美国高超声速飞行器技术进展分析与启示
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研制下一代高超声速飞行器面临巨大的技术挑 战，在空气动力、推进技术、材料与结构等方面存 在很大的技术难度。以超燃冲压发动机技术为例， 超燃冲压发动机技术涉及到空气动力学、计算流体 力学、燃烧学、传热学、材料学等多学科前沿问题， 并相互交叉，是超声速燃烧、吸热型碳氢燃料、结 构热防护、发动机 / 飞行器一体化设计、地面模拟 试验和飞行演示等众多高新技术的集成。虽然自 20 世纪 90 年代超燃冲压发动机技术已有了飞速发展， 但近期 X-51A 的两次飞行试验暴露出超燃冲压发 动机技术还存在许多问题需要解决，超燃冲压发动 机技术尚 未 成 熟，近 期 恐 怕 还 无 法 进 行 实 用 化 研
2 美国近期数次高超声速飞行器试验连续失败原 因分析
美国近期 X-51A、HyFly 和 HTV-2 高超声速飞 行器飞行试验相继失利的原因是多方面的，从技术 视角看，技术成熟度不高，技术跨度大是其主要原 因，研究周期较短，试验次数明显不足是其潜在原 因。
1） 技术成熟度不高，对高超声速飞行器技术 难度的预判不准是近期飞行试验屡次失败的主要原 因之一
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究。此外，高超声速飞行器还需进一步解决结构一 体化技术、防热材料技术以及稳定性控制等技术挑 战。美国在未完全解决高超声速飞行器涉及到的基 础技术，关键技术尚未完全成熟，就急切进行飞行 试验，试验失败难以避免。总之，技术储备成熟度 不高，轻 视 技 术 研 发 难 度，对 技 术 难 度 的 预 判 不 准，对研制高超声速飞行器的艰巨性估计不足是美 国近期飞行试验屡遭失败的主要原因之一。
主要支撑性技术，已从概念和原理探索阶段进入到 以高超声速巡航导弹、高超声速飞机、跨大气层飞 行器和空天飞机等为应用背景的先期技术开发阶 段。高超声速飞行器技术一旦实现并应用于军事领 域，将改变未来战争的作战样式，并对国家安全产 生重大战略性影响。
21 世纪开始，美国基于全球到达，全球打击战 略，提出了全方位的高超声速武器和先进航天器研 制计划，相继实施 Hyper-X、HyFly、FALCON 等高 超声速飞行器计划，已陆续取得了技术上的重大突 破，并相继进行了地面和飞行试验，引领世界范围 的高超声速飞行器技术研发热潮。本文从高超声速 飞行器技术发展的视角，针对美国近期 X-51A、HyFly 和 HTV-2 高超声速飞行器飞行试验相继失利的 原因进行探讨和分析，给出了其失利原因和发展走 向的基本判断和启示思考。
HyFly 项目（ 图 2） 原计划 2007 年 1 月进行首次 飞行试验，双模冲压发动机的地面测试将之延迟到 2007 年 9 月，原计划准备测试双模冲压发动机的启 动、燃油控制、爬升以及加速情况，但燃油系统存 在的问题导致飞行器仅加速到马赫数 3． 5，飞行试 验失败。2008 年 1 月，第二次飞行试验中，燃油泵 出现了问题［5］，导致双模冲压发动机未能启动，飞 飞航导弹 2012 年第 4 期
3） 研究周期较短，试验次数明显不足是近期 飞行试验屡次失败的潜在原因
高超声速飞行器项目是高风险、高投入、高产 出的项目，地面试验和飞行试验的花费与试验飞行 器的尺寸、比例和复杂度成正比（ 图 4） 。在图 4 所 列的高超声速项目中，澳大利亚的 HyShot 项目由 于只是对超 燃 冲 压 发 动 机 进 行 测 试 ，因 而 花 费 最
1 美国高超声速飞行器技术进展 高超声速飞行器的研制面临巨大的技术挑战，
如燃料在超声速气流中的稳定燃烧，严重的飞行器 气动加热以及飞行过程中的稳定性控制等关键技术 问题还需要进一步攻克。美国自 20 世纪 50 年代开
