志澄观察 | Sandia是怎样研发高超声速武器的

黃志澄战略前沿技术

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远望智库高级研究员黄志澄

美国研发高超声速武器经历了40多年，其技术路线屡经曲折和反复，最后美军决定首个准备列装的高超声速武器，不是原来美国空军长期青睐的采用超声速燃烧冲压发动机（Scramjet）的高超声速巡航导弹，而是在美国桑迪亚(Sandia)国家实验室研发的先进高超声速武器（AHW）基础上，进一步研发的的高超声速助推滑翔导弹。目前，桑迪亚(Sandia)国家实验室一方面要为美国第一个高超声速武器列装做好配合工作，另一方面正在为未来高超声速武器的发展做好预研工作。

美国研发首个列装的高超声速武器

在2019年8月2日美国正式退出《中导条约》之后不久，瞄准2023财年先期列装“远程高超声速武器”（（Long Range Hypersonic Weapon，LRHW）公路机动式高超声速助推滑翔导弹，美陆军快速能力与关键技术办公室（RCCTO），于8月29日授出了2份研制生产合同，总额近7亿美元。其中，授予美国戴内提克斯公司（Dynetics）为期三年、总额3.516亿美元的合同，用于生产首批20枚商业化制造的 “通用型高超声速滑翔体”（Common Hypersonic Glide Body，C-HGB）弹头；授予美国洛马公司总额3.47亿美元的合同，负责LRHW的总集成工作（含导弹、运输发射车、指控系统等）。C-HGB通用滑翔弹头除了将用于美陆军LRHW导弹之外，还将用于美空军HCSW空射型高超声速助推滑翔导弹和美海军CPS潜射型高超声速助推滑翔导弹。C-HGB通用滑翔弹头由美国桑迪亚国家实验室设计研发，因此桑迪亚国家实验室将从技术上指导戴内提克斯公司开展弹头的制造生产。

Sandia研发成功AHW

实际上，C-HGB将由桑迪亚国家实验室研发成功的“先进高超声速武器”（AHW）改进而来。AHW本身是基于实验室在上世纪1979年至1985年间，进行过三次试飞的SWERVE（桑迪亚有翼赋能再入飞行器试验）的再入弹头研发的。这种飞行器采用有翼双锥体外形。据公开报道，它在1985年最后的一次实验中的最大速度达到了12马赫，然后以10度的攻角在大气层上层进行减速，速度降低到8马赫后改为平飞，并保持这一速度飞行1分钟。进入21世纪后，在美国DARPA的1300万美元资金的资助下，桑迪亚国家实验室对这一系统进行了重新设计。之后又由美国陆军牵头开展“先进高超声速武器”（AHW）计划。AHW项目从2008年开始，由200名桑迪亚实验室的科研人员，耗时4年，集成了实验室过去在发展SWERVE弹头和STARS（战略目标系统）固体助推火箭的成果，完成了AHW的研制。STARS运载器采用退役的北极星导弹发动机作为一、二级，采用商用的Orbus-1a固体火箭发动机制导控制作为第三级。AHW的试验载荷安置在头锥整流罩之内。整个试验飞行器的长度超过30英尺（9.14米），直径54英寸（1.37米），重量为36000磅（16.3吨）。

AHW在2011年进行了首次飞行试验。美军对于AHW系统提出的要求是，35分钟内飞行3700英里（6000公里），而2012年的首次试飞中，AHW的实际飞行距离据称为2485英里（约合4000公里），而耗时“不到30分钟”，据称，其滑翔速度也是约为8马赫。不过，AHW的后续试验并不顺利，在2014年的试飞中，AHW在800米高度发生大爆炸。2017年11月，美国宣布从“俄亥俄”级战略导弹潜艇上发射海军CPS导弹，这种导弹是采用新型助推器，发射经过改进的AHW弹头。这次试验的详情并没有进行报道。

将自主能力集成至高超声速系统

实际上，美国桑迪亚国家实验室综合军事系统中心，在过去30年中。已测试并发射了多种高超声速飞行器，目前正在研究将自主能力集成至高超声速系统的新方法。由于高超声速武器的飞行路径的不可预测，因此它可为美军提供多种优势，如提升杀伤力、与移动目标交战以及拥有能够自适应攻击的平台。

目前，桑迪亚国家实验室正在研究任务和飞行规划自动化的解决方案。由于目前的高超声速试验需要数周的规划时间以及众多领域专家的参与，而整合自主能力后，力求该过程将可缩短至几分钟。为此，该实验室需要一种基于人工智能和机器学习、可自动进行分析的解决方案。高超声速平台将应用人工智能，使其能进行任务分析。借助这种能力，系统将学习如何在不同的作战想定下自行导航。美军可用兵棋推演来发展平台的技能，平台也可通过此种方式，像人一样用兵棋推演来开发战术和技术。

