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DARPA的MACH项目正在寻找新的材料和设计来冷却高超音速飞行器前缘的高温。与普遍看法相反，高超音速飞行并不新鲜。纳粹德国的V-2火箭达到了5马赫，但它不被称为高超音速。直到年，加州理工学院空气动力学专家钱学森才创造了这个术语。年，两级“缓冲”火箭在重返大气层并燃尽之前达到了6.7马赫。年，尤里加加林进行了历史性的轨道飞行，成为第一个以高超音速飞行的人。接下来的一个月，艾伦谢泼德加入了这个独特的俱乐部，当他重返亚轨道飞行时，他的飞行速度超过了5马赫。同年11月，空军少校罗伯特怀特的X-15试验机超过了6马赫。弹道导弹从太空返回时通常达到9马赫；航天飞机脱离轨道，以大约22马赫的速度进入大气层。然而，这些例子大多是短期和固定轨道的，而高超音速导弹遵循不可预测和可调整的飞行路径，对电子元件和传感器施加可变和大得多的环境压力，同时要求它们正常工作。飞机在大气中以超过5马赫的速度飞行(根据海拔高度，大约每小时英里)，这给工程师带来了高温、振动和冲击的巨大挑战。强劲需求。加固技术包括加强电路板设计和元件选择；检查组件。并确保电子元件能够承受超音速飞行的极端振动、温度和压力。“匹配和克服高超音速威胁需要三大领域的技术进步：推进系统；身体材料；位于阿拉巴马州亨茨维尔的加固型计算机专家、阿巴科系统公司的首席技术官罗恩格雷夫斯在年3月的一份白皮书中写道。“虽然大部分研究经费都用于前两个领域，但很明显，嵌入式电子设备的创新和改进是创造全功能高超音速系统的关键。”他定义了嵌入式电子设备在可部署的高超音速平台上需要完成的四个主要功能。任务计算侧重于响应命令，适应不断变化的条件，并确保所有子系统协同工作来完成平台的任务。飞行计算，控制平台的路径，监控传感器的输出，并控制传感器的操作和使用；雷达、光电传感器和电子战的实时信号处理；完善安全的通信指挥控制网络。克服这些困难的努力仍然是美国、俄罗斯、中国、法国、印度、澳大利亚和日本许多研究项目的重点。从军事实验室到学术界到私营公司，新技术正在发展，旧技术正在改进，革命性的设计正在测试，以解决高超音速导弹工程师面临的问题。电路板压力。弗吉尼亚州夏洛茨维尔市诺斯罗普·格鲁曼公司的技术人员正在检查他们的一个导航系统的3D打印流道模具。“以这样的速度，振动曲线的演变将超过目前的标准要求，所以有很多工作要做的印刷电路板，所有的可分离连接器的故障点，并减轻这些故障的影响，这样你就不会有故障，无论是立即或疲劳故障，这是更糟糕的，”伊万斯特鲁尼奇，首席技术官先进包装柯蒂斯-赖特防御解决方案，阿什伯恩，弗吉尼亚州。“高温是另一个领域，”斯塔尼继续说道。“如果导弹以这种速度飞回大气层，它会产生大量热量，所以我们需要材料来保护导弹免受热量的影响。但是你不能完全消除热量，所以导弹内部会很热。你需要能在标准温度范围内正常工作的电子设备，这可能需要独特的解决方案，如真空室均热板散热器或某种类型的液体冷却。”专家表示，他们必须设计出能够承受比VITA47最高标准高10倍的环境条件的组件。VITA47是美国的国家标准，它定义了加固的商用现成(COTS)插件嵌入式计算板能够承受的恶劣环境、设计和构造要求。然而，没有强化的“银弹”来保护高超音速电子设备和传感器。平台上可能有飞行和任务计算机，它们可能有非常不同的要求.史丹利指出。“飞行计算机可能需要通过DO-dalA(机载电子设备最严格的设计保证标准)，这是一个非常高的标准。任务计算机仍然需要被增强到相同的级别，但是设计保证级别对硬件施加了额外的限制，例如识别故障模式。制造业也是一个挑战。Stellani解释说，这些部件不再专门用于军事目的，而是主要用于商业目的。”“许多零件制造商确实有工业温度特性，有时还有军用温度特性，但这种情况很少见。当你在印刷电路板上设计和组装它们，然后在上面安装冷却系统时，一切都需要可靠地工作，比如焊料。这是一个相当深奥的强化专业。