始研究吸气式高超声速飞行器技术。冷战期间，美 国为争夺霸权和军备竞赛的需要，提出过许多超燃 冲压发动机及高超声速飞行器发展计划，但由于在 技术、经费和管理方面遇到了一系列的困难，这些 计划均中途夭折。1986 年，美国开始进行 X-30 国 家空天飞机（ NASP） 计划，进一步开发超燃冲压发 动机技术，但最终仍然由于技术上无法突破而最终 放弃。此后，美国航空航天局（ NASA） 继续执行了 一项规模较小的高超声速 X 计划，其目的是扩展将 来可以军用和民用的高超声速飞行的技术基础。从 1996 年开始，美国对高超声速飞行器技术的发展进 行了调整，确立了分阶段逐步发展的思路，首先选 择巡航导弹为突破口，而后转入其它飞行器与天地 往返运输系统，降低了近期的发展目标。
HTV 项目原计划于 2009 年 3 月和 8 月进行两 次飞行试验，实际飞行试验分别被推迟至 2010 年 和 2011 年。2010 年 4 月，HTV-2 进行了首次发射， 以飞行速度马赫数 17 ～ 22 飞行了 139 s，但结果并
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高超专递
图 3 猎鹰高超声速飞行器计划
不完美。技术数据显示，HTV-2 的起飞和与火箭分 离都很顺利，但进入飞行试验 9 min 后，遥测站与 HTV-2 失去联系。美国国防部称，当时由于系统侦 测到飞行模式出现异常，因此，强制导引飞行器坠 入海中。2011 年 8 月，HTV-2 飞行器在美国加州范 登堡空军基地成功发射升空，但在太空边缘与火箭 分离后，HTV-2 飞行器在独自飞行并返回地球时失 去联系。
2010 年 5 月 X-51A 进 行 了 第 一 次 飞 行 试 验，
本文 2011-10-24 收到，作者分别系国防科技大学科研部武器装备发展研究中心助理研究员、副研究员、助理研究员
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飞航导弹 2012 年第 4 期
高超专递Baidu Nhomakorabea
这次试验部分成功［2］。超燃冲压发动机在马赫数 5 左右工作了 140 s（ 原计划 170 s，结束试验前30 s， 密封圈失效，造成发动机推力减小） 。2011 年 6 月 进行了第二次飞行试验，这次试验以失败告终［3］。 助推器将 X-51A 加速到马赫数 5，但超燃冲压发动 机未能启 动，虽 然 此 后 地 面 人 员 多 次 试 图 重 新 启 动，但 最 终 未 成 功。事 后 调 查 原 因 为 进 气 道 不 启 动［3］，NASA 认为进气道前缘激波移动太远，引起 气流偏移，最终导致超燃冲压发动机启动失败。按 照计划，未来预计 X-51A 还将进行两次飞行测试， 但波音公司［4］认为飞行试验次数不足，即使四次预 期的飞行试验都获得成功，还应至少再增加两次飞 行测试。
1． 3 HTV Falcon Hypersonic Technology Vehicle （ HTV） 演
示验证项目［6］是由美国空军和 DARPA 共同承担研 制的。HTV 项目的目的是发展验证高超声速飞行器 技术，以支撑快速全球到达任务，其发展的飞行器 是可重复使用的类航空器外形的高超声速飞行器， 能够在普通机场起飞和降落。HTV 项目始于 2003 年，是美国全球快速打击计划的重要项目，计划演 示验证三种飞行器： HTV-1、HTV-2 和 HTV-3 （ 图 3） 。HTV-3 飞行器由于 2009 年美国国会削减财政 预算而 被 迫 搁 浅，DARPA 只 好 转 而 开 发 HTV-2。 HTV 项目涉及到高升阻比气动外形技术、轻质高温 材料技术、热管理技术、导航和自动飞行控制技术 以及涡轮组合循环发动机（ TBCC） 技术等众多关键 技术。
图 2 HyFly 高超声速导弹模型风洞实验
图 1 X-51A 乘波飞行器
1． 2 HyFly Hypersonics Flight Demonstration （ HyFly） 项 目
