2013年世界高超声速飞行器发展总结

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本期特约
2013 年世界高超声速飞行器发展总结
李文杰 牛 文 张洪娜 王一琳
摘 要 全面梳理了国外高超声速飞行器发展现状; 紧密跟踪 2013 年世界各国高超声速飞行器发展动态,对项 目更替、拨款和试飞等重大事件进行了总结; 分析了国外高 超声速技术发展趋势; 结论是,随着科技发展,高超声速技 术必将对作战、运输与太空探索等领域产生巨大影响。
俄罗斯在 2012 年夏天完成
了高超声速导弹与载机挂架的分
离试验,此次试验并非真正意义
上的发射试验,而是弹机分离试
验。试 验 中,导 弹 从 载 机 上 分 离,发动机点火,以亚声速飞行
图 3 欧洲高超声速飞行器项目与技术发展规划
数千米并着陆。试验的目的是验证导弹在飞行中的 程较小,不能携带乘客,目前有大飞机翼下挂载和
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声速存储罐技术( CHATT) 等。这些项目所研究的基础 技术都将支撑欧洲的高超声速飞行器研究。 1. 4 其它国家发展现状 1. 4. 1 印度 HSTDV 项目
HSTDV 由印度国防研究与发展组织 ( DRDO) 与以色列飞机工业公司( IAI) 共同设计,俄罗斯中 央空气流体动力学研究院( ЦАГИ) 与中央航空发动 机制造研究院( ЦИАМ) 参与了燃烧室和进气道的 研制工作。项目旨在对自主模式下超燃冲压发动机 推进的飞行器性能进行演示验证。同时也将对高马 赫数飞行时的气动性能、气动热、材料和热防护技 术进行验证。利用一台固体火箭助推器使其达到超 燃冲压发动机的接力速度,然后在超燃冲压发动机 推进下自主飞行 20 s。最终目的是在 32. 5 km 高空 实现马赫数 6. 5 的飞行。
础技术,而不像美国一般重点关注武器技术发展, 飞行器设计用来搭乘 300 名乘客,ZEHST 可以搭载
如图 3 所示。
60 名乘客,飞行器的质量、尺寸等远超美国当前高
欧洲长期以来在单 /双级入轨领域的研究是有 超声速飞行器水平。
目共睹的,进入二十一世纪,欧洲主要有 SKYLON、
与 LAPCAT 用途相似的 ZEHST 项目于 2011 年
关键词 高超声速 武器 入轨 空天
引言 21 世纪以来,以美国、俄罗斯、德国、澳大利
亚、英国等为代表的一些国家进入了高超声速飞行 器和空天飞行器研制的新阶段,诞生了 Hyper-X、 HyFly、HIFiRE、Hy-V、布拉莫斯-2、LEA、SKYLON 等项目和计划。
近年来,美国在前期研究的基础上进行了大量 高超声速 飞 行 器 试 飞,对 研 究 成 果 进 行 了 大 量 验 证,收获颇丰。俄罗斯在 20 世纪 90 年代前后进行 了一系列试飞后,随着国力的衰退而罕有进展。直 至近年来国力复苏,开始与印度合作进行高超声速 武器的研发。德国、澳大利亚、英国等国家也相继 完成了飞行与地面试验。此外,巴西、印度等国也 纷纷提出了高超声速飞行器方案。
预计其试飞时间可能在 2015—2017 年。
调其没有碳氮氧化物排放。
1. 3 欧洲发展现状
欧洲高超声速飞行器研究的另一标志性特点是
欧洲近年来在高超声速技术领域的研究与发展 更多关注大型飞行器。目前,已经有多个项目开始
更多偏向于宇宙探索、航空运输两大领域和相关基 进行大型货运及载人飞行器的研究工作。LAPCAT
底的验证工作中取得了成功。此外,欧洲还尝试开 施 28 个月( 自 2011 年 2 月开始) ,希望通过这一时
展 Space plane 项目,旨在为科学研究及民用太空旅 期的工作进一步细化需求,确定飞行器方案,进一
行提供平台。双级入轨飞行器领域,欧空局带领 16 步成熟化关键技术,准备于 2020 年左右进行无人
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图 2 HX 高超声速飞行器
HX 应为一种可重复使用的,采用火箭基动力 的高超声速平台,可以远距离飞行,并具有大范围 机动能力。由于采用了多次助推技术,HX 可以根 据需要灵活加速或爬高以增大航程,或依靠发动机 中段助推提供的动能实现大角度转弯而不损失续航 能力。而这种动力辅助下的 HX 可以在一定程度上 实现类似于巡航导弹的较为灵活的任务规划和执行 能力。