这也是研究人员和工程师研究了几十年的问题。在年10月达到6.7马赫的飞行结束时，X-15受到冲击波引起的高热，部分熔化了附在机身上的冲压式喷气发动机塔。外部热量是传感器等外部结构的一个问题，它也会显著提高飞机的内部温度，并可能损坏敏感的电子设备。保形涂层。专家说，在高超音速时保护电子设备免受高温环境的影响，外部温度超过华氏度，几乎肯定要依靠保形涂层。柯蒂斯-怀特公司的新TTC-mdwo-是一种小型双宽度因子数据采集装置(DAU)，设计用于飞行测试仪器应用，如高超音速武器测试。“我们有三种不同类型的涂层：丙烯酸、聚氨酯和聚对二甲苯(或‘苝’)。真空气相沉积薄膜的厚度可达半毫米，可以将电路板上的所有东西包裹起来。”这是终极保护。这可以防止湿气和冷凝，这是在温度急剧变化的情况下必须防止的。”斯特拉西尼说。不管实际的冲击和振动水平以及实际的环境，一旦发布，我们可以在那些极端恶劣的环境中工作，甚至超过当前的加固要求。用于增强耐高温和抗振动的特定技术也将根据电子设备的安装位置而变化。例如，鼻子会经历比尾巴更严酷的温度。柯蒂斯-怀特国防解决方案航空航天仪器集团销售和业务发展副总裁法尔哈德德海表示，设计工程师基本上使用的是过去30年开发的现有技术和设计。这些技术和设计已经得到改进，以提高它们在极端环境中生存的能力。传感器安装的位置也会影响所需的加固程度，例如用于将传感器连接到载体表面的胶水和紧固件的类型。问题是——寻找能承受极端温度的材料，包括从，英尺以上的低温到重返大气层的快速转变，低空飞行时的高热，以及强烈的冲击和振动。因此，研制高超音速导弹的真正困难不是把它推进到如此高的速度，而是确保嵌入式计算系统能够承受极端的温度、重力、振动、湿度和烟火冲击，而不增加导弹的重量或体积。谐振频率下不受控制的能量会迅速破坏整个嵌入式计算系统的组件和连接。一些高超音速平台使用根据高度改变燃烧行为的发动机，这种设计使机械振动的挑战变得更加复杂。格雷夫斯说：“这种创新的推进方案也意味着发动机的振动特性将会改变，进一步使嵌入式电子设计复杂化。”“其他环境因素与高超音速无关，但仍必须根据给定平台的任务大纲加以考虑。商业电子设备。在当今的高技术环境下，特别是在有限的军用高超音速市场上，仅仅为军事目的开发特定应用是不现实的。使用最新和快速发展的商用计算和通信芯片来创建高超音速飞行任务所需的强大、多功能的计算能力就足够了。然而，所使用的商用芯片系统必须具有远远超过民用芯片的强度要求，以确保其在最恶劣环境中的生存能力。高超音速武器在各种极端环境条件下工作，如高温、冲击、振动和高重力。“持续评估商用半导体的发展趋势和创新是一个关键组成部分。达到世界水平的加固措施的持续改进也是如此。支持快速部署的第三个组件是开发高性能、实时嵌入式应用的软件框架，”格雷夫斯写道。Abac的AXIS软件工具包包括对加速开发算法实现、数据移动、进程间通信、图像处理、事件分析和更多功能模块的支持。在平台层面，程序需要强大的嵌入式电子设备来支持所有方面的任务，这使得软件开发成为一项关键功能。”然而，即使是顶尖研究人员和机构之间的合作努力也只能在发展可行的、最重要的是可靠的方法来解决这些问题方面走得很远。对于高速飞行，强度验证仍处于飞行试验的发展阶段。“在飞行测试领域，产品必须比为飞机运行阶段设计的产品更强。所以我们把飞行包线推得比在操作平台上更远，”柯蒂斯-怀特公司的德韦恩说。“对于通常以2马赫飞行的飞机，我们将把测试推进到3马赫，”德海说。“对于超音速，你必须进一步前进；如果我们想达到8马赫，我们将测试到9马赫或10马赫。在飞行测试中，你处于实验模式，你必须做好准备，因为我们已经测量了数千个传感器到纳秒，看看如果出了什么问题会发生什么。在操作环境中，它们不会超过飞机的设计特性。”除了仅在工程领域超音速发展所面临的问题，美国国防部还必须密切

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