始于 2002 年［5］，面向美国未来海军需要，由美国 海军和 DARPA 以及波音公司共同承担。HyFly 项 目计划设计、建造和测试一种高超声速飞行器，为 战术 导 弹 提 供 技 术 验 证，该 飞 行 器 巡 航 速 度 为 Ma = 6、空 射 射 程 为 740 km、地 面 发 射 射 程 为 1 100 km。HyFly 项目涉及到双模冲压发动机技术 （ DCR） 、轻质高温材料、制导控制 等 众 多 关 键 技 术。
2） 技术跨度巨大，技术途径存在跨跃是近期 飞行试验屡次失败的主要原因之一
综合考虑 军 事 战 略、作 战 能 力、技 术 先 进 性， 现有武器装备性能水平和经济性等多方面的因素 后，美国选择了亚声速、中高超声速一体化跳越式 发展的技术途径，即不经过马赫数 ＜ 3 的低超声速 方案阶段，直接从目前的亚声速方案跳到马赫数 4 ～ 8 的中高超声一体化方案上去。这种技术途径的 跳跃加大了高超声速飞行器各种关键技术的技术跨 度，是美国 近 期 飞 行 试 验 屡 遭 失 败 的 主 要 原 因 之 一。天地环境存在的巨大差异，使得在地面 / 低空 环境试验中得到的试验数据不适用于临近空间环 境。HTV-2 的两次飞行试验中，采用倾斜气动襟翼 的控制技术不过关是造成飞行器试验异常的主要原 因，说明在低空低速航空领域内适用的控制技术在 高空高速临近空间领域内面临挑战。
行试验失败。2010 年 7 月，HyFly 高超声速导弹验 证机进行了第三次也是最后一次飞行试验，导弹的 助推器并没能成功点火，DARPA 认为机载飞行软 件发现内部电池电压过低，导致软件异常中断发动 机点火。双模冲压发动机的演示验证是 HyFly 项目 的研发重点，但三次飞行试验出现的问题都没有涉 及到需要验证的双模冲压发动机推进技术，未能对 双模冲压发动机技术进行验证。
高超专递
美国高超声速飞行器技术进展分析与启示
赵海洋 沈雪石 吴 集
摘 要 回顾了美国高超声速技术发展历程，介绍了 近年来 X-51A、HyFly 和 HTV-2 等高超声速飞行器的飞行试 验，并分析了试验失败原因。
关键词 高超声速飞行器 技术进展 发展趋势 关键技术
引言 高超声速飞行器技术是未来高速飞行器发展的
飞航导弹 2012 年第 4 期
高超专递
图 4 高超声速项目从地面试验到飞行试验的过渡
少； ScramFire、FASTT 和 X-43A 计划是对集成的发 动机整体进行测试，增加了比例和复杂度； X-51 计 划试图飞行更长时间，比例和复杂度进一步增加， 耗费也更加巨大。为确保在高超声速飞行器技术上 保持领先地位，美国 NASA、空军、海军等单位同时 开展 数 项 高 超 声 速 飞 行 器 演 示 验 证 计 划。美 国 NASA 和空军曾试图联合进行小规模的高超声速飞 行技术试验，但最终双方并没走到一起，而是分别 实施各自的超燃冲压发动机技术验证计划，这样， 不仅研制经费被分割缩水，而且相互间的竞争也使 军方对研制周期提出了紧迫的要求。美国的高超声 速飞行器演示验证项目研制经费有限，试验次数明 显不足。美国的高超声速飞行器项目中飞行试验多 次被推迟，其中 X-51A 的第二次飞行试验推迟到 2011 年就存在经费的限制，按照波音公司的设想， X-51A 至少进行 10 次飞行试验。HyFly 项目仅有三 次飞行试验，没有能够对关键的双模冲压发动机技 术进行试验验证，全部因为其它原因而造成飞行试 验的失败。总之，时间紧，任务重，飞行试验次数 不足是近期高超声速飞行器飞行试验屡次失败的潜 在原因。
目前，美国正在全方位发展高超声速飞行器技 术，美国海军、空军、国防高级研究计划局（ DARPA） 已明确提出发展高超声速巡航导弹，并正在实 施相关的多项研究计划（ Hyper-X、HyFly、FALCON 等） 。但最近两年美国在高超声速飞行器飞行试验 中屡次失败，给高超声速飞行器计划的前景蒙上了 阴影。 1． 1 X-51A
