2018, Vol. 39
2. 厦门大学 航空航天学院，福建 厦门 361005
2. School of Aerospace Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China
为适应未来国防和国民经济领域需求，一批新型再入航天器投入研制，速度更高、再入飞行时间更长，对于再入飞行段气动物理效应和新型热防护材料响应认识的需求十分迫切[1~4]。正如美国HTV-2飞行失利后，其项目经理Chris Schulz所说的：“在Ma > 20的飞行条件下，飞行器的空气动力学现象尚存认识上的盲区。”由于缺乏足够充分的再入飞行试验测试技术储备，无法在有限的飞行中获取足够丰富的数据来验证和修正现有理论、方法和模型，在很大程度上制约了新型再入航天器的研制。
在理论研究方面[5, 6]，经过几代航天人的不懈努力，在适应极端再入飞行环境的新理论、新模型、新材料方面取得了一系列成果（如气动环境理论预报模型、新型低/非烧蚀热防护材料与环境耦合作用机制等），具备重大的科学与工程价值，但由于缺乏充分的实验验证数据与手段，始终无法真正服务于工程实践。
在地面试验技术方面，近年来各国投入了大量的人力物力建设了具有一流水平的地面风洞试验设备，但面对再入飞行段流动转捩、新型低/非烧蚀热防护材料烧蚀过程模拟等问题，仍然缺乏有效模拟能力。
在飞行试验研究方面，航天科技的发展带有浓重的工程色彩，鲜有专门围绕科学目标的再入飞行试验研究工作开展，且适用于再入飞行过程中气动物理参数和飞行器热结构响应的飞行测试技术手段极度匮乏。
欧洲为提高对于再入飞行气动物理效应和新型热防护系统关键响应的认识水平，安排了包括IXV（Intermediate eXperimental Vehicle）、SHEFEX（SHarp Edge Flight EXperime）和EXPERT（European Experimental Re-entry Testbed）[7~15]在内的多个真实环境飞行试验计划，并配套研制了大量的特种飞行测试技术对真实飞行环境下的气动环境和热结构响应关键参数进行测试，所获取的飞行数据在欧洲航天器的研制过程中发挥了巨大的支撑作用，其特种飞行测试技术的发展经验，具有很大的借鉴作用。
本文介绍了欧洲典型再入飞行科学实验平台和飞行测试技术的发展现状，以期为相关领域科学与技术的发展提供参考。
2 欧洲典型再入飞行试验项目 2.1 IXV飞行试验[16]IXV飞行试验着眼于利用演示验证系统开展完整的再入系统研究所需的设计、制造和操作能力，通过验证和试验系统能力来测试新技术。IXV试飞器结构如图 1所示，在其烧蚀型硅树脂表面安装了37个压力传感器、194个温度传感器、12个位移传感器、48个应变计和红外热像仪，通过获取压力、温度、应变、红外图像（如图 2 [16]所示）等四大类飞行测试数据，来表征再入飞行过程中的气动物理环境和热结构参数等相应关键信息。IXV已于2015年2月成功完成了飞行试验。
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Fig. 1 Main structure of IXV[8] |
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Fig. 2 Special environment flight test technologies on IXV[16] |
飞行试验过程中，IXV试飞器获取了包括防热层温度变化、飞行器表面温度场、飞行器表面压力/表面摩擦、端头和迎风面装配之间由于局部高热应力造成的不匹配幅度等大量气动环境和防热层响应飞行试验数据，在验证、修正和完善欧空局现有模型与方法，提升新型再入飞行器设计水平过程中将发挥重要的作用。
