新墨西哥州阿尔伯克基——一种每秒飞行一英里或更快的远程导弹——的试射需要数周的计划。因此，尽管美国和其他州正在竞相部署高超音速技术，但这些系统在应对紧急、移动或不断演变的威胁方面有多大用处仍不确定。

桑迪亚国家实验室 （Sandia National Laboratories） 制造和测试高超音速飞行器已有 30 多年，该公司认为，人工智能和自主性可以将已部署系统的几周时间缩短到几分钟。为了证明这一点，桑迪亚今天宣布成立 Autonomy New Mexico，这是一个学术研究联盟，其使命是创建人工智能航空航天系统。

“AutonomyNM 是自主系统技术领域一些最优秀人才的聚会，在一个独特的协作环境中，”桑迪亚国家安全项目实验室副主任迈克尔·伯恩斯 （Michael Burns） 说。“我们预计它将对许多研究领域产生重要影响。”

AI 可以加速飞行规划

高超音速助推滑翔飞行器（桑迪亚测试的类型）乘坐火箭发射到太空，然后分离并仅使用其动量穿过高层大气，最后坠落回地球和目标。

“在极速下，飞行的计划和编程极具挑战性，”领导该联盟的桑迪亚高级经理亚历克斯·罗斯勒 （Alex Roesler） 说。

理论上，人工智能可以在几分钟内生成高超音速飞行计划供人工审查和批准，而半自动驾驶飞行器可以在几毫秒内在飞行中自我纠正，以补偿意外的飞行条件或目标位置的变化。监控飞行的人类可以随时通过关闭航向校正功能来重新获得控制权。

自动驾驶汽车等自动驾驶技术旨在无需人工干预即可执行复杂的任务。它们需要一系列协同工作的广泛技术，包括高级计算、人工智能和机器学习算法、传感器、导航系统和机器人技术。

Sandia 主导的合作将全国各地在这些领域的领先专业知识与自身在高性能飞行器方面的知识相结合。Sandia 制造用于研究目的的高超音速滑翔飞行器，并运营高超音速风洞。

与 Sandia 合作的成员代表佐治亚理工学院;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;和犹他州立大学。

AutonomyNM 集结参加第一次会议

该联盟今天在新墨西哥大学校园举行第一次全体会议。在为期两天的时间里，成员们将展示实验结果，提出新想法，并讨论实现共同目标的进展情况。

Roesler 说：“AutonomyNM 的研究目标与正在研究的自动驾驶汽车和其他自动驾驶系统技术的目标相似，我们正在建立这一基础。“不幸的是，你不能把为汽车开发的算法放到高速飞机上，所以我们正在与合作伙伴合作，为新的应用创造新的技术。”

AutonomyNM 更广泛的雄心是通过开发可能在自动驾驶运输、制造、太空或农业等领域带来更安全、更高效的机器人的想法，成为其他行业的源泉。如果该小组达到其目标，它将创建计算算法，将 12 小时的计算压缩到一毫秒，所有这些都在一台小型机载计算机上完成。

Sandia 的目标是到 2024 年完成新型自主飞行系统的基础技术。除了高超音速飞行系统，AutonomyNM 还计划探索自主性在航空航天中的其他应用，强调应对国家安全挑战的解决方案。

AutonomyNM 在一定程度上效仿了国防部等其他政府机构形成的类似合作。这个由桑迪亚领导的组织在关注学术合作和开发为高超音速飞行定制的自主性的目标上有所不同。

高超音速的未来

府基础设施来扩大现有的、强大的私营部门，该部门已经在促进高超音速技术的快速发展。NASA 可以专注于它最擅长的事情 — 突破科学和探索的界限 — 而私营企业则继续开发使高超音速飞行成为现实的系统和技术。在 NASA 阿姆斯特朗飞行研究中心，飞行机会计划已经证明了这种模型的影响力。在 2023 财年，NASA 在飞行中测试了 31 个有效载荷，并从 6 家商业提供商那里购买了 20 次飞行。正在测试的技术范围从在野火季节帮助消防员的通信系统到将用于未来月球任务的技术。这些伙伴关系不仅对 NASA 有益，而且对美国西部地区也有实际影响，我们每年夏天都会在那里面临严重的野火。将这种合作引入高超音速将开辟无数机会，使我们的社区受益。

