2.2 国外近空间高超声速基础研究情况
提及高超声速技术，人们除了认同其革命性、颠覆性、改变游戏规则等意义和作用外，普遍认为大气层内高超声速飞行是最为复杂和危险的飞行区域。经历了半个多世纪的艰苦努力，高超声速技术还未能修成正果，究其根本原因是对高超声速气体动力学、超声速吸气式推进、高温材料及结构等基础问题认识不足，尤其是伴随着项目的起起落落，相关基础研究也未能得到持续支持。
美国NASA于2006年启动“基础航空项目”（Fundamental Aeronautics Program，FAP），其中高超声速技术为其四大方向之一，旨在为发展更宽范围的吸气式空间进入和大质量星际再入飞行器使能技术奠定基础，重点关注两级入轨吸气式推进技术、轻质可重复使用一体化机体和推进结构、经物理验证的集成多学科设计工具（见图10）。
图10 FAP中的高超声速研究项目[51]
该项目开展了大尺寸（10X）超燃冲压发动机试验技术（LSSET）研究，发展了与全尺寸进气道具有相似性能的截短长度内转式进气道的设计方法；针对涡轮基组合循环发动机技术，研究了进气道性能和服役特征、模态转换及其相关的进气道动力学，确保进气启动顺利、模态转换平稳的控制策略，利用超燃发动机与涡轮发动机和喷管的集成开展了系统模拟试验。针对可重复使用机体与热防护系统，研究了绝热体与飞行器主承力结构的粘接和机械连接方法，改进了航天飞机隔热瓦/毡体系性能，发展了热防护与主结构分离的金属或陶瓷基复合材料支撑式热防护系统设计方法，设计了兼具机械和热载荷承载能力、能与主结构分享机械载荷的承载式热防护系统，并制备出可用于飞行载荷试验的平板样件；针对陶瓷基复合材料开展了建模分析方法研究，不断完善对CMC行为的建模和物理理解，改进耐久性和拓展寿命。开展了吸气式两级入轨飞行器的设计方法研究，发展了多学科分析与优化工具，包括一体化设计和工程分析环境、高置信度推进和飞行器分析方法。
2008年，美国国防部组织美国空军、NASA和SNL联合实施了国家高超声速基础研究计划（NHFRP）[52]，研究内容涉及飞行器周围气动热力学环境的建模和模拟、高温材料的设计方法以及飞行器表面与周围流场环境间复杂相互作用的建模和控制，旨在为更多技术、系统性研究或物理现象提供基础性理解。NHFRP重点关注高超声速飞行关键且独特的六个科学领域，包括边界层物理、激波流动、非平衡流动、超声速燃烧、环境结构与材料的交互、高温材料和结构，并确定了各重点领域的近期（2010）、中期（2020）和远期（2030）科学目标（见表1）。
以科学为导向的飞行数据非常有助于理解实际飞行条件下关键物理现象，并为验证地面试验和数值模拟结果及外推到飞行条件提供重要的依据。考虑到一些大型飞行试验专注于技术概念单次演示，很少有机会从最终的飞行数据得到新的科学认识，2005年，美国和澳大利亚联合实施“高超声速国际飞行研究试验”（HIFiRE），计划通过九次飞行试验（见表2），收集科学数据，解决多种高超声速科学挑战，也希望为航天科学家和工程师提供飞行研究经验。HIFiRE-1、HIFiRE-2和HIFiRE-3获得了成功。HIFiRE-5由于推进系统异常故障未能达到所设计的试验马赫数，但仍在预期实验窗口以外提供了飞行数据。
表1 NHFRP相关技术领域的近期、中期和远期科学目标[52]
表2 HIFiRE九次飞行试验的主要任务和科学目标[53]
2014年8月，HIFiRE计划有所调整，HIFiRE-7、HIFiRE-5B、HIFiRE-4、HIFiRE-6、HIFiRE-8等五次试验计划在两年内完成，HIFiRE-8的发射也将标志HIFiRE项目第一阶段结束，并计划在2015年启动HIFiRE项目第二阶段工作，为期八年，其目标是在2024年前为美国和澳大利亚空军提供决定性的、快速响应的战术能力。事实上，截至2019年12月，仅完成了HIFiRE-7、HIFiRE-5B和HIFiRE-4的飞行试验。2015年3月，HIFiRE-7在挪威安岛火箭靶场进行飞行试验，在完成亚轨道飞行和再入大气层后，有效载荷加速超过Ma 7，超燃发动机开始工作。在再入大气层期间，在飞行结束前的试验窗口期间，地面站没有收集到遥测信号，来自有效载荷的飞行数据流正好丢失了15秒。首席科学家表示：“尽管没能收到整套数据，但大部分新技术工作完美。”2016年5月，HIFiRE-5B飞行实验在澳大利亚南部取得成功，飞行器达到最大高度278千米，最大速度Ma 7.5。2017年7月，HIFiRE-4在澳大利亚南部武麦拉靶场成功进行飞行试验，最高速度达Ma 8。《航空周刊》透露，其中一架试飞器在与探空火箭分离后很快与地面失去联系，未能按计划完成其预定试验任务。
