喷射引擎、火箭、以及计算机建模帮助这支英国团队打破时速1,600公里

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Photo: Stefan Marjoram

在英格兰西部布里斯托郊区离威尔士边境不远，一伙工程师正在建造一架机器，他们希望能达成陆地速度正式世界纪录历史上长达一个世纪以来的最大飞跃，从刚超过声速一丢丢提高到时速1,600公里。这差不多是战斗机的巡航速度，但在大气稠密得多的地面上要达到它则相当困难。而且车辆可能一头戳进地面的危险也不可小视。

即使是在打破此种纪录的复杂业务里，Bloodhound(寻血猎犬)代表着在技术、工程、和推进系统方面数量可观的首创，全都是为了能在今年底把这辆导弹形状的车开上南非沙漠中近20公里长的赛道。也许这些首创中最惊人的是该项目验证设计安全的方法。更早期的破纪录尝试依赖于过剩性能、最佳猜测估算、直觉和侥幸，其程度放在今天简直不可想象。早期世代的工程师们经常会通过破坏性测试找出一辆车的极限——一直跑到它跪了为止。而现在设计飞机和汽车的首选工具建模和数据采集正在这个最极端的运动里取得进展。Bloodhound是同类项目里第一个采用它们的。等到这辆车在南非为破纪录放手一搏时，它早已经在硅片上跑了上千次。

该项目是在被称为狗屋的地方成型的，这是一个类似机库的空间，从中间分隔。进门右手边是安置控制中心、救援车、测试架的结构，旁边就是“展示车”，这是一个全尺寸模型，在项目的七年期间已经成为英国各地行业展览上一道熟悉风景。在左手边是该车本身正在成长的身影，其全称是Bloodhound SSC(超音速寻血猎犬号)。本文开始撰写时，它的完成度才刚过一半。

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需要若干装配：罗罗喷射引擎缓缓就位[上、右下]。捷豹V8引擎[左下]会把过氧化氢泵入火箭(未示出)。

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驾驶员Andy Green端坐在装甲驾驶舱中。这里的显示面板包括他自己的一个设计。

团队的核心是目前的纪录保持者车手Andy Green(目前是皇家空军战斗机飞行员中校)，项目主管Richard Noble，和空气动力学家Ron Ayers。在1997年Green成为第一个在陆地上突破音障的人，在内华达州黑石沙漠驾驶Thrust SSC(超音速推进号)创下时速1,228公里纪录。再上一次纪录是时速1,019公里，由Noble在1983年驾驶Thrust II创造。在所有的测试中，需要在规定时间里反方向来回跑两次，取平均速度。

Bloodhound项目的初步目标是在2015年底前打破Green的现有纪录。其次是对2015年试跑进行工程审核以及可能的大修后，把纪录推向新领域，在2016年达到时速1,600公里。第三是像六七十年代阿波罗计划对于Noble那代人一样，激励更多年轻人投身于工程。

最后这个目标几乎纯属偶然。Bloodhound的前身Thrust SSC由喷射引擎驱动，装备两台从皇家空军退役的幻影战斗轰炸机上拆机的罗罗斯贝涡扇。Noble和Green知道这种布局不足以创造新纪录。两台引擎太重，而且老旧的斯贝功率也不够。在项目开始时，唯一满足推重比需要的单喷射引擎是台风战斗机的动力装置罗罗Eurojet EJ200。但即便在当时也很明显，突破音障的努力还需要采用第二推进系统——一枚火箭。

但是你不能在公开市场上采购一台新的EJ200，在淘宝上也找不到任何剩余装备。弄一台到手的唯一途径就是好声好气地求人。因此Green和Noble在2007年和英国防卫部接洽，请他们批一台。答复是他们可以借一台，但条件是把项目和教育工作相结合。

作为结果，Bloodhound展示车已经在英国几百所学校巡回展出过，还出访了很多南非学校。与此同时，该车的试跑会史无前例地公开，车载传感器的数据会实时串流上网。

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喷射引擎发动汽车，火箭创造纪录；两者和燃油管安装在一起，油管本身的泵需要V8引擎驱动。在每一阶段(亚音速，音速，超音速)车辆必须保持空气动力中性，既不飞起也不趴下。