MACH 计划以这一成功为基础，为 NASA 建立了一个正式的结构，以便在商业高超音速飞行中飞行其有效载荷。这些飞行测试不仅仅是风洞和模拟，还将提供实际条件下的真实数据。在我所在地区的航空航天中心，如 NASA 阿姆斯特朗飞行研究中心、爱德华兹空军基地（在那里进行了历史性的飞行测试）和莫哈韦航空航天港，我们亲眼目睹了飞行测试如何推动创新。这些设施通过使用飞行测试来推进航空航天技术，从用贝尔 X-1 打破音障到今天开发商用可重复使用的高超音速测试车辆，都有悠久的历史。

通过全面拥抱商业高超音速行业，NASA 可以继续突破可能性的极限。MACH 计划为这种合作伙伴关系奠定了基础。在两党的支持和日益增长的紧迫性下，这项立法不仅仅是一项政策，而是一个启动平台。NASA 与私营部门携手合作，有能力塑造明天的天空。美国将通过创新和开发下一代高超音速技术来打破新的障碍，以世界前所未有的速度将我们的遗产发扬光大。

选择燃料以便于储存

Draper 发动机使用非低温过氧化煤油燃料组合，与使用液氧的发动机相比，该组合提供了更简单的存储解决方案。非低温燃料在室温下保持液态，可用于某些太空推进应用，例如推进剂需要长时间储存的月球着陆器。“Draper 将固体火箭发动机的可存储属性与液体发动机的主动油门控制和油门范围相结合，提供了高超音速防御所需的机动性和灵活性，”Laurienti 说。

“对于响应式高超音速拦截器之类的东西，你需要能够在接到通知后立即飞行。因此，我们选择推进剂的目的是在保持性能的同时做到这一点，“他说。他解释说，闭式循环架构意味着煤油可以完全关闭，发动机可以在仅分解过氧化氢或过氧化物和煤油的情况下运行。“Draper 可以将最大功率节流到 10% 以下，这对于高超音速的终端相位或着陆在非地球表面等应用来说非常好。”Ursa Major 的另一款产品——5000 磅推力的液氧和煤油 Hadley 发动机——于 3 月首次飞行，为 Stratolaunch 高超音速测试飞行器提供动力。

Laurienti 表示，Draper 的目标客户是希望开发模拟高超音速威胁的测试目标的客户。该发动机还将用于太空应用，例如需要高脉冲机动或轨道插入地月空间的轨道转移飞行器。

风洞和激光器为桑迪亚国家实验室提供高超音速试验场

新墨西哥州阿尔伯克基 — 速度关乎速度，桑迪亚国家实验室拥有高超音速风洞和先进的激光诊断技术，在帮助美国国防机构了解与飞机飞行速度是音速五倍相关的物理学方面处于有利地位。

随着潜在对手报告称，他们自己的计划在开发可以以 5 马赫或更高速度飞行的飞机方面取得了成功，因此美国开发自主高超音速系统是国防的首要任务。

这使得桑迪亚航空科学系的航空航天工程师 Steven Beresh 和他在高超音速风洞的同事最近很受欢迎。

“以前，人们的态度是高超音速飞行需要 30 年的时间，而且永远都是，”风洞首席工程师 Beresh 说。“现在有了国家的需求，就需要明天。我们变得非常忙碌。

隧道中的寒冷

空气嗖嗖作响，然后是隆隆声，然后是电声嗡嗡声。空气以 5、8 或 14 马赫的速度沿着隧道吹至真空，具体取决于压力设置，该过程持续约 45 秒。Mach 5 喷嘴使用高压空气（氮气加氧气）。单独使用氮气以更高的速度，并且可以加压至每平方英寸 8,600 磅。相比之下，汽车轮胎的推荐压力通常在 30 到 35 psi 之间。势能如此之多，氮气必须储存在 1 英尺厚的墙壁后面的掩体中。

