国外吸气式高超声速飞行器发展现状

情报交流本文2008 09 29收到,作者分别系中国航天科工集团第三研究院三一〇所工程师、助工、助工国外吸气式高超声速飞行器发展现状陈英硕 叶 蕾 苏鑫鑫摘 要 以美国H yT ech 、H yF ly 、X 51A 、猎鹰(FALCON )计划为重点,介绍了世界上几个主要的吸气式高超声速技术计划和飞行器研究情况,并对当前国外吸气式高超声速飞行器的发展现状进行了简要分析。

关键词 吸气式 高超声速H yF ly X 51A FA LCON引 言高超声速飞行器是指在大气层内飞行速度达到M a =5以上的飞行器。

自20世纪60年代以来,以火箭为动力的高超声速技术已广泛应用于各类导弹和空间飞行器,而目前世界各国正在积极发展另一类以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器技术,它的航程更远、结构质量更轻、性能更优越。

实际上,吸气式高超声速技术的发展始于20世纪50年代,通过几十年的发展,美国、俄罗斯、法国、德国、日本、印度、澳大利亚等国自20世纪90年代以来已在高超声速技术方面陆续取得了重大进展,并相继进行了地面试验和飞行试验。

高超声速技术实际上已经从概念和原理探索阶段进入了以高超声速巡航导弹、高超声速飞机和空天飞机等为应用背景的先期技术开发阶段。

1 美国在高超声速技术领域独占鳌头从1985年至1994年的10年间,美国国家空天飞机计划(NASP)大大推动了高超声速技术的发展。

通过试验设备的大规模改造和一系列试验,仅美国NASA 兰利研究中心就进行了包括乘波体和超燃发动机试验在内的近3200次试验。

通过这些试验掌握了M a <8的超燃发动机设计技术,并建立了数据库,从而为实际飞行器打下了牢固的技术基础。

实际上,30多年来,兰利研究中心一直在进行这方面的研究,曾经在2.44m 高温风洞中研制和试验过22个发动机。

在此基础上,美国于1996年开始,针对高超声速导弹、高超声速飞机和空天飞机的研制工作调整高超声速技术的研究目标,在发展和应用高超声速技术方面采取了更为稳妥的循序渐进策略,提出了更为现实的全方位的高超声速武器和先进航天器研制计划。

NASA 和美国空军在2000年12月达成协议,将联合进行高超声速技术的发展和验证。

2001年,NASA 和美国国防部联合提出了国家航空航天倡议(NA I),重申了美国高超声速飞行器的发展战略:近期发展高超声速巡航导弹;中期重点发展全球到达的高超声速飞机;远期发展廉价、快速、可重复使用的航天运载器。

2001年6月到2004年11月,NAS A H yper X 计划的X 43A 进行了3次飞行试验,除第一次以失败告终外,第二次飞行试验实现了7倍声速飞行,第三次在大约33.5km 高度飞行时以M a =9.8(11270k m /h)的惊人速度载入世界飞行速度记录。

X 43A 的成功飞行试验,验证了高超声速飞行器的设计概念、设计方法和地面试验结果。

但2006年年初NASA 表示,将把航空领域的研究重点从之前的飞行演示验证重新转向基础研究和设计工具开发,同时,NASA 对其组织结构进行调整,将高超声速研究纳入基础航空部分。

X 43高超声速研究小组的项目重点将进行基础性的技术研究而不是飞行试验。

下面就简要介绍一下美国开25 飞航导弹 2008年第12期图1 X 43A验证飞行器展的吸气式高超声速技术研究计划。

1.1 H yTech计划美国空军在1995年推出了H y T ech计划,美国空军研究实验室(AFRL)、美国国防高级研究计划局(DARPA)和NASA参与了该项目。

H y Tech计划的目标是验证M a=4~8的碳氢燃料超燃冲压发动机的可操作性、性能和结构耐用性,验证适合于未来高超声速巡航导弹和高超声速远程打击飞机的超燃冲压发动机技术。

H y T ech计划从1996年开始资助普惠公司承担H ySET计划,研制M a=4~8的二维碳氢燃料双模态超燃冲压发动机。

发动机采用混合压缩进气道,燃料再生冷却流道方案,考虑了与导弹外形的一体化,并采用轻质材料减轻质量。

H ySET计划的第一阶段完成了高超声速导弹和超燃冲压发动机的初步设计。

导弹侧边安装固体助推器,助推器将导弹加速到M a=4之后,双模态超燃冲压发动机开始工作,固体助推器随即抛掉,导弹被加速到M a=8巡航。

2002年9月6日,普惠公司开始了飞行质量的地面验证发动机(GDE 1)的研制。

该发动机采用吸热碳氢燃料冷却,但是部分冷却燃料没有进入燃烧室燃烧。

在联合航空航天工业(A lli e dAerospace Industries)公司的GASL分部进行的试验中,得到了可观的净推力,验证了燃料的高效燃烧和热防护结构的有效性,是世界上第一台采用燃料冷却的超燃冲压发动机。

2005年初,在GDE 1的基础上,普惠公司联合其它厂家完成了第二代地面性能样机(GDE2)的研制,该发动机是采用碳氢燃料闭环冷却、单一发动机流道、复合材料前缘、进气道唇口可调、工作范围为M a=5~7的飞行质量发动机。

