学科前沿论文

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姓名刘清扬

班级01811101

学号1120110217

学科前沿论文

—关于高超声速飞行器

刘清扬

高超声速飞行器的研究背景

多少年来,飞向太空，飞得更高，飞得更快，一直是人类孜孜以求的梦想。然而人类真正的飞行史仅有百年。有清楚文字记载的人类首次飞行在1903年12月17日，美国莱特兄弟的飞机试飞成功，其飞行速度为56千米/时，飞行距离36.6米，飞行时间12秒。这个简单的飞行器开创了人类飞行的新纪元元。

在二次大战期间，由于受到战争需求的强烈驱动，飞机的飞行速度迅速提高，当时战斗机的飞行速度已高达640千米/时，飞行高度9千米。从1947年10月14日美国由火箭推动的X-1飞行器实现了超声速飞行，飞行速度为1127千米/时（马赫数1.06）、飞行高度1.3千米，到20世纪六七十年代超声速战斗机飞行速度达2200千米/时（马赫数2.11）、飞行高度19千米，在不到20年的时间里，人们克服“声障”，实现了从亚声速到超声速飞行的跨越。

马赫数5以上最早的高超声速飞行是由美国的X-15飞行器在七十年代实现的，其飞行速度为7297千米/时、飞行高度30.5千米。它是一种由火箭驱动的实验性飞行器，具有可在大气层内外飞行的能力。它先由波音公司的B-52轰炸机带到12千米高空投放，然后开始自主飞行。这种飞行器已具有一些超声速飞行器所没有的高超声速飞行器的特色，它不再以翼型理论作为主要设计基础而应用了升力体的新概念，采用了镍质合金的热防护结构以克服高超声速流动特有的气动热问题。在X-15的头部附近还增设有射流孔可用于飞行姿态控制，而传统飞行器的姿态控制都是由舵翼来实现的。更高的飞行速度是由航天飞机实现的。

美国的航天飞机从360千米地球近地轨道再入大气层时，其飞行速度可高达马赫数25。如果以地面声速作度量，这个速度可换算为30600千米/时。尽管已经初步实现了高超声速飞行，但是真正的高超声速飞行时代尚在人们的期待之中。美国气体动力学家安德森在他最近的一本计算流体力学的教科书中写道：“21世纪早期，在世界的某一主要机场，一架漂亮的流线型飞机滑向跑道，加速起飞，迅速爬升，几分钟之后，就在大气层内达到了高超声速，很快地消失在人们的视线之外。这时它的超声速燃烧推进系统继续提供足够的推力，使其飞行速度高达8000千米/时，顺利地进入地球近地轨道。”他强调这不是科学幻想，未来的高超声速飞行器将在新世纪的早期成为现实。依据飞行器飞行速度的增长趋势，纵观航空航天百年发zhan 史，这种对高超声速飞行器的推测是合理的。

高超声速飞行器的应用背景是显而易见的：作为运输客机，它可以在两个小时之内由北京飞抵纽约，实现环球旅行的早出晚归；作为跨大气层的空天运输器，它可以帮助人们实现经济、高效的太空开发和利用。高超声速飞行器也是空天做战必须的武器,以其高超的特性实施突防,使敌方难以做出有效的反应,而急速精确地打击目标,同时发射平台还无需进入危险区域,大大提高自身的生存力,显然其做战效能是非常高的。高超声速飞机采用超音速燃烧式冲压发动机，它可以吸入空气中的氧气作

为一种补充动力，这样不仅能为飞机提供强大的动力，而且极大地减轻了飞行的燃烧载荷，目前这项技术还应用于高超音速导弹的研制。

高超声速技术不仅限于军方和高科技的研究开发，美、英、日等国也把它推向民用，空天飞机将使太空旅游成为可能。空天飞机可在复杂的气象条件下全天候飞行，可作为人造地球卫星进入近地轨道及向轨道站运送物品的运载器。

高超声速的产生和特点

高超声速飞行器具有飞行高度高、速度快、侧向机动性好的优点，能在很短的时间内抵达地球上的任何一点，迅速打击数千或上万公里外的各类军事目标。这主要是因为它具有高性能动力推进系统。超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机是高超声速飞行器的关键技术。目前，各国发展高超声速技术主要选用燃料可在高超声速内流中稳定燃烧的高超声速燃料(简称超燃)冲压发动机。

超燃冲压发动机的适用范围为马赫数5一l6，飞行时不需要自身携带氧化剂，直接从大气中吸收氧气，作为助燃剂。冲压发动机由进气道、燃烧室、推进喷管三部分组成。所谓冲压，就是迎面吸进的高速气流在进气道内被迅速扩张、减速、增压的过程。当气压和温度升高后，气体进入燃烧室与燃料混合燃烧，经膨胀加速，由喷口高速排出，产生推力。这项技术的结构质量轻、飞行成本低，可控能力强、安全性好，可长时间使用，是实现高超声速飞行的理想动力装置。脉冲爆震发动机适用于所有尺寸和所有速度的推进系统，从发射到高空高超声速飞行甚至轨道机动都能使用，尽管在50 km以上时需要使用氧化剂，但由于应用范围更广泛也更具革命性，因此也是各国发展高超声速飞行器的热点。

高超声速飞行器具有以下优点：

(1)飞行速度快，全球到达。未来的战争是高信息化、高智能化的战争，未来的空中打击力量将主要依靠高度和速度取胜。这种高超声速飞行器能在大约两个小时之内攻击全球任何角落的目标。

(2)稍纵即逝，探测难度大。空中目标的运动速度直接决定其通过敌方防御体系作战空域的时间，对突防概率影响极大。高超声速飞行器飞行速度快，回波积累数量少，雷达探测能力明显降低，探测高超声速空中目标难度加大。

(3)突防能力强，拦截困难。高超声速飞行可有效缩短对目标的反应时间，从目前的情况来看，现有的地面防空武器系统的方向转动机构的转动速度慢，不能有效瞄准，因此突防概率高。

(4)射程较远，威力较大。目前国外正在研究的高超声速导弹射程都在几百千米、几千千米，并且高超声速飞行时动能大，若设计与亚声速飞行器相当质量的战斗部，高超声速飞行器战斗部威力更大。

高超声速飞行器的关键技术

这里只重点讨论吸气式高超声速近空间飞行器的相关问题. 吸气式高超音速飞行涉及许多重大关键技术问题, 但从美国的发展经验看, 4 个必须达到成熟化的关键性技术是: 吸气式推进系统和飞行试验技术; 材料、热防护系统和结构技术;飞行器的一体化设计和多学科设计优化技术; 把地面试验与数字模拟相结合的分析综合技术.

在上述关键技术中, 吸气式推进系统居于首位. 以超燃冲压发动机为动力的高超