一个模型——通常形状像可能用于飞行器的圆锥体、圆柱体或尾件复制品——被放置在隧道直径为 18 英寸的测试部分。由于必要，该直径为 4 到 5 英寸的模型不是全尺寸版本的精确复制品，但可以处理各种仪器、几何形状变化和旋转测试。风洞工程师的部分工作是了解这些缩放问题。

在测试部分内部，温度会变得非常低，因此每个马赫数都有的电阻加热器可以加热气体并防止气体冷凝。没有热量，空气或氮气在风洞中会变成冰。加热器的工作原理基本上就像非常大的吹风机——3 兆瓦的吹风机——可以在隧道开始时将空气温度提高到 2,000 华氏度以上。当空气或气体到达测试室时，温度可以降至零下 400 华氏度。

高超音速的物理学

在讨论桑迪亚对高超音速研究的贡献时，Beresh 提到了解决“高超音速问题”，该问题基本上是试图掌握空气如何以大于 5 马赫的速度流过物体的物理学。

“在高超音速下，物理学非常困难，”Beresh 说。空气和气体的反应与亚音速的反应不同;材料被置于极端温度和压力下;此外，指导机制也需要承受这些压力，这带来了额外的挑战。

“我们有一些信息，但信息不够，”他说。“我们主要在处理重返大气层的车辆。以前，我们的想法是让车辆存活下来;现在，它需要蓬勃发展。我们正在努力克服它。

桑迪亚高超音速研究的一个主要优势是团队。“要真正对高超音速研究产生影响，需要了解高超音速飞行器的人、了解流体动力学的人、了解测量科学的人和了解计算机模拟的人之间的合作，”诊断科学的机械工程师丹尼尔·理查森 （Daniel Richardson） 说。“这就是你开始理解潜在物理现象的方式。”

测量的结合

“正是这些测量与风洞能力的结合，使桑迪亚成为全国性的利基市场，”Beresh 说。“而且你必须有能够同时做这两件事的人。”

“Sandia 一直处于开发新测量技术的最前沿，”Richardson 说。“我们一直在努力提高测量能力。”

Sandia 正在使用先进的激光器来测量气体通过模型的速度、气流方向、气体的压力和密度，以及热量如何传递到模型。

“有时，这是关于你能到达物体表面多近，才能看到气体以该速度如何反应，”理查森说。“不仅在模型前面，而且在模型后面。最终目标是随时随地测量一切。

冻结时间

激光通过测试部分的矩形窗口对准，允许进入的光线测量内部的气流。近年来，随着在飞秒时间尺度上运行的激光器的商业化，新的测量功能成为可能。这相当于 10-15秒，或 10 亿分之一秒的百万分之一。

“这些激光脉冲的时间非常短，但强度非常高，”Richardson 说。“在飞秒时间尺度上，几乎所有的运动都停止或冻结。”通过将飞秒激光器耦合到高速相机，每秒可以进行数千次测量。

“这种尖端设备使 Sandia 能够从每次风洞运行中提取比以前更多的数据，”Richardson 说。

开发和验证

与 NASA 或空军的大型风洞相比，桑迪亚的高超音速风洞使用起来相对便宜，但测试对开发建模和仿真能力大有帮助。Beresh 和 Richardson 说，它将实验与计算相结合，以推动科学向前发展。

桑迪亚的风洞有着为国家做出贡献的悠久历史;实验室的第一个建于 1955 年。即使在当今工程实践的计算仿真时代，风洞也是航空航天技术的关键。

“我们正在进行更准确的测量，因为我们一直在努力推动这种能力，”Richardson 说。“高超音速风洞和测量科学是桑迪亚研究的重要组成部分。它是未来能力的试验场。

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