该项目目前状况不明,仅在一些航展中展示过 飞行器模型。此外,俄罗斯与印度联合研制的布拉 莫斯-2 高超声速导弹与该飞行器外形有较多相似 点,因此,该项目的研究成果有可能用于支撑布拉 莫斯-2 的研究。 1. 4. 2 巴西 14-X 项目
HTV-2 项目是美国国防高级研究计划局( DARPA) FALCON 项目的一部分。2010 年 4 月 22 日和 2011 年 8 月 11 日,HTV-2 分别进行了两次试飞, 两次试飞均采用牛头怪 IV Lite 火箭发射,但均以 失败 告 终。但 两 次 失 败 的 飞 行 并 非 一 无 所 获,首 先,研究人员成功确定了两次失败的原因。其次, HTV-2 在有限的飞行时间内成功验证了气动可控的 高超声速飞行、高速飞行下的 GPS 功能,以及大量 前期地面试验和研究的结果,并且为研究人员提出 了直观、明确的技术问题。因此,就 HTV-2 整个项 目而言,其结果是喜忧参半的。由于已经完成了预 定的两次试飞,该项目可能已经终止。
Space plane 以 及 FAST 20XX 等 入 轨 飞 行 器 项 目。 巴黎航展上首次亮相,吸引了众多眼球。在对该机
其中,SKYLON 项目由于 2012 年获得了突破性进 的介绍中,除了高速飞行及类似飞机的操作以外,
展而较为著名———其轻质预冷却交换器在 2012 年 着重强调了其环境友好性。ZEHST 项目目前计划实
表现,以及导弹与发射系统和载机的交互能力。测 背负携带等发射模式。FAST 20XX 高能量方案规划
试系统的名称、功能乃至测试计划的代号都是保密 至 2040 年左右完成,是一种采用火箭发射垂直起
的。2013 年 7 ~ 8 月,俄罗斯计划对高超声速导弹 飞,水平着陆的双级入轨飞行器。与运载火箭发射
由图 1 可见,美国 4 年共完成 X-51A、HTV-2 和 AHW 共计 3 个项目 7 次试飞,若将美澳合作的 HIFiRE 项目计入其中,这一数字可增加至 12 次, 加上美国此前曾开展的 X-43A 项目和 HyFly 项目, 遥遥领先世界其它国家。这些试飞是美国政府、军 队、科研和工程单位合力的集中体现,不论试验成 功与否,均对美国技术的进步和高超声速飞行器向 着实用化的发展起到了积极的推动作用。 1. 1. 1 X-51A 项目
2013 年是世界高超声速较为特殊的一年,以美 国 X-51A 高 超 声 速 飞 行 器 第 1 次 试 飞 为 起 点, 2010—2013 年是世界各国高超声速飞行器发展的 一个小高潮。发展至 2013 年,很多项目按照规划而 终止,同时又诞生了很多新的项目,因此,2013 年 成为了高超声速飞行器发展“承上启下”的一年,显 得更为特殊、重要。
在 HTV-2 项目终止之后,DARPA 又于 2012 年 7 月 6 日发布“一体化高超声速 ( Integrated Hypersonics,IH) 技术研发”公告,研究涉及总体布局、气 动力 / 气动热、结构和热防护、导航制导与控制以 及试验相关的靶场能力与仪器等多个领域,并且计 划于 2016 年完成全尺寸高超声速试验飞行器( Hypersonic X-plane,HX) 的飞行,如图 2 所示。
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的困扰,随后位于飞行器超燃冲压发动机和机体喷 管之间的热密封发生泄漏,致使飞行器最大马赫数 仅达到 4. 87。虽然试验结果并未达到预期,但整个 试验还算“完整”。2011 年和 2012 年的两次试飞并 没有在首飞的基础上有所突破。首飞暴露的进气道 不启动问题反而在第 2 次试飞中彻底爆发,试验提 前告终。2012 年 8 月 14 日的第 3 次试飞由于右上 控制尾翼的意外解锁而失败。连续的失败并没有使 整个项目走向终结,在多方支持下,项目团队重整 旗鼓并终于在 2013 年的第四次试飞中大获成功。 1. 1. 2 HTV-2 项目和 IH 项目
1 发展现状 目前,美国对高超声速飞行器的研究和试验进
度已经显著领先于其它国家。这一点可以从美国近