同年普惠与AFRL联合得到一项为期9年的研究合同。

2005年10月,GDE 2在NASA兰利研究中心的2.44m高温风洞中完成了M a=5条件下的自由射流试验。

2006年7月27日,普惠公司宣布GDE 2在NASA兰利研究中心完成了试验。

这是闭环碳氢燃料超燃冲压推进系统在超声速条件下首次成功完成试验。

在兰利高2.44m高温隧道中进行的若干次M a=5试验期间,GDE 2产生了重要的超声速数据结果。

GDE 2试验的成功完成标志着超声速技术获得了重要的里程碑式成就。

它是一个成套推进系统,包含许多实现世界超声速推进所需的技术。

包括AFRL、DARPA、NASA、普惠公司和波音公司在内的政府 工业团队,将利用GDE 2验证的技术,为X 51A飞行验证计划研发推进系统。

1.2 H yF l y计划2002年,DARPA和海军研究办公室(ONR)联合出资实施H yF l y高超声速导弹验证项目。

该项目与由国防高级研究计划局和空军联合出资实施的采用高超声速发动机的单台发动机验证器(SED)项目(即H y Tech计划的飞行试验部分),都是为开辟新的航空飞行领域、促使航空业发展所作的努力。

2006年,美国防部考虑将分别由空军和海军独立研制的高超声速推进系统作为下一代全球打击武器动力系统的一部分。

海军领导的H y F ly技术验证器和空军的乘波器项目将成为从舰船、潜艇或飞机发射的下一代高速导弹动力系统的候选方案。

按照国防部设想,装有H yFly推进系统的弹药将由空军的F 15战斗机或任何其它型号的轰炸机发射,F22A、F 35和海军的F/A 18也将配备装有H yF l y发动机的弹药。

2006年5月,国会签署命令成立联合办公室以加强高超声速技术的联合研究。

参议院2007财年国防授权法规定,该联合办公室将承担的工作包括统管国防部主要的高超声速项目研究,并协调国防部和NASA加快打击平26飞航导弹 2008年第12期图2 X 51A 概念图台的研制。

即使空军或其它军种选择H yFly 或乘波器系统作为未来打击武器的一部分,高超声速系统仍然面临一系列研制和试验的挑战,将经历包括弹头整合、扩展平台整合以及微小改进在内的常规系统设计和研制阶段。

H yFly 计划总共进行4次飞行发射试验,2008年1月,H y Fly 项目进行了第4次飞行试验,在飞行了约58s 后坠入了大海。

1.3 X 51A2005年9月27日,美国空军正式授予空军研究实验室(AFRL)的超燃冲压发动机验证飞行器的代号为X 51A 。

实际上,AFRL 在2003年就已经开始研制试验飞行器,并在2004年1月决定采用普惠公司的超燃冲压发动机验证机 乘波器(Scra m jet Eng i n e De m enstrator W ave R ider ,SED W R)。

2004年12月SED 通过初始设计评估,2005年1月开始详细设计,2007年5月通过关键设计评估,目前计划在2009年首次飞行试验。

2007年5月,普惠火箭动力公司X 51A 高超声速验证机的X 1超燃冲压发动机在NASA 兰利研究中心2.44m 高温风洞(HTT)内首次完成了M a =5的模拟飞行试验。

HTT 20世纪60年代用于再入试验,并在80年代进行了改造,可以在M a =4~7的速度下试验发动机。

该风洞已经用于试验缩比30%的NASP 概念验证机发动机、X 43的超燃冲压发动机、H yTech 地面验证发动机和目前的X 1。

据普惠火箭动力公司相关人员表示,该发动机的性能超过预期,他把这次试验描述成是高超声速开始迈入实际应用的重要一步。

X 1具有闭环热管理系统,在系统中,JP 7燃料在该发动机周围循环,在其喷射到燃烧室前用来冷却发动机硬件,燃料进入燃烧室内同超声速气流混合并燃烧。

同2004年NASA 以M a =9.6速度飞行的X 43A 所装备的氢燃料超燃冲压发动机相比较,当时的发动机因无冷却措施而被短时超声速燃烧和高超声速飞行产生的热所融化。

随后,X 51A 超燃冲压发动机验证机通过了关键设计评审,而且该项目已经开始采购飞行硬件,供在2009年夏天开始的飞行试验用。

目前需要解决的最重要的问题是X 51A 固体火箭助推器的点火器。

该助推器是美国陆军的战术导弹系统,从海平面发射。

NASA 研究人员表示, 当X 43结束时,我们没有将所有的高超技术能力从NASA 撤出。

目前,按照其基础航空计划,该机构正与空军研究实验室合作X 51A 项目,提供试验服务、分析和经验。

NASA 在高超声速方面的兴趣是用吸气式发动机进入空间和大质量的火星再入。

这些技术是有重叠的。

对于X 51A 来说,NASA 正在贡献其全面的航空器计算流体力学分析能力,并为X 1和X 2发动机进行全部试验。

!1.4 猎鹰计划从美国大陆兵力投送和应用(FALCON )计划,简称猎鹰计划,该计划旨在发展一种能在2h 之内攻击远在16679k m 之外目标的高超声速武器系统。

由DARPA 负责整个管理工作,美国空军太空司令部航天与导弹系统中心协助进行项目管理,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。

猎鹰计划分为三个阶段,第一阶段总经费为1000万美元,内容为小型发射飞行器(SLV )的方案设计、性能预测、确定费用指标、发展和验证,为期约6个月;第二阶段为设计与研制,包括初始飞行试验,为期36个月,从参与竞争的多家公司选定两家进行竞争;第三阶段为武器系统验证,为期30个月,从两家竞争公司中选定一家为主承包公司。

2003年11月,DARPA 和美27 飞航导弹 2008年第12期图3 黑雨燕高超声速飞行验证器国空军选定承包商,开始实施第一阶段猎鹰计划。