国外高超声速飞行器研制计划

信息专递

本文2006-04-28收到,沈剑系中国航天科工集团三院三一○所助理工程师,王伟系该院科研

部助理工程师

图1　X -43A 高超声速研究飞行器

国外高超声速飞行器研制计划

沈　剑 王　伟

摘　要　介绍了目前美国等7个国家30项高超声速飞行器研制计划的进展情况和所取得的成果,从中可以看出国外高超声速飞行器的发展水平和趋势。

关键词　高超声速 巡航导

弹 超燃冲压发动机 飞行试验

前　言

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。1　美国

1.1　H yper -X 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,Hype r -X 计划是对以往所做工作的一次检验。Hype r -X 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,H yper -X 计划正式启动。

图2　X -43B 高超声速研究飞行器

H yper -X 计划的试验飞行器代号为X -43,根据演示验证的任务不同分为X -43A 、X -43B 、X -43C 和X -43D ,共4个型号。1.1.1　X -43A

X -43A 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AT K GASL 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。X -43A 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。X -43A 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ATK GASL 公司为飞行研究任务装配X -43A 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X -43A 交付德莱顿飞行研究中心。2000年,X -43A 在ATK GASL 公司的H ypulse 设备上进行了M a =7的试验,在兰利研究中心的电弧加热设备上进行了M a =4.5的试验,至此,已获得M a =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X -43A 飞行

器。同年6月2日,X -43A 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,X -43A 第二次飞行试验成功实现了M a =6.8316的飞行。2004年11月16日,X -43A 第三次飞行试验又成功创造了M a =9.8的飞行纪录。在成功的飞行试验中,X -43A 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X -43A 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。X -43A

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。

X -43A 计划共花费2.3亿美元。

1.1.2　X -43B

X -43B 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M a =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M a =3～3.5,之后由亚燃/超燃冲压发动机加速到M a =7左右。

X -43B 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　X -43C

X -43C 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

图3　X-43C高超声速研究飞行器

发动机推进,飞行速度M a=6。其发动机设计以空军H yTech项目技术为基础。

2004年3月18日,X-43C 计划被取消。2005年3月, NASA总部又要求X-43C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X-43C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”X-43C。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X-43C 研发的专项资金。

1.1.4　X-43D

X-43D采用氢燃料超燃冲压发动机推进,飞行速度M a= 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X-

43B,估计是由X-43B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M a=7的飞行。

RCCFD采用(RBCC或TB-

CC)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(SL V);二是验

证能到2025年实施全球打击的

高超声速巡航飞行器(HCV)所

需的技术。

FALCON计划分为三个阶

段。第一阶段包括小型发射飞行

器(SL V)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;第三阶段为武

器系统验证,为期30个月。

FALCON计划第一阶段总经

费为1000万美元。目前该计划

已进入该阶段。第二阶段的主要

任务是研制并验证高超声速飞行

器技术。这些技术包括耐久性高

温材料、热防护系统、先进的制

导、导航与控制、高效气动构型

和创新的推进概念。

1.4　自由飞行大气层超燃冲压

发动机试验技术(FASTT)计划

FASTT计划由DARP A和美

国海军研究办公室(ONR)联合

实施。该飞行器把超燃冲压发动

机集成到导弹结构中,飞行器长

约2.69m,直径280mm。采用碳