此外，亚利桑那大学计划在2021年年初改造可以实现Ma5测试的风洞。

4 几点分析

4.1 加强顶层规划，有助于快速提升试验设施能力

从最初的统一风洞规划，到最近的高超声速设施与试验资源路线图，都充分显示了顶层规划在高超声速试验设施发展中的重要作用。首先，从技术发展的远景考虑，摆脱了飞行器快速研制试验需求的束缚；其次，考虑到试验设施巨大投资经费和较长建设周期的因素，顶层规划会显得比较客观且符合发展规律；此外，加强顶层规划的统筹协调，还可以避免各方争抢利益而使整体受损，影响技术发展。

4.2 全行业参与，覆盖产学研及成果转化

从开始的政府主导、军方需求牵引，到后来的军方试验设施划转、国防部组建大学联盟的整个过程可以看出，美国现在的高超声速技术领域呈现全行业深度参与的特点。高校在高超声速试验技术方面更多侧重新技术的应用、理论机理研究；政府试验机构则更侧重于新结构、新材料等的验证与转化，更多的是理论与应用的桥梁与纽带；而军方以使用者的角度对武器装备进行实用化的测试，在此过程中，工业部门、高校、政府研究机构深度参与，可使技术快速迭代与提升。

4.3 引入评估机制，为持续更新寻求新的解决方案

阿诺德工程发展中心和NASA在总结历史经验教训后均指出，将设施建设周期与飞行器研制周期进行捆绑，会导致试验设施的建设进度永远赶不上实际的试验需求。引入有效的周期性评估机制尤为重要，这会依据高超声速技术发展方向，从技术水平、经验优势、条件能力、提升可行性等多个角度对现存的或在建的设施进行评估，给出比较客观的意见，为投资决策提供参考，从而避免了型号研制保障条件滞后的情况出现。另外，持续性的投入还会给相关试验研究机构带来活跃的科研氛围与动力；再者，新的解决方案诸如HPAF中的“以租代建”的方式，也可以使设备处于最新的版本和水平。

5 结束语

本文梳理了70年来美国高超声速试验设施的发展历程，并对现有的试验设施体系与布局进行了简要介绍。分析表明，在新形势下，美国高超声速试验设施完善具备以下特点：

(1)从客观规律、发展远景、行业统筹等方面加强了顶层规划，着眼长远；

(2)发挥全行业优势科研力量集智攻关，提供高超声速武器装备从理论机理研究到服役维护保养的“新全寿命周期”涉及的鉴定与试验保障；

(3)周期性评估有助于高超声速试验设施投资决策，实现新技术、新方案在其中的应用，促进高超声速试验技术快速迭代与提升。