图 1 2010—2013 年试飞的高超声速飞行器
年来连续进行高超声速飞行器试飞上体现出来。相 比之下,其它国家目前将更多的精力放在基础技术 研究和攻关上。2010—2013 年世界高超声速飞行器 试飞情况统计如图 1 所示( 图中俄罗斯高超声速飞 行器为 20 世纪 90 年代的 GELA,仅起代表作用) 。 1. 1 美国发展现状
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近 10 年。然而,随着俄罗斯国力
的衰落,当时的高超声速技术研
究并未最终转化成武器装备投入
使用。近年来,随着俄罗斯国力
Байду номын сангаас
的复苏和美国频繁的高超声速试
验,俄政府担心美国的高超声速
飞行器 有 可 能 在 2015—2018 年
前后形成初始作战能力并对俄罗
斯构成威胁。
美、澳合作的项目 HIFiRE( Hypersonic International Flight Research Experimentation) 于 2006 年 11 月 10 日正式启动。其基本理念是将试飞视作地面 试验和数值计算的补充,三种方法协调应用可以大 幅提高对高超声速关键技术的攻关速度。
X-51A 于 2010 年 5 月 26 日、2011 年 6 月 13 日和 2012 年 8 月 14 日进行了前三次试飞。其中第 1 次试飞不完全成功,飞行器首先在发动机切换到 纯 JP-7 燃料工作 140 s 后遭遇了进气道不启动问题
本文 2014-01-02 收到,李文杰、牛文分别系北京海鹰科技情报研究所研究员、助理工程师
家参与方进行的 FAST 20XX 项 目 正 在 积 极 推 进。 样机试飞,并准备招揽或接受国际合作。
FAST 20XX 分为低能量概念和高能量概念两部分,
除空间进入、航空运输等两个领域外,欧洲还开
低能量概念计划发展 10 ~ 15 年,采用空射方式,航 展了一些基础科研项目,如 SHEFEX、先进低温高超
IH 项目很多方面的设计都是基于 FALCON 项 目高升阻比飞行器设计,但可以看出,HX 较HTV-2 已经有了巨大的变化,可能成为更加灵活、更为快 速、覆盖范围更大的打击武器。 1. 1. 3 先进高超声速武器项目
先 进 高 超 声 速 武 器 ( Advanced Hypersonic Weapon,AHW ) 是 美 国 陆 军 提 出 的 一 种 类 似 于 HTV-2 的 快 速 打 击 方 案, 具 有 在 35min 完 成 6 000 km射程的飞行性能,精度小于 10 m。可在关 岛、迪戈加亚岛和波多黎各等地部署。美国国防部 给予大量资金支持,并将该计划作为空军常规快速 全球打击计划的备份项目。
进行更大规模的试验,逐步提高高超声速导弹发动 的航天飞机不同,FAST 20XX 所使用的助推级将是
机的试飞速度。
完全可重复使用的。该飞行器可以搭载 50 ~ 100 名
此外,俄罗斯与印度联合研制的布拉莫斯-2 高 乘客,仅需 90 min 完成从澳大利亚到欧洲的长途飞
超声速导弹也在运作之中,布拉莫斯航空航天公司 行。此外,FAST 20XX 还特别提出了环保特性,强
2011 年 11 月 17 日美国东部时间 6 ∶ 30,美国 进行 了 AHW 的 首 次 试 飞。成 功 完 成 了 预 定 的 约 4 000 km 飞 行。但 AHW 项 目 自 此 销 声 匿 迹,在 2012、2013 年未见相关公开消息,预计的第 2 次试 飞也没有新闻报道。 1. 1. 4 HIFiRE 项目
截至目前,HIFiRE 项目共完成 5 次试飞,成功 率达到 80% ,明显高于其它试飞项目。从 HIFiRE 项目的试验过程来看,该项目的技术也逐渐由基础 技术研究转向可能具有一定实际应用前景的高超声 速飞行器试验研究。 1. 2 俄罗斯发展现状
俄罗斯在 20 世纪 90 年代曾进行过大量高超声 速飞行器 研 究 和 试 验 工 作,其 进 度 一 度 领 先 于 美 国,如 Kholod 项 目 的 试 飞 时 间 比 美 国 X -4 3 A 早 了
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