美国空军通过900万美元的拨款推动超音速结构研究

美国空军研究实验室已向位于俄亥俄州的ARCTOS技术解决方案公司授予了一项价值900万美元的合同，以开发下一代气动热弹性结构技术，旨在应对高超音速飞行中最具挑战性的未解决工程问题之一。

该合同是在收到两份报价后通过竞争方式授予的，有效期至2031年6月30日，为ARCTOS和空军研究实验室提供了五年的时间，以推进研究飞机结构如何应对高超音速飞行所产生的热负荷和气动负荷的结合。

工作将在ARCTOS位于俄亥俄州比弗克里克的设施以及位于俄亥俄州的怀特-帕特森空军基地进行，后者是空军研究实验室的总部。合同授予时，已拨付2026财年的研究、开发、测试和评估资金144,230美元，其余的900万美元将在执行期间内拨付。

气动热弹性学是一个交叉学科，涉及气动学、热传导和结构力学——这三个领域在亚音速和低超音速速度下可以相对独立地进行研究，因为它们之间的相互作用是可控的。而在高超音速下，通常定义为马赫数5及以上，这种分离完全失效。

在以这些速度移动的飞行器前方，空气加热到超过2000摄氏度的温度，而必须在这种环境中生存的结构面板、前缘和控制面在气动压力下同时变形，在热负荷下膨胀和减弱，并以改变飞行器操控特性和结构完整性的方式与气动流动相互作用。预测高超音速机身在整个任务轮廓中如何响应这些组合负荷，以及在疲劳或热降解损害其结构完整性之前它能持续多长时间，是ARCTOS被支付帮助解决的工程问题。

该合同特别针对空军研究实验室在当前科学状态中识别出的两个能力缺口。第一个是高速度气动飞行器的响应和寿命预测——在飞行器建造和飞行之前，能够建模、模拟并最终预测高超音速结构在操作条件下的行为，从而减少对破坏性测试的依赖及其带来的高昂失败成本。第二个是在高温环境下增强测试能力——地面实验基础设施使研究人员能够将材料样本和结构组件置于它们在飞行中将面临的热和气动条件下，验证预测模型与测量数据的一致性，并在故障模式显现之前识别它们。

气动高超音速飞行器，即利用大气氧气燃烧燃料而不是携带自身氧化剂的飞行器，代表了高超音速设计空间中特定且特别具有挑战性的子集。一个超燃冲压发动机驱动的巡航导弹或打击飞行器必须在大气中持续飞行较长时间，这意味着其结构必须承受持续的热和气动负荷，而不是弹道再入飞行器的短暂强烈脉冲。气动发动机的进气口、燃烧室和排气喷嘴在持续极端高温的环境中工作，同时还承担影响飞行器气动性能的结构功能。

设计能够在整个任务轮廓中同时履行所有这些角色的结构，并在可接受的重量和成本下，是当前工程工具无法完全解决的问题——这正是空军研究实验室资助研究以推进这些工具的原因。