2.2 SHEFEX飞行试验[12]SHEFEX尖锐前缘飞行试验关注通过较低的成本和较短的周期，对于新型再入飞行器相关的材料、结构、防热、飞行控制、导航制导和空气动力学问题进行集中飞行演示验证。SHEFEX飞行试验重点关注在Ma > 5的高速飞行过程中，飞行器表面温度、压力、热流等物理量的测试，因此飞行器表面安装了140个温度与压力测点，飞行试验后通过分析获取飞行过程中飞行器表面热流、压力等关键参量的分布特征，图 3为SHEFEX飞行验证器上搭载的传感器分布情况。SHEFEX分别于2005年和2012年完成了两次飞行试验，获取了大量的飞行试验数据，为欧洲尤其是德国的再入航天器研制提供了重要的支撑。
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Fig. 3 Special environment flight test technologies on SHEFEX[12] |
基于SHEFEX特种飞行测试技术的研发经验，德国宇航中心研发了一种如图 4 [17]所示的新型复合传感器COMARS+，该传感器集成了热电偶、压力传感器等测试部件，安装于飞行器表面可以同时测试温度和压力信息，飞行试验后，通过分析可以抽取出表面温度、热流、辐射热、压力等关键信息，极大地降低了飞行测试装置的重量和复杂程度，为后续进一步开展研究奠定了很好的基础。
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图 4 New type compounding sensor COMARS+[17] |
欧洲再入飞行试验平台EXPERT，着重研究高温气体效应，其主要目的是为典型环境下的热力学模型、程序开发和地面试验设备提供飞行测试与验证平台，在飞行器表面采用了如图 5所示的十余种特种飞行测试技术，搭载了大量的测试传感器，将于近期开展飞行试验。
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Fig. 5 Special environment flight test technologies on EXPERT[15] |
EXPERT计划是欧洲再入航天器研制的里程碑，这一计划表明了欧空局认识到发展独立自主的技术进入太空的重要性，目前EXPERT地面试验项目已基本完成，并进入全面的工程研制阶段，EXPERT为完成飞行试验数据收集所研发的大量针对气动物理效应和热防护结构响应的特种飞行测试技术，标志着现阶段相关领域的世界先进水平，借鉴其相关研究成果对于再入航天器研制将起到积极的推动作用。
3 EXPERT特种飞行测试技术EXPERT飞行试验的任务主要包括获得高温气体动力学相关的飞行数据（边界层转捩、激波/边界层相互干扰、真实气体效应和等离子效应等）；运用已有飞行数据减少设计余量，验证数值模拟的准确性；为热防护系统研究提供依据，并研究更先进的设备来测量高温气体效应；提高再入和空间运输等相关技术水平等几个方面[13]，其为获取真实飞行数据所搭载的再入气动环境和热结构响应特种测试技术主要包括：流场动压和热流测量、热防护系统背壁温度测量、热防护系统表面催化测量、自然流和湍流诱导转捩、开放翼面流场演变、翼背面红外热成像、边界层化学成分分析、底部流场测量、表面摩擦阻力测量、边界层结构测量等。本文接下来将对EXPERT飞行测试技术中国内现阶段亟需但处于空白的相关技术进行简要分析。
3.1 热防护系统背壁温度测量（Payload 2）测试目的：获取飞行器防热层背壁温度。
测试意义：背壁温度是防热材料服役环境下材料响应的关键参数，同时也是飞行器隔热结构设计的边界。
技术概况：目前的温度测试手段主要有接触式和非接触式两种。接触式以工业热电偶为代表，其具有结构简单、使用方便、成本低和对测量设备要求低等优势；但其测量温度上限一般较低，对高温测量时偶丝的焊接、固定等问题一直没有得到很好的解决，尤其在轨服役测量防热层背壁温度时必须刺穿隔热层，会带来热短路问题，热电偶还会影响被测表面的温度场分布。非接触式测量可以很好的解决上述问题，EXPERT计划研发的如图 6所示的热防护系统背壁温度测量探针就是一种基于光纤高温计的非接触式测量方法[18]。该探针被安装于飞行器头帽后侧边缘位置，其安装方式类似于X-38飞行器，电源与X-38飞行器相同，探针顶部为碳化硅管通管并通过碳密封件与头帽内壁紧密接触，飞行过程中由于与周围空气高速摩擦，头帽温度快速上升产生强烈的红外辐射，辐射信号通过安装在探针顶部碳化硅管中的高温光纤进行采集并传输到后部光纤转换处理成电信号，经解算即可获取飞行过程中头帽背面实时温度分布情况。
