高超声速空天飞行器研究现状汇总

高超声速空天飞行器研究现状

摘要

高超声速飞行器一般是指飞行马赫数大于5且能够在大气层和跨大气层中实现远程飞行的飞行器。这种飞行器在高度和速度上都具有相当大的优势，在军民领域具有巨大的应用潜力。高超声速飞行器是21世纪航空航天技术新的制高点，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，同时也将开辟人类进入太空的新方式。本文首先阐述了高超声速空天飞行器的概念，强调了其主要的军事用途。其次，分析了空天飞行器的主要气动布局形式和特点。最后，对国外航空航天大国的空天飞行器相关发展情况进行了综述，包括美国、俄罗斯、澳大利亚和法国等国家。

1. 引言

未来的高超声速飞行器能够在2个小时之内到达地球任何地方，能够像普通的飞机一样水平起飞水平降落，并以廉价的成本完成天地往返的运输任务，从而可在空间控制和空间作战中发挥重要的作用，而这些要求的实现从根本上都取决于高超声速飞行器技术的发展。高超声速飞行器所具有的全球实时侦查、快速部署和远程精确打击能力，将改变未来战争的作战样式，对国家安全产生战略性的影响。高超声速飞行器还具有显著的军民两用性，能为民用运输和航天运载等领域提供全新的途径，进而对社会进步及国民经济产生带动作用。

2. 空天飞行器

随着现代科学技术的进步和未来战场的不断拓展，世界各国正在逐步把航空和航天飞行器朝着有机结合成一体的方向推进。空天飞行器是指既能够进入太空飞行，又能较长时间在大气层内飞行的一种飞行器。空天飞机是在航空和航天技术相结合方面的初步尝试，可实现航天运载系统的部分重复使用、提高操作效率和大幅度降低航天运输费用的目的，同时更具有广阔的军事运用前景。虽然目前单级入轨或多级入轨的空天飞机还处于探索研究阶段，但它可望成为世纪最先进、最经济有效的航天运载工具，代表了今后数十年内航天运载技术的发展方向，并且将成为未来控制空间、争夺制天权的关键武器装备之一。

空天飞行器的飞行过程可分成三段：一是发射上升段，二是轨道飞行段，三是再入返回段。对于发射上升段，从目前和未来相当长一段时间的技术水平来看,比较可行的方式还是依靠液体火箭或固体火箭。空天飞行器只是作为火箭的“乘

客”，气动设计时主要需考虑飞行器与火箭的匹配，飞行器本身的外形并不由此阶段决定。在轨道飞行段，由于空气很稀薄或没有空气，所以此阶段也可基本不考虑空天飞行器的气动力问题。再入返回段对空天飞行器外形要求最高，因为在此阶段，空天飞行器需要穿越稠密的大气层，还要进行远距离的纵向和横向机动，气动现象十分复杂：其马赫数将达到十几、甚至二十几，温度将达到3 000℃~4 000℃。气动外形设计时需要综合考虑升阻比、推阻、静稳定度、配平攻角、气动控制性能等多种气动参数。

空天飞机可作为战略轰炸机、战略侦察机和远程截击机使用，这对进一步发挥战略空军的作用具有重要意义。空天飞机最高时速3万公里，可在海拔200公里的绕地轨道飞行。空天飞机显著特点使其有潜力作为未来空间作战力量的主要武器装备之一，是实施国家安全和军事战略的主要依靠，具有极其重要的战略战术应用价值，必然会在未来高技术战争中得到广泛运用，其主要的军事用途包括：

空间武器发射与指挥控制平台

在未来天战中，空天飞机不仅可作为各种武器弹药，动能武器、高能激光武器、微波武器、粒子束武器等的发射平台，还是天基系统的支援平台。能对敌方陆、海、空、天重要目标进行攻击，对战争的胜负产生至关重要的影响。空天飞机还能像载人空间站那样在轨长期停留，配备了先进的指挥控制系统，可根据战时需求，随时承担起作战指挥任务。

增强情报信息的时效性

空天飞机可利用携带的照相侦察、电子侦察等设备对陆、海、空、天目标进行侦察与监视，对导弹发射进行预警。与各种侦察卫星相比，空天飞机具有更大的灵活机动性，它既可以像军用卫星一样在太空轨道运行的过程中获取敌方情报信息资料，也可脱离轨道反复在目标区的外层空间飞行，随时掌握作战地区敌情变化，综合各种侦察信息，提供更及时、更准确地战场信息。

空战和太空战融于一体

空天飞机具有航空与航天的双重功能和在两个空间层次作战的能力，必将成为沟通空中与太空战场、将空中斗争与太空斗争融为一体的新型高技术装备。它装备有各种先进太空武器以及大气层内远距离攻击武器，可根据作战需要，寻找并击毁外层空间的军用卫星、空间站等太空目标及大气层内的各种航空器。

3. 研究现状

20世纪80年代初，以美，苏为首的两个军事集团的空间军备竞赛愈演愈烈，1985~1994年美国实施了庞大的“国家航天飞机计划（NASP）”。由于巨额经费和技术上的复杂性以及政治上的干预，此计划经历巨大挫折，但推动了高超音速技术的发展，逐步掌握了马赫数小于8的超燃冲压发动机设计技术。

a)美国

冷战结束，美国的国防预算大幅度地缩减，又由于缺少在高马赫下的实验数据,而无法进行昂贵的全尺寸设计。取而代之的是以实施一个6年期的技术上“风险缩减”的计划。此计划主要是进行高超音速的研究。美国空军仍关注X-系列空天飞机的发展,并给NASA注入资金。X-33给美国空军构造了建立亚轨道天军的蓝图。X-33系列飞机因流线型阻力小而倍受美空军的青睐，而且X-33在1999年的多次实验中进展顺利，进行了一系列亚轨道跳跃、飞机入轨和着陆的试验。但在2000年压力试验中由于装有液态氢燃料的复合材料层外壳破裂，NASA暂停X-33计划。

图1 美国X-33空天飞机设想图

尽管X-33项目于2001年终止了，但美国对于空间机动飞行器（SMV，Space Maneuver Vehicle）的研究并未停止。X-37是继X-33和X-34以后第三个可重复使用技术演示验证机项目，其飞行高度更高、速度更快。

X-37是第一个进行探索轨道和再入返回阶段的飞行。为了减小空间飞行的成本，X-37验证飞行器采用了41项新型技术和飞行试验。X-37的外形是由X-40进行120%缩放得到，X-40是美国空军的一个在大气层内飞行的无动力飞行器。X-37的模块化设计与其他技术（比如先进热防护、推进系统、先进的电子设备和其他飞船系统）相容，共同进行轨道测试试验。X-37验证机的设计将与高达9个月的在轨时间相适应。

图2 X37飞行器

2002年11月，作为NASA太空主动发射计划（Space Launch Initiative）的一部分波音公司获得一份价值3.01亿美元的新合同，继续X-37验证机的研究工作。新的合同包括了研制两种飞行器：X-37进场/降落试验飞行器（ALTV，