X-51A Waverider（ 乘波器） 项目［1］是由美国空 军、DARPA 以及 Pratt ＆ Whitney Rocketdyne 和波 音公司共同承担，继承于早期的 Hyper-X（ X-43A） 项目，以验证高超声速飞行能力。X-51A（ 图 1） 设 计速度在 Ma = 4． 5 ～ 6． 5 左右，涉及到碳氢燃料超 燃冲压发动机推进系统、高温材料、机体 / 发动机 一体化等众多关键技术。
2 美国近期数次高超声速飞行器试验连续失败原 因分析
美国近期 X-51A、HyFly 和 HTV-2 高超声速飞 行器飞行试验相继失利的原因是多方面的，从技术 视角看，技术成熟度不高，技术跨度大是其主要原 因，研究周期较短，试验次数明显不足是其潜在原 因。
1） 技术成熟度不高，对高超声速飞行器技术 难度的预判不准是近期飞行试验屡次失败的主要原 因之一
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究。此外，高超声速飞行器还需进一步解决结构一 体化技术、防热材料技术以及稳定性控制等技术挑 战。美国在未完全解决高超声速飞行器涉及到的基 础技术，关键技术尚未完全成熟，就急切进行飞行 试验，试验失败难以避免。总之，技术储备成熟度 不高，轻 视 技 术 研 发 难 度，对 技 术 难 度 的 预 判 不 准，对研制高超声速飞行器的艰巨性估计不足是美 国近期飞行试验屡遭失败的主要原因之一。
主要支撑性技术，已从概念和原理探索阶段进入到 以高超声速巡航导弹、高超声速飞机、跨大气层飞 行器和空天飞机等为应用背景的先期技术开发阶 段。高超声速飞行器技术一旦实现并应用于军事领 域，将改变未来战争的作战样式，并对国家安全产 生重大战略性影响。
21 世纪开始，美国基于全球到达，全球打击战 略，提出了全方位的高超声速武器和先进航天器研 制计划，相继实施 Hyper-X、HyFly、FALCON 等高 超声速飞行器计划，已陆续取得了技术上的重大突 破，并相继进行了地面和飞行试验，引领世界范围 的高超声速飞行器技术研发热潮。本文从高超声速 飞行器技术发展的视角，针对美国近期 X-51A、HyFly 和 HTV-2 高超声速飞行器飞行试验相继失利的 原因进行探讨和分析，给出了其失利原因和发展走 向的基本判断和启示思考。
HyFly 项目（ 图 2） 原计划 2007 年 1 月进行首次 飞行试验，双模冲压发动机的地面测试将之延迟到 2007 年 9 月，原计划准备测试双模冲压发动机的启 动、燃油控制、爬升以及加速情况，但燃油系统存 在的问题导致飞行器仅加速到马赫数 3． 5，飞行试 验失败。2008 年 1 月，第二次飞行试验中，燃油泵 出现了问题［5］，导致双模冲压发动机未能启动，飞 飞航导弹 2012 年第 4 期
3） 研究周期较短，试验次数明显不足是近期 飞行试验屡次失败的潜在原因
高超声速飞行器项目是高风险、高投入、高产 出的项目，地面试验和飞行试验的花费与试验飞行 器的尺寸、比例和复杂度成正比（ 图 4） 。在图 4 所 列的高超声速项目中，澳大利亚的 HyShot 项目由 于只是对超 燃 冲 压 发 动 机 进 行 测 试 ，因 而 花 费 最
1 美国高超声速飞行器技术进展 高超声速飞行器的研制面临巨大的技术挑战，
如燃料在超声速气流中的稳定燃烧，严重的飞行器 气动加热以及飞行过程中的稳定性控制等关键技术 问题还需要进一步攻克。美国自 20 世纪 50 年代开
始研究吸气式高超声速飞行器技术。冷战期间，美 国为争夺霸权和军备竞赛的需要，提出过许多超燃 冲压发动机及高超声速飞行器发展计划，但由于在 技术、经费和管理方面遇到了一系列的困难，这些 计划均中途夭折。1986 年，美国开始进行 X-30 国 家空天飞机（ NASP） 计划，进一步开发超燃冲压发 动机技术，但最终仍然由于技术上无法突破而最终 放弃。此后，美国航空航天局（ NASA） 继续执行了 一项规模较小的高超声速 X 计划，其目的是扩展将 来可以军用和民用的高超声速飞行的技术基础。从 1996 年开始，美国对高超声速飞行器技术的发展进 行了调整，确立了分阶段逐步发展的思路，首先选 择巡航导弹为突破口，而后转入其它飞行器与天地 往返运输系统，降低了近期的发展目标。
