高超声速飞行器发展现状

高超声速飞行器

一、国内外高超声速飞行器研制现状

高超声速飞行器技术是21世纪航空航天技术的新制高点，是航空史上继发明飞机、突破声障飞行之后第三个划时代的里程碑，同时也将开辟进入太空的新方式。高超声速飞行器技术的突破，将对国际战略格局、军事力量对比、科学技术和经济社会发展以及综合国力提升等产生重大和深远的影响。因此，世界主要国家一直把高超声速飞行器研制作为科技发展的最前沿阵地，从人力、物力、财力等各方面给予大力支持。自20世纪50年代末开始探索超声速燃烧冲压发动机技术以来，经过几十年的探索，美国、俄罗斯、法国、德国、日本、印度和澳大利亚等国在20世纪90年代初陆续取得了技术上的重大突破，并相继进行了地面试验和飞行试验。这表明高超声速技术从进行概念和原理探索的基础研究阶段，进入了以某种高超声速飞行器为应用背景的先期技术开发阶段。各国技术开发的主要应用目标近期为高超声速巡航导弹，中期为高超声速飞机，远期为吸气式推进的跨大气层飞行器、空天飞机。高超声速飞行器技术是21世纪航空航天技术的制高点，也是重要的军民两用技术。虽然目前仍存在不少技术难题，而且耗费巨大，但从世界各研制国目前的发展势头来看，以超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航导弹有可能在2010年前后问世。预计到2025年，以超燃冲压发动机为动力的高超声速飞机和空天飞机也有可能投入使用，并将在军事、政治和经济等领域产生重大影响。

1 美国

1.1 Hyper2X计划

经过较长时间的研究和实践，美国在高超声速飞行器的设计研制方面积累了丰富的经验。作为试验性高超声速飞行研究计划，Hyper2X计划是对以往所做工作的一次检验。Hyper2X计划是美国国家航空航天局(NASA)近年来重点开展的高超声速技术研究计划，主要目的是研究并验证可用于高超声速飞机和可重复使用的天地往返系统的超燃冲压发动机技术，并验证高超声速飞行器的设计方法和试验手段。1997年1月，NASA与兰利研究中心、德莱顿飞行研究中心签订合同，Hyper2X计划正式启动。Hyper2X计划的试验飞行器代号为X243，根据演示验证的任务不同分为X243A、X243B、X243C和X243D，共4个型号。

1.1.1 X243A

X243A技术由位于弗吉尼亚州汉普顿的NASA兰利研究中心和位于加利福尼亚州爱德华的NASA德莱顿飞行研究中心负责开发。其中机身和发动机由位于田纳西州塔拉荷马的ATKGASL公司(原微型飞行器公司)制造，位于加利福尼亚州亨亭顿的波音公司鬼怪工厂负责部分系统工程、热防护、操纵、导航和控制设计以及飞行控制软件、内部布局和结构设计。X243A的助推器是经过改装的飞马座运载火箭的第一级，该系统由位于亚利桑那州昌德勒的轨道科学公司提供X243A机身长3.66m，高660mm，翼展1.53m，质量1360kg，由采用液氢燃料的双模态超燃冲压发动机推进。1997年3月，NASA选定ATKGASL公司为飞行研究任务装配X243A无人驾驶研究飞行器。1997年12月，轨道科学公司对飞马座运载火箭成功进行了关键的设计审查。1998年，1台超燃冲压发动机作为第一部硬件交付NASA，随后这台发动机在兰利研究中心的2.44m八支点高温风洞中进行了一系列测试。1999年10月，第一架X243A交付德莱顿飞行研究中心。2000年，X243A在ATKGASL公司的