桑迪亚国家实验室研发自主高超声速平台将分四个阶段。第一阶段将使系统具有“位置感知”能力，能够按照飞行前用户确定的坐标飞行。预计该阶段能力可在未来2=5年内实现。为此，应在高超声速飞行器上搭载传感器，从而能在将系统投送至发射前确定的坐标这一过程中，感知其位置。该过程需要GPS为大部分飞行过程定位，这就要求军方确保集成相关技术，以防止欺骗和潜在的干扰。第二阶段是 “位置适应”，将在未来4-7年内实现。该种能力类似于位置感知; 但是在该阶段系统能够在GPS拒止环境中运行，可利用GPS和替代导航方案确定飞行器位置，例如使用可绘制飞行器下方地形的传感器。第三阶段是“目标搜索”，可能需要5-10年才能实现。该能力将为平台提供移动目标定位能力，用户只需在发射前提供大概坐标位置，之后飞行器所搭载的传感器即可对目标进行定位。第四阶段包括“情境感知”能力，这可能需7-15年。届时，系统将能够使用来自其传感器的数据并自行调整飞行规划，最大程度提高打击效率。

目前，桑迪亚国家实验室正通过多种途径寻求这些技术，其中包括“自主新墨西哥”研究联盟。该研究联盟将重点开发包括高超声速平台在内的人工智能航空航天系统。目前，桑迪亚国家实验室正与佐治亚理工学院、普渡大学、伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校、新墨西哥大学、斯坦福大学、德克萨斯A＆M大学、德克萨斯大学奥斯汀分校以及犹他州立大学等，开展相关的合作研究。

充分发挥高超声速风洞的作用

桑迪亚国家实验室建有一座试验段尺寸为为18英寸（0.457米）的高超声速下吹式风洞，目前的试验马赫数为5和8。这座风洞虽然不大，但其测试仪器非常先进，在桑迪亚国家实验室研制高超声速武器的过程中发挥了重要作用。这座风洞近期进行了许多研究高超声速边界层转捩的试验。最近，这座风洞由于航天工程师卡蒂亚·卡斯帕(Katya Casper)，通过风洞测量压力研究湍流对高超声速飞行器影响的创新技术而闻名。美国航空航天学会（AIAA）最近根据她的突破音速湍流斑特征和她的脉动压力仪器的发明，宣布她获得了AIAA的劳伦斯·斯佩Lawrence Sperry奖,该奖只颁给在该领域有显著贡献的35岁或更年轻的人。

卡蒂亚·卡斯帕的研究认为，当以五倍音速或更快的速度飞行时，微不足道的湍流不再是路上的一个颠簸，而对飞行器有十分重要影响。她第一次描述了这些微小的高超声速湍流斑下的压力场的振动效应。她说:“问题是这些湍流非常快，非常小。高超声速流中每秒有数千个湍流斑，我们需要真正快速的技术来研究它们的行为。” 实际上，压力场是理解间歇性湍流如何对以5马赫或更高速度飞行的飞行器产生振动的关键。高超声速飞行器承受着较高的脉动压力，飞行器必须设计成能承受由此产生的振动。因此，能够描述和预测这些压力，将导致更好的飞行器设计。对非定常压力场的理解，将对高超声速飞行器在各种国家安全计划中的应用建模，极为重要。这项先进的诊断开发工作为桑迪亚的基础研究和模型验证，形成了独特的数据集，并已被用于改善几个国家高超声速飞行计划的飞行预测。

在过去的几年里，卡蒂亚的实验已经从使用微型电子传感器，发展到使用压力敏感涂料的先进成像技术，这种技术应用于在风洞中测试的模型，并通过专门的摄像机从光学上测量压力波动。她的高超声速湍流斑实验使用了创新的诊断技术，深入了解了压力波动和飞行器结构响应之间的相互作用。利用先进的成像技术和高速传感器，研究表明产生变化的压力波动是由在一毫秒内流过的间歇性湍流斑产生的。随着斑的生长，它们融合成一个完全湍流层。试验中采集到的数据，大大有助于改善她的同事们开发的用于预测的计算流体力学（CFD）模拟。