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Fig. 6 Test principle of TPS backside temperature[18] |
受欧空局和德国宇航中心委托，斯图加特大学在热防护系统背壁温度测量技术方面开展了大量的工作，其所研发的测试探针如图 7 [19]所示。目前地面模拟试验与标定工作基本完成，已经进入工程配套阶段。
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Fig. 7 TPS backside temperature sensor[19] |
测试目的：获取新型热防护材料表面催化特性。
测试意义：获取真实服役环境下新型热防护材料表面催化特性，完善现有热分析模型，提高新型热防护材料热响应分析与预报精度。
技术概况：再入航天器表面大量采用低/非烧蚀热防护材料体系，这类材料在地面模拟试验当中并不能完全吸收化学焓，造成地面模拟试验与真实飞行过程中材料响应差异较大。不说清催化系数，地面模拟试验很难表征真实飞行热环境，而EXPERT的表面催化测量技术（如图 8 [20]所示）可以很好地解决这一问题。EXPERT计划研发的催化探针主要包括一个碳化硅面板和镶嵌于其上的两块表面催化系数不同的验证材料，该探针安装在飞行器大面积区域靠近头帽附近的区域，通过安装法兰固定在飞行器冷结构上，上表面与飞行器防热层外壁随型，飞行过程中探针表面气体由于高温发生离解，碳化硅面板、两块验证材料表面催化系数的差异导致其表面热流不同，通过测试碳化硅面板和两块验证材料背壁温度可以反算出这种热流差异，进而推导出验证材料的表面催化系数。该测试探针由斯图加特大学空间系统研究所研发，目前已经完成了多次地面模拟验证实验，具备了完成飞行测试任务的条件。
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Fig. 8 Catalysis sensor on EXPERT[20] |
测试目的：获取防热层表面流动与物面摩擦系数。
测试意义：物面摩擦系数是飞行器设计过程中气动力、热估算的基本参数，正确获取真实飞行条件下的该系数具有极其重要而现实的意义。
技术概况：表面摩擦阻力涉及到飞行器升阻比、舵效率、气动热等等多个设计环节，现阶段主要通过经典公式和飞行器气动响应来反推，不能从根本上解决模型验证问题。EXPERT计划研发的侧滑流传感器（如图 9所示）为该问题的解决提供了方案。EXPERT计划研发的侧滑流探针为一个带有相互成一定角度两个通孔的铜质圆柱，安装于飞行器底部附近，在70km高度以下高速飞行过程当中，同时测量探针两个通孔引入的气压和铜质圆柱的温度，并通过实验流体力学分析方法可以获取探针安装位置的表面气体摩擦阻力特性。该项技术为德国HTG公司研发，已经于2015年2月搭载在IXV验证器上完成了飞行试验。
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Fig. 9 Slip flow sensor on EXPERT[13] |
测试目的：确定开放翼面底部流场分布。
测试意义：为飞行器外形设计提供试验依据，验证湍流环境下飞行器表面流场状态计算模型。
技术概况：再入飞行器外表面开放舵面底部的流场呈现高度非线性特征，通过对相应部位防热层表面温度的测试来评估复杂流动区域气动热效应是目前飞行器设计急需的技术手段。但传统的基于热电偶的表面测试方法难以满足高时空分辨率需求，且在有限的区域内大量、密集的排布热电偶将使得飞行器结构强度显著下降，这是飞行器设计所不能接受的。EXPERT计划研发的翼背面红外热成像技术，开创性地将红外热像仪应用于控制舵与大面积封闭区域温度场的测试（如图 10所示），很好地解决了上述难题。该探针的核心部件为三块经过特殊设计并匹配安装于控制舵背面的高温石英透镜，通过地面调试，将控制舵背面封闭区域投影到飞行器内部的红外相机镜头上，飞行器飞行过程中控制舵背面防热层在高温气流冲刷下温度迅速升高，产生红外辐射，辐射信号投影到红外相机镜头上并被记录下来，飞行试验后通过分析即可获取高分辨率的实时温度场分布特征。EXPERT计划研发的翼背面红外热成像技术已经成功应用于IXV验证实验飞行器，并于2015年2月成功完成了飞行试验。
