NASA高超音速飞行中的温度和应变测量技术

美国宇航局（NASA）设计的一种用于测量高速飞行器温度和应变的系统，计划在今年夏天搭载两枚研究火箭进行首次高超音速飞行测试，速度将超过5马赫，即音速的五倍。

3月26日，位于加利福尼亚州爱德华兹的NASA阿姆斯特朗飞行研究中心环境实验室的技术人员，使用称为振动台的设备对名为光纤传感系统（FOSS）的技术进行了振动测试。测试确认FOSS在承受火箭发射的震动力量时仍能正常运行。2024年的初步实验室和飞行测试进展顺利，导致最近测试的系统被用于美国国防部协调的研究火箭上，以测量关键的温度安全数据。

高超音速传感系统对于推进高超音速至关重要，高超音速是航空领域一个可能改变游戏规则的领域。利用数十年的研究，美国宇航局正在努力通过其先进飞行器计划，解决高超音速发动机技术的关键挑战。

使用FOSS系统，NASA将收集有关飞行过程中施加在飞行器上的应变的数据以及温度信息，这有助于工程师了解火箭或飞机的状况。FOSS系统使用大约人类头发粗细的纤维收集数据，该纤维沿其长度收集数据，取代了更重、更笨重的传统线束和传感器。

2025年2月13日，乔纳森·洛佩兹和艾伦·帕克在美国宇航局位于加利福尼亚州爱德华兹的阿姆斯特朗飞行研究中心，对高超音速光纤传感器系统进行了研讨。该系统测量应变和温度，这是高超音速飞行器的关键安全数据，飞行速度是音速的五倍。

“在高超音速环境下，没有可靠的技术可以在单根光纤上集成多个传感器，”阿姆斯特朗FOSS项目经理帕特里克·陈表示。“FOSS系统是高超音速研究的范式转变，因为它可以测量温度和应变。”

几十年来，NASA阿姆斯特朗一直在开发和改进该FOSS系统，最终在2020年推出了高超音速FOSS。NASA阿姆斯特朗高超音速技术项目副项目经理克雷格·斯蒂芬斯预见到需要系统和传感器来测量高超音速飞行器上的温度和应变。

“我挑战FOSS团队开发一个耐用的数据采集系统，该系统在尺寸、重量和功耗方面有所减少，”斯蒂芬斯说。“如果我们从一根FOSS光纤中获取多个读数，这意味着我们在飞行器中减少了电线的数量，有效地节省了重量和空间。”

研究工作不断使系统变得更小更轻。虽然2022年用于NASA低地轨道任务的太空级FOSS大约有一个烤面包机那么大，但高超音速FOSS单元大约有两个黄油棒那么大。

乔纳森·洛佩兹和内森·里克在加利福尼亚州爱德华兹的美国宇航局阿姆斯特朗飞行研究中心的环境实验室，为FOSS系统进行振动测试。在一台名为震动台的设备上进行的测试证明，该系统能够承受高超音速飞行中会遇到的剧烈振动，即以五倍音速的速度飞行。

成功的合作伙伴关系

为了推进高超音速开源软件（FOSS）的测试飞行，美国宇航局阿姆斯特朗技术转移办公室负责人本·汤姆林森组织了一项合作。美国宇航局、位于加利福尼亚州爱德华兹的美国空军试飞员学校，以及新墨西哥州霍洛曼空军基地的美国空军第586试飞中队同意在2024年进行六次飞行系列。

试飞员学校选择了一个实验，比较FOSS和传统传感器，研究不同系统产生的数据。高超音速开源技术（FOSS）被集成到固定在吊舱一端的梁上。梁的另一端有重量，使得在飞行器进行测试时可以移动。吊舱安装在T-38飞机下方，该飞机在飞行过程中收集应变数据。“T-38的成功飞行提高了FOSS技术的成熟度，”汤姆林森说。“然而，进行高超音速测试将使FOSS对美国企业更具吸引力，从而实现商业化。”

科研人员正在观察来自NASA阿姆斯特朗飞行研究中心（位于加利福尼亚州爱德华兹）的超音速FOSS系统数据。在一台名为振动台的设备上进行的测试证明，该系统能够承受超音速飞行中会经历的剧烈振动，即以五倍音速的速度飞行。

新的机遇

在与空军进行实验后，美国宇航局的高超音速技术团队寻找其他机会来推进该系统的微型版本。这种兴趣导致了与国防部协调的即将进行的研究火箭测试。“我们对系统充满信心，并期待在高超音速飞行和高空飞行中使用它，”Chan表示。

美国宇航局阿姆斯特朗飞行研究中心在加利福尼亚州爱德华兹开发的高超音速光纤传感系统，已准备好在新墨西哥州霍洛曼空军基地的美国空军第586飞行试验中队的T-38上进行试飞。NASA阿姆斯特朗、飞行试验中队和位于加利福尼亚州爱德华兹的美国空军试飞员学校合作进行了此次测试。