Hypulse设备上进行了Ma=7的试验，在兰利研究中心的电弧加热设备上进行了Ma=4.5的试验，至此，已获得Ma=4.5～10的地面数据。2001年4月，NASA在位于加利福尼亚的爱德华空军基地展示了X243A飞行器。同年6月2日，X243A首次飞行试验因飞马座运载火箭故障而宣告失败。2004年3月27日，X243A第二次飞行试验成功实现了Ma=6.8316的飞行。2004年11月16日，X243A第三次飞行试验又成功创造了Ma=9.8的飞行纪录。在成功的飞行试验中，X243A一体化机身/发动机产生了有效推力，且其运行状态接近于预先分析和风洞试验的结果。虽然飞行试验连续两次成功，但X243A高超声速飞行器仍有许多实际问题需要考虑，比如其非常窄细的鼻锥采用质量为362.88kg的高密度钨板制成，其目的是将飞行器的重心前移，但它就占飞行器总质量的29%。这种布局产生的问题是如何使作战中的飞行器保持平衡。X243A的发动机采用铜吸热器，以水冷方式冷却进气口。上述方法对于10s的短暂飞行来说是可行的，但对长时间的飞行来说却是个大问题。氢燃料易燃，且速度快，但实际用的碳氢燃料并没有这些优点等等。X243A计划共花费2.3亿美元。

图1 X243B高超声速研究飞行器

1.1.2 X243B

X243B机身长10.05m～12.19m，采用基于火箭的组合循环发动机(RBCC)或基于涡轮的组合循环发动机(TBCC)推进，发动机燃料为液氢，飞行速度Ma=7。试飞器依旧需要母机投放，但是不采用飞马座火箭助推，而是用自身的火箭或涡轮发动机加速到Ma=3～3.5，之后由亚燃/超燃冲压发动机加速到Ma=7左右。X243B原计划将耗资约6亿美元，但该计划在酝酿时就被终止了。

1.1.3 X243C

X243C机身长4.3m～4.8m，质量为1271.2kg～1362kg，采用3台并联的碳氢燃料超燃冲压发动机推进，飞行速度Ma=6。其发动机设计以空军HyTech项

目技术为基础。2004年3月18日，X243C计划被取消。2005年3月，NASA总部又要求X243C项目组提交后续工作计划，因此NASA兰利研究中心于2005年5月起草了一

项发展X243C的修正方案。为了响应美国政府重新恢复对高马赫数飞行器的极大兴趣，波音公司从2005年第二季度开始加紧了高超声速验证机项目的研究步伐，其中之一即“翻修”X243C。2005年美国从国会指定的专项资金中拨出2500万美元作为NASA2005财年继续X243C研发的专项资金。

图2 X243C高超声速研究飞行器

1.1.4 X243D

X243D采用氢燃料超燃冲压发动机推进，飞行速度Ma=15。该计划目前虽已明确提出，但某些要求还在不断变化。飞行器所要求的一些部件的研究工作已经展开。

1.2 可重复使用的组合循环飞行验证器(RCCFD)计划

有资料称RCCFD即为X243B，估计是由X243B计划终止后演化而来的。该计划的最初目标是组合循环推进技术的演示验证，目前它已经扩展到全球到达技术，而且成为NASA和美国空军联合开发的一个项目，计划在2011年进行Ma=7的飞行。RCCFD采用(RBCC或TB2CC)碳氢燃料冷却组合/复合循环推进系统。初步研究表明，飞行器长度大约为10.668m～13.716m。RCCFD于2004年开始第二阶段研究工作，多项关键技术尚未取得突破。该计划预计耗资1.25～1.4亿美元。

1.3 从美国本土投送与应用兵力(FALCON)计划

FALCON计划由美国国防高级研究计划局(DARPA)和美国空军联合推出。DARPA 负责整个计划的管理工作，美国空军太空司令部航天与导弹系统中心协助DARPA 进行项目管理，空军太空司令部航天与导弹系统中心/第12特遣部队和美国空军研究实验室提供技术支持和辅助进行里程碑评审工作。该计划旨在发展一种能在2h之内攻击远在16679km之外目标的高超声速武器系统，开发和验证可以使进行全球快速打击的近期和远期目标变为现实的一套技术，与此同时验证低成本响应型太空运输能力。它包括两大任务:一是开发作为高超声速试验飞行器或小型军事卫星助推器的小型发射飞行器(SLV)；二是验证能到2025年实施全球打击的高