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Fig. 10 Heat flux inside closed flaps IR camera on EXPERT[20] |
测试目的：通过空速管测试边界层流场状态。
测试意义：提高对流动边界层结构与速度梯度的认识水平，对于完善与验证现有气动热力学模型具有重要的意义。
技术概况：目前，对于再入飞行器表面边界层的速度结构还没有传统的飞行测试手段可以测量。EXPERT计划首次尝试将特殊集成的空速管应用于这项关键参数的测试，并在地面试验中取得了成功。EXPERT计划研发的边界层流动状态测量探针（如图 11所示）由15个集成在一起的空速管构成，安装于飞行器大面积区域尾部，通过CFD分析优化，确保在飞行过程中始终有8个空速管在边界层内部。空速管采用碳化硅材料制成，每个空速管内部流道上安装两个气压传感器，分别测试来流动压与静压，通过飞行试验数据后处理，可以由这两个压力推算出空速管入口处的流动速度，15个集成在一起的空速管经过结构优化，即可获取所需的边界层内外流动速度分布数据。
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Fig. 11 Boundary-layer measurements sensor on EXPERT[20] |
测试目的：测试飞行器表面粗糙度对其表面流场状态的影响，测试湍流环境对飞行器表面温度、压力等参数的影响。
测试意义：为飞行器外形设计提供试验依据，验证湍流环境下飞行器表面流场状态计算模型。
技术概况：高速流动边界层转捩是目前流体力学尚未解决的几个经典问题之一，对于新型航天器设计至关重要。EXPERT计划的层流和湍流诱导转捩测量技术由3个尺寸、位置经过详细流体力学设计的耐高温突起物和分布于突起物前后特定区域的15个热电偶共同构成（如图 12所示），布置在机身大面积区域中部。飞行过程中，三个突起物干扰飞行器表面流动状态引发转捩，分布于突起物周围的传感器获取防热层表面温度变化情况，为流体预报模型的验证与修正提供依据。该项技术由德国宇航中心负责研制，目前已经通过地面模拟实验测试。
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Fig. 12 Roughness-induced transition measurement technology on EXPERT[15] |
测试目的：测试开放翼面对飞行器表面流场状态的影响程度。
测试意义：为飞行器外形设计提供试验依据，验证湍流环境下飞行器表面流场状态计算模型。
技术概况：再入过程中飞行器舵面与体身激波相互干扰问题是新型航天器设计过程中一个十分重要的问题，激波干扰会导致飞行器局部表面热流成倍上升，识别真实飞行过程中这种干扰对于气动热的影响规律、验证与修正地面预报模型是各航天大国普遍关心的问题。EXPERT计划在其验证飞行器开放舵面前方防热层表面布置了数十个热电偶、压力探针和热流探针（如图 13所示），用于再入飞行全过程中对表面温度、压力和热流进行实时测试，获取的信息将用于后续新型航天器设计。该项技术由德国宇航中心负责研制，目前已经完成了地面综合实验。
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Fig. 13 Shock interactions around open flaps measurement technology on EXPERT[20] |
测试目的：测试边界层化学成分。
测试意义：验证服役环境下材料与环境相互作用的计算模型。