卡提亚在高超声速风洞中，使用了一个集成了压力传感器和加速计的锥形模型，研究了湍流斑的响应或振动。当经过的湍流斑的频率与模型表面的面板的自然结构频率相匹配时，就会产生强烈的共振，其振动水平是与面板不匹配时的200多倍。这对高超声速飞行来说是一个最危险的情况。现在，工程师们有了一种改进的方法来预测和适应这种情况。

卡蒂亚的很多工作都是在桑迪亚的风洞里完成的，但并不仅限于此。去年，她将类似的压力诊断技术移植到桑迪亚的爆管上，以在更大的现场测试首先在风洞中应用的压力敏感涂料技术。试验时将复杂的灯光、高速摄像机和精心配制的压敏涂料化学成分结合在一起，捕捉了激波在飞行器上滚动的效果。就像风洞中的湍流斑一样，激波产生的非定常压力载荷可以使飞行器产生振动。试验时在直径6英尺（1.83米）的爆管一端引爆炸药后，激波穿过爆管，然后击中位于另一端的模型上。传统上，模型上会放置数百个小型压力传感器来测量压力。现在试验时改用了压敏涂料。因为若只装传感器，就只能在它们被放置的不同的离散位置上，获得压力读数。但若用敏感涂料，就可以在任何地方获得数据。试验时，将涂料喷在一个模型鼻锥上。然后用四盏大功率水冷紫外线灯照射在压敏涂料上，使其发出荧光。颜料接触的氧气越多，发出的荧光越少。压强越大，氧气就越多。因此，当爆炸产生的冲击波通过模型时，增加了模型表面的压力，涂料的发光强度就会降低。用高速摄像机以每秒25千赫(或每秒2.5万次)的速度进行了拍摄，采用滤光片来阻挡紫外线，结果是一个阴影从模型的顶部一直延伸到底部，然后当反射的激波经过时，阴影从底部蔓延到顶部。涂料颜色的变化可以根据施加在模型上的压力进行校准。卡蒂亚和她的团队在两天内，共进行了8次爆管测试，并从测试中获得了一些宝贵的经验。例如，当光线较暗，或者至少是多云的时候，测试会收集到更好的数据，因为阳光会干扰涂料的荧光。

总的来说，上述的测试是成功的，只要稍许调整，通过试验就能最终确定如何保护物体免受激波的伤害的方法。

桑迪亚国家实验室的优势

桑迪亚国家实验室同样起源于二战时的曼哈顿计划，1945年建立了其被称为Z部门的前身=，用于未来武器的研发、测试，并在曼哈顿工程中负责炸弹的组装工作。它在1949年以前都由加州大学负责运行，在1979年被委任为国家实验室。1993年10月到2017年5月1日前由洛克希德马丁下属的桑迪亚公司负责管理运行，如今管理权已移交给霍尼韦尔公司，由其子公司桑迪亚国家技术和工程解决方案有限责任公司来运营和管理。

桑迪亚国家实验室是美国能源部和国家核安全管理局(NNSA)任务的承包商，并支持许多联邦、州和地方政府机构、公司和组织的任务。桑迪亚国家实验室主要从事核武器系统中非核部分的研究开发，如设计电气系统保险、解除保险、引爆、发射系统、中子发生器和指挥控制设备等；从事材料、组件及仪器技术的研究和长期开发工作，以提高核武器的威力、安全性、耐受性和可靠性等；并承担能源开发与改进方面的工作，在这方面的最大研究计划之一是强粒子束控制的热核聚变的开发。目前实验室的员工有10000多人。

在这轮美国高超声速武器的研发中，桑迪亚国家实验室能走在最前列，是有其原因的。相比美国其它军工企业来说，它的优势为：

1.桑迪亚国家实验室能长期而稳定地为美国国家最具挑战性的国家安全问题提供创新的、基于科学的、系统工程的解决方案。桑迪亚国家实验室在高超声速武器领域的研发，经历40多年，没有稳定的任务、人才和资金，是不可能成功的。

2.桑迪亚国家实验室成功的一个关键是它十分重视基础科学研究，并注重从基础研究向工程的转化，从而能在解决高高超声速武器问题时提供正确的途径选择和所必需的能力。他们所有研究工作的指导原则是，确保其基础科学和工程的核心充满活力，不断推进知识的前沿，有效地应对当前的任务需求，并预测未来可能出现的国家安全的挑战。

3，桑迪亚国家实验室由于工作的重要性，模范的工作环境，与学术界、工业界和政府的伙伴关系，吸引了一大批有能力的优秀研究人员在创新的前沿工作。

4、桑迪亚国家实验采用了由国家投入而由私营公司管理的灵活而有效的运营体制。

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