作为另一个首创，Bloodhound搭载了三台引擎。从静止到时速约650公里，EJ200唱主角。超过这个速度，一组由挪威Nammo公司供货的火箭会加入推力。这些是混合型火箭，燃烧的固体燃料是合成橡胶化合物，氧化剂则是高浓度过氧化氢(HTP)。泵取HTP喷入燃烧室的燃料泵则由第三台引擎驱动，这是一台捷豹上用的8缸5.0升机械增压内燃机。

这个设计结合了动力和可控性。喷射引擎可以上下节流，作为战斗机飞行员的Green对此操作非常熟悉。混合式火箭也是在一定程度上能节流的：它的推力与压入燃烧室的HTP压力成比例，而捷豹引擎提供的输出范围则能实现这点。实际上，Green在火箭点火后不会调节氧化剂流量，但他可以关掉HTP来关闭火箭。

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想象如风：计算机建模让设计师们不需要在音障等每个关键速度进行破坏性测试。可以看到音爆在车鼻形成[图1、2]。面板在适当的空速部署增加制动力。[图3、4]

Bloodhound还有三个刹车系统。第一个部署的会是一对空气刹车，它们在接近尾端的车体侧面伸出。这些巨大的穿孔面板由气动操作，通过机械连接保持两侧张开同样角度。它们会将车速降至时速1,080公里，这时Green会释放两个和飞机上用的类似的阻力伞，把时速降低至320公里。从这里开始，该车会使用前轮上的常规刹车直到停止。

车轮刹车是显示项目要求如何影响开发的一个例子。尽管它们只在车辆停下的最后阶段才会使用，但刹车碟和车轮一起旋转，因此在最高时速时它们的转速高达每分钟约10,500转。团队测试了台风战斗机的刹车碟，但它们干不了这活。任何碳纤刹车碟也不行。即使是最坚硬的型号，在旋转测试中也会在接近关键速度时粉碎成渣渣。系统工程师Joe Holdsworth回忆道：“我们不得不用吸尘器把所有的渣渣和粉末从测试架里清出来。”

唯一能应对压力的刹车碟是钢质的，它可能会变形，但是足够廉价，坏了就丢。

这是工程师们使用破坏性测试设计Bloodhound上某部分的屈指可数几次之一。与之前大多数陆地速度纪录尝试呈鲜明对比的是，该团队使用计算机模拟结合传感器数据来测试他们的设计师是否足够健壮。Thrust SSC在九十年代首创该技术，但程度要小得多：风洞和火箭滑橇测试支持了某些计算机模拟，车上装了一些传感器，但比Bloodhound搭载的要少得多。

以车轮为例，它们将是世界上转速最快的车轮。当车跑到时速1,600公里，轮辋上的材料会承受约50,000g。直径略小于1米的车轮由整块实心金属制成，轮辋加工成浅V型截面切入沙漠地面。

团队最初认为车轮必须用钛制造，但有限元分析(模拟固体结构承受的应力)表示适当锻造的铝强度足够。因此Bloodhound的设计者们决定采用掺入微量锌铜锰的航空级铝合金。

因为在关键组件上并未完全相信计算机模型，他们策划了两个系列的测试来确认铝合金车轮能顶用。首先，工程师们把车轮装在拉了3.5吨水的拖车上以模拟注满燃料的整车。团队牵引拖车开过沙漠中用于打破纪录的场地：南非西北角的Hakskeen Pan。用一辆小型卡车做牵引车，他们把拖车开到时速约60公里，足以测试车轮在低速下的载重能力。

工程师们还把车轮装在罗罗测试喷射引擎压缩碟的装置上。Holdsworth说：“金属是一种非常均匀的材料，也能被很好地建模。我们用激光测量装置监控轮辋处的拉伸和轮毂的变化，有限元分析预测的拉伸和我们所见相匹配，包括空气摩擦导致的升温效应。”