美国空军科学研究办公室（AFOSR）是美国空军基础研究的管理者，其投资基础研究的任务是发现、塑造和支持那些深刻冲击未来空军的基础科学。AFOSR近期资助的许多专题都与高超声速密切相关，并通过大学个体资助模式寻求革命性科学突破，促成空军与大学的合作；通过多学科大学联合研究计划（MURI）模式吸引顶尖研究人员，鼓励高起点、高水平的多学科合作；通过小企业技术转移资助计划（STTR）促成大学与企业界的合作，加速技术创新。在高超声速和湍流领域，重点关注“气动热力学”和“湍流与转捩”两个问题。气动热力学的目标是确认、建模和探索湍流与高速流动中的关键物理现象，强调能量转换，主要研究激波控制流动、非平衡流动和气体-表面交互作用；湍流与转捩的目标是发展未来需求的基础流体物理知识库，强调转捩不稳定性、感受性、粗糙度效应和射流爆裂，主要研究边界层物理、湍流基础、感受性和非稳定性。在低密度材料领域，重点发展大幅度减少系统重量同时不断增强性能和功能的先进材料技术，即提高“比性能”，其途径包括结构轻量化、多功能化和设计材料，涉及科学领域包括材料合成和先进工艺、复合材料与混杂材料、纳米结构材料、界面效应、多尺度材料建模和表征等，希望在传统复合材料基础上进一步减重，结合具体需求建立所需最优化性能自下而上的材料设计方法，通过设计可以耦合更多结构和功能的材料实现系统减重。在极端环境下的空天材料领域，通过发现和表征可承受极端环境的材料，获取可增强未来空军技术革命性进步的基础知识，研究领域涉及发现新材料的理论和计算工具，包括陶瓷、金属、混杂材料（复合材料），预测材料科学定量化微结构的数学、高强度环境下的材料物理和化学，应对极端环境下复杂组合载荷的试验与计算工具，尤其针对高超声速飞行器气动载荷和推进系统带来的极端服役条件，利用锆、铪基等难熔金属化合物突破“硅基被动氧化机制”可重复使用温度限制，考虑服役环境与材料响应的耦合机制，关注材料远离平衡态行为、材料表面损伤行为、能率变化条件下损伤行为以及动态界面行为。
为了进一步推进高超声速基础研究，2009年美国空军与NASA联合成立了三个国家高超声速科学中心，以支持基础科学和应用研究，进而增进对高超声速飞行的理解。①国家高超声速组合循环推进中心由弗吉尼亚大学牵头，联合匹兹堡大学、乔治·华盛顿大学、康奈尔大学、斯坦福大学、密歇根州立大学、纽约州立大学、北卡罗来纳州立大学、阿连特公司GASL分部、国家标准与技术协会和波音公司，汇集优秀的高速反应流建模人员，开发先进的计算模型和仿真工具，预测组合循环流动物理特性，利用中心特有的设备和先进流场诊断技术，为开发和验证组合循环流动物理特性模型提供详细的数据集。通过建模人员和试验人员联合促进对典型模态转换及组合循环推进的超声速/高超声速流动状态的理解，解决高超声速组合推进系统的共性问题，团队协作效果远远超过单独研究的成果。②国家高超声速材料与结构科学中心由Teledyne科学与成像公司牵头，联合加州大学圣芭芭拉分校、科罗拉多大学、迈阿密大学、普林斯顿大学、密苏里科技大学、加州大学伯克利分校和得克萨斯大学阿灵顿分校，建立一个可以充分进行学科交叉和协作的网络，希望通过创造新型混杂层级材料彻底革新高超声速飞行器设计。相关基础科学研究包括在特定结构中组合不同材料的新方法，使材料性能控制机制能够直观呈现的新型实验方法，以及能够在不同尺度下高置信度仿真这些机制的模型等；新的工程科学包括网络状工艺新方法以及将试验和缩比模型集成一个真实的试验系统，该系统将改变材料的设计和校验方法。③国家高超声速层流-湍流转捩研究中心由得克萨斯农机学院牵头，联合加州理工学院、亚利桑那大学、加州大学洛杉矶分校和和凯斯西储大学，希望扩展并增强相关高超声速物理特性并确定全域内主要不稳定型的理论框架，通过基础稳定性试验，为理论框架提供全面的验证，建立并验证转捩控制的策略。主要工作是研究非稳态模态竞争、感受性和因热化学非平衡、表面化学特性、切削加工和表面粗糙度等产生的影响。这些问题相互联系，在中心通过一个预测和控制系统方案进行综合。