HTV 项目原计划于 2009 年 3 月和 8 月进行两 次飞行试验，实际飞行试验分别被推迟至 2010 年 和 2011 年。2010 年 4 月，HTV-2 进行了首次发射， 以飞行速度马赫数 17 ～ 22 飞行了 139 s，但结果并
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高超专递
图 3 猎鹰高超声速飞行器计划
不完美。技术数据显示，HTV-2 的起飞和与火箭分 离都很顺利，但进入飞行试验 9 min 后，遥测站与 HTV-2 失去联系。美国国防部称，当时由于系统侦 测到飞行模式出现异常，因此，强制导引飞行器坠 入海中。2011 年 8 月，HTV-2 飞行器在美国加州范 登堡空军基地成功发射升空，但在太空边缘与火箭 分离后，HTV-2 飞行器在独自飞行并返回地球时失 去联系。
2010 年 5 月 X-51A 进 行 了 第 一 次 飞 行 试 验，
本文 2011-10-24 收到，作者分别系国防科技大学科研部武器装备发展研究中心助理研究员、副研究员、助理研究员
·16·
飞航导弹 2012 年第 4 期
高超专递Baidu Nhomakorabea
这次试验部分成功［2］。超燃冲压发动机在马赫数 5 左右工作了 140 s（ 原计划 170 s，结束试验前30 s， 密封圈失效，造成发动机推力减小） 。2011 年 6 月 进行了第二次飞行试验，这次试验以失败告终［3］。 助推器将 X-51A 加速到马赫数 5，但超燃冲压发动 机未能启 动，虽 然 此 后 地 面 人 员 多 次 试 图 重 新 启 动，但 最 终 未 成 功。事 后 调 查 原 因 为 进 气 道 不 启 动［3］，NASA 认为进气道前缘激波移动太远，引起 气流偏移，最终导致超燃冲压发动机启动失败。按 照计划，未来预计 X-51A 还将进行两次飞行测试， 但波音公司［4］认为飞行试验次数不足，即使四次预 期的飞行试验都获得成功，还应至少再增加两次飞 行测试。
1． 3 HTV Falcon Hypersonic Technology Vehicle （ HTV） 演
示验证项目［6］是由美国空军和 DARPA 共同承担研 制的。HTV 项目的目的是发展验证高超声速飞行器 技术，以支撑快速全球到达任务，其发展的飞行器 是可重复使用的类航空器外形的高超声速飞行器， 能够在普通机场起飞和降落。HTV 项目始于 2003 年，是美国全球快速打击计划的重要项目，计划演 示验证三种飞行器： HTV-1、HTV-2 和 HTV-3 （ 图 3） 。HTV-3 飞行器由于 2009 年美国国会削减财政 预算而 被 迫 搁 浅，DARPA 只 好 转 而 开 发 HTV-2。 HTV 项目涉及到高升阻比气动外形技术、轻质高温 材料技术、热管理技术、导航和自动飞行控制技术 以及涡轮组合循环发动机（ TBCC） 技术等众多关键 技术。
图 2 HyFly 高超声速导弹模型风洞实验
图 1 X-51A 乘波飞行器
1． 2 HyFly Hypersonics Flight Demonstration （ HyFly） 项 目
始于 2002 年［5］，面向美国未来海军需要，由美国 海军和 DARPA 以及波音公司共同承担。HyFly 项 目计划设计、建造和测试一种高超声速飞行器，为 战术 导 弹 提 供 技 术 验 证，该 飞 行 器 巡 航 速 度 为 Ma = 6、空 射 射 程 为 740 km、地 面 发 射 射 程 为 1 100 km。HyFly 项目涉及到双模冲压发动机技术 （ DCR） 、轻质高温材料、制导控制 等 众 多 关 键 技 术。