测量和建模之间的这种一致给了Bloodhound工程师们对计算机更大的信心，他们已经用其设计了车上包括尾鳍的所有结构部件。机械设计工程负责人Mark Elvin说：“这是史上工作最艰苦的尾鳍。不一定是最快的，但相对于四万五千英尺高空超音速飞机的尾鳍，它就像是在糖浆中穿行。”

Elvin和同事们使用了有限元分析和计算流体动力学(CFD)的组合，后者对气流建模并预测其在组件上产生的应力。其结果使团队有信心铝合金尾鳍能坚持下来。

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手套般贴合：用空心钛合金成型的方向盘轻巧而强硬，万一计划的笔直航线出错，也足够承受野蛮操纵。

Bloodhound的整个结构——铝肋框支撑的上部机架钛蒙皮；设计用来承受沙漠沙石超音速喷溅的钢质下部机架；包裹驾驶员并构成EJ200进气道的碳纤壳体——都穿透了数百个毫米直径的孔。这些微小开口通往固定在蒙皮内表面的压力传感器。其它传感器包括布置在车体结构要点上的应变计网络。

Bloodhound开动时，这些传感器加在一起会收集197个数据频道，在其掠过沙漠时测量空气压力和车身扭曲。Holdsworth说：“压力传感器放置于气流改变方向的高过渡区。我们使用为航天设计的传感器，它们适用的压力比我们跑到1.4马赫所经受的甚至还高得多，这个压力在车头大约是每平方米12吨。”

Elvin补充道：“我们甚至在轮舱里也放了压力计，因为企图用CFD来给每分钟10,500转的车轮周围的气流建模——空气从前方进来，加上被车轮甩起的碎屑——是非常、非常困难的。但是让工程师们知道发生了什么是很要紧的。我们会检查压力是否保持在设计限制，因为如果不是，拱顶就会破裂或爆开，而全部的空气和碎屑都会甩向后方。”为了防止这样的灾难，Bloodhound安装的面板强度足够抵挡拳头大小的碎片从车轮断下所造成的冲击。

每次试跑结束，计算机会下载所有传感数据。工程师然后把数据和同样速度下的数值模拟相比较，察看是否有任何差异。Elvin说：“只要我们靠近预期值，我们就知道下一次试跑可以安全地提高速度。”

例如，如果压力传感器显示超过预期的升力或下压力，再开更快车就会飞起来或者插入沙漠地面。为了避免如此，车上的两组空气动力小翼可以重新定位。Elvin解释道：“我们有把它们上下偏转5度的选择，”但它们不能自动调整，相反，团队会计算出给定速度下小翼应该放置的角度，驾驶员再输入决定好的任何数值。

Thrust SSC使用了类似的传感器系统，虽然程度上比Bloodhound少得多。Elvin说：“在初期，斯旺西大学团队通过我们的CFD软件重跑Thrust SSC的压力传感数据。因为我们知道这些数据是真实的，我们就可以用它来测试我们的软件。”

来自bloodhound的应变计数据也会与有限元分析应变模型进行类似比较。差异能很好地指示出需要加强的区域。在Thrust SSC主要的应变问题在于方向盘：Green必须把方向盘左右扭转才能让车跑直线，而且有一次他还把方向盘整个拧了下了。

Bloodhound的方向盘是3D打印的空心钛合金——轻巧、高强而且按照Green的手型成型；虽然Bloodhound预计会比Thrust跑得更直，团队希望这个方向盘能承受任何压力。Green的驾驶舱仪表包括他自己设计的一个显示器，显示速度、距离，以及赛道剩余时间。它使用GPS数据和车载传感器不断计算速度和位置，会给Green清楚地指示何时必须发动火箭、空气刹车、以及减速伞。他说：“我按下按钮，就知道我能在赛道尽头停下来。”

Green把驾驶舱称为他的办公室。有那么几分钟时间，这将是整个地球表面上速度最快的工作场所。

本文译自 IEEE Spectrum，由 王丢兜 编辑发布。

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