技术概况：新型航天器再入飞行过程中边界层内气体化学成分对于真实气体效应、催化效应、表面摩阻等都至关重要，是飞行器设计过程中的关键参量，但传统飞行测试技术并未具备该项测试能力。EXPERT计划将光谱分析仪直接搭载在其验证器上用来测试真实飞行条件下的边界层组分，是一次具有开创性的尝试。该系统主要由电子束激励器、光学透镜、光纤和光谱仪构成（如图 14所示），电子束激励器安装于飞行器头部，光学透镜安装于飞行器大面积区域表面。飞行过程中电子束激励器产生电子束射向边界层，边界层内气体受激后发生跃迁产生特征谱线，光学谱线信号通过置于机身大面积区域上的光学透镜进行收集后聚焦于飞行器内部的光纤端头，光纤将光学信号传输给安装于飞行器内部的光谱分析仪进行采样保存。飞行试验后将获取的光学谱线信息与标准原子、分子发射光谱谱线相比对，即可获取边界层化学组分信息。该项技术由德国宇航中心研发，目前已经完成地面综合实验。
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Fig. 14 Shock-layer chemistry measurements on EXPERT[20] |
从欧洲新型再入航天器特种飞行测试技术的发展布局来看，存在如下的发展趋势：
（1）高度重视飞行条件下气动物理环境和飞行器热结构响应关键信息的获取，不惜多次开展飞行试验。
欧空局的新型再入航天器研制工作相较于中、美、俄有着显著的不同，其并不追求短期效益，重在从基础上推动其整个技术体系的跨越发展。对再入飞行过程中的气动物理效应和飞行器热结构响应的深入认识，被欧空局锁定为其新型再入航天器研制首先要解决的关键问题，为验证与修正其现有技术体系的相关理论、模型和方法，欧空局先后启动了IXV，SHEFEX和EXPERT等多项飞行试验计划，集合欧洲科技力量，力争在短期内有所突破。目前IXV，SHEFEX Ⅰ和SHEFEX Ⅱ均已完成飞行试验，SHEFEX Ⅲ，EXPERT飞行试验也即将实施，其对于欧洲相关技术体系的牵引与推动作用将是巨大的。
（2）以科学目标的实现为第一要务，着力发展新型先进飞行测试技术。
面对传统飞行测试手段严重不足，无法满足新型再入航天器再入飞行过程中关键气动物理与热结构响应参数获取需求的情况，欧空局从2005年开始即系统的集中全欧洲科技力量集中攻关研制多种开创性的、全新的飞行测试技术。“十年磨一剑”，2015年IXV的首飞搭载了大量欧空局新近研发的飞行测试技术，其所获取的飞行器表面摩阻、表面复杂流动区域红外热成像等关键数据，是人类历史上从未在同等条件下获取过的，具备重大的科学与工程价值，引起了世界各国的广泛关注。
（3）重视国际合作，充分调动欧洲各国优势资源，共同突破核心关键技术。
欧空局在开发其新型航天器特种飞行测试技术的过程中，高度重视国际合作与资源整合，德国、意大利、瑞典等十余个国家直接参与了研发工作，HTG，RUMA等民营企业也被吸收进了研发团队，且发挥了重要作用。“科学无国界”，欧空局在特种飞行测试技术攻关方面的成功与其开放式的研发体系是密不可分的。可以预见，在以后的新型航天器研制过程中，欧空局也将进一步完善与深化这种研发体系。
基于以上分析，对再入航天器的研制提出如下建议：
（1）充分重视新型再入航天器面临的气动物理效应和新型热防护材料热响应认知水平的提升，着重解决分析模型、计算方法、试验评价手段等的建立与完善。
（2）尽早安排再入飞行试验计划，以“获取科学数据、验证科学方法、解决科学问题”为目标，获取真实飞行环境下的关键数据，尽快解决新型再入航天器设计过程中分析预报方法和试验评价手段可靠性验证的问题。
（3）结合国内再入技术发展需求，借鉴欧洲发展经验，以飞行器表面热流、催化反应热、摩阻等关键参数测试主要目标，大力发展飞行测试技术，攻克耐高温结构及其热密封等关键技术难题，解决由于缺乏飞行测试手段而无法通过有限次的再入飞行试验来获取足够充分的数据以验证与修正地面方法、模型和手段的问题，是目前的当务之急。
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