2） 技术跨度巨大，技术途径存在跨跃是近期 飞行试验屡次失败的主要原因之一
综合考虑 军 事 战 略、作 战 能 力、技 术 先 进 性， 现有武器装备性能水平和经济性等多方面的因素 后，美国选择了亚声速、中高超声速一体化跳越式 发展的技术途径，即不经过马赫数 ＜ 3 的低超声速 方案阶段，直接从目前的亚声速方案跳到马赫数 4 ～ 8 的中高超声一体化方案上去。这种技术途径的 跳跃加大了高超声速飞行器各种关键技术的技术跨 度，是美国 近 期 飞 行 试 验 屡 遭 失 败 的 主 要 原 因 之 一。天地环境存在的巨大差异，使得在地面 / 低空 环境试验中得到的试验数据不适用于临近空间环 境。HTV-2 的两次飞行试验中，采用倾斜气动襟翼 的控制技术不过关是造成飞行器试验异常的主要原 因，说明在低空低速航空领域内适用的控制技术在 高空高速临近空间领域内面临挑战。
行试验失败。2010 年 7 月，HyFly 高超声速导弹验 证机进行了第三次也是最后一次飞行试验，导弹的 助推器并没能成功点火，DARPA 认为机载飞行软 件发现内部电池电压过低，导致软件异常中断发动 机点火。双模冲压发动机的演示验证是 HyFly 项目 的研发重点，但三次飞行试验出现的问题都没有涉 及到需要验证的双模冲压发动机推进技术，未能对 双模冲压发动机技术进行验证。
高超专递
美国高超声速飞行器技术进展分析与启示
赵海洋 沈雪石 吴 集
摘 要 回顾了美国高超声速技术发展历程，介绍了 近年来 X-51A、HyFly 和 HTV-2 等高超声速飞行器的飞行试 验，并分析了试验失败原因。
关键词 高超声速飞行器 技术进展 发展趋势 关键技术
引言 高超声速飞行器技术是未来高速飞行器发展的
飞航导弹 2012 年第 4 期
高超专递
图 4 高超声速项目从地面试验到飞行试验的过渡
少； ScramFire、FASTT 和 X-43A 计划是对集成的发 动机整体进行测试，增加了比例和复杂度； X-51 计 划试图飞行更长时间，比例和复杂度进一步增加， 耗费也更加巨大。为确保在高超声速飞行器技术上 保持领先地位，美国 NASA、空军、海军等单位同时 开展 数 项 高 超 声 速 飞 行 器 演 示 验 证 计 划。美 国 NASA 和空军曾试图联合进行小规模的高超声速飞 行技术试验，但最终双方并没走到一起，而是分别 实施各自的超燃冲压发动机技术验证计划，这样， 不仅研制经费被分割缩水，而且相互间的竞争也使 军方对研制周期提出了紧迫的要求。美国的高超声 速飞行器演示验证项目研制经费有限，试验次数明 显不足。美国的高超声速飞行器项目中飞行试验多 次被推迟，其中 X-51A 的第二次飞行试验推迟到 2011 年就存在经费的限制，按照波音公司的设想， X-51A 至少进行 10 次飞行试验。HyFly 项目仅有三 次飞行试验，没有能够对关键的双模冲压发动机技 术进行试验验证，全部因为其它原因而造成飞行试 验的失败。总之，时间紧，任务重，飞行试验次数 不足是近期高超声速飞行器飞行试验屡次失败的潜 在原因。
目前，美国正在全方位发展高超声速飞行器技 术，美国海军、空军、国防高级研究计划局（ DARPA） 已明确提出发展高超声速巡航导弹，并正在实 施相关的多项研究计划（ Hyper-X、HyFly、FALCON 等） 。但最近两年美国在高超声速飞行器飞行试验 中屡次失败，给高超声速飞行器计划的前景蒙上了 阴影。 1． 1 X-51A
X-51A Waverider（ 乘波器） 项目［1］是由美国空 军、DARPA 以及 Pratt ＆ Whitney Rocketdyne 和波 音公司共同承担，继承于早期的 Hyper-X（ X-43A） 项目，以验证高超声速飞行能力。X-51A（ 图 1） 设 计速度在 Ma = 4． 5 ～ 6． 5 左右，涉及到碳氢燃料超 燃冲压发动机推进系统、高温材料、机体 / 发动机 一体化等众多关键技术。