航天科工集团刘兴洲-高超声速技术研究和发展

高 超 声 速 研 究 发 动 机 （ Hypersonic Research Engine-HRE） 是 美 国 为 验 证高超声速冲压发动机在Ma=3－8的内 推力性能设计的。
Ma=4－6时为亚燃，Ma=6－7时从亚燃 过渡到超燃，Ma=8为全超燃。采用分级 燃料喷注器完成模态转换。整流罩前缘 直径为457mm，长约2.4m，燃烧室为 园形燃烧室。
2. 美国超燃冲压发动机发展情况
鉴于高超声速技术的重要性,美国,俄罗 斯,法国,日本,德国,澳大利亚,印度均积 极发展超燃冲压发动机技术,下面仅对 美国情况作简要介绍.
2.1 HRE计划 超燃冲压发动机的初期发展阶段（19651975）
美国超燃冲压发动机研究始于20世纪60年代。 在1960年，Ferri教授提出了超燃冲压发动机概 念，设计了第一个超燃 冲压发动机，在1963年 进行了自由射流试验。
Biblioteka Baidu
X-43A发动机在地面进行了大量试验，取得 了多项世界第一： 1）全一体化超燃发动机模型在风洞上的试 验； 2）双模态超燃发动机飞行控制； 3）偏航效应对发动机性能和气动干扰影 响； 4）使用烧蚀材料的前体和喷管表面； 5）发动机试验验证技术。
2. 3.2 X-43A在Ma7的飞行试验 X-43用飞马座加速火箭助推，火箭吊挂在 DFRC的B-52飞机翼下，高空投放； 用助推火箭加速至试验条件（Ma=7或 10），助推器与X-43分离； 在分离后，X-43飞行器将开始短时间的无 动力飞行阶段，为有动力飞行试验程序作 准备，然后点火工作。
用于做HRE飞行试验的飞机为X-15A2， X-15从B-52飞机上发射，X-15创造了有人驾 驶高空高速飞行的记录，速度达到2330m/s （Ma6.7），高度达107960m。 1967年10月3日在携带可抛贮箱及有烧蚀防护 层的情况下，以飞行速度Ma=6-7进行的，由 于激波交叉的原因，飞机与发动机挂架发生结 构性损坏，在飞机着陆时，HRE模型从机身下 方脱落，带飞试验没有成功。
针对失败，美国进行了改进： 1) 发展了更准确的飞行器气动、结构、尾 翼作动器系统模型； 2) 研制了新的尾翼作动器； 3) 减少助推器重量，降低了飞行器承受的 动压和载荷。
2004年3月27日美国B－52在12000米高空 投放了飞马座携带的x-43A验证机； 在分离5s后，助推器点火； 火箭爬升到28500米，X－43A分离，超燃 冲压发动机起动，依靠自身动力爬升，最 高速度达Ma=7.0 熄火后，可控下降，飞行8min,取得大量 气动数据。 飞行试验取得成功。被称为是“莱特兄弟 首次飞行以来，航空技术的最大突破”， 标志着高超声速技术即将得到应用，高超 声速武器将成为世界军事热点。
（3）在军事上，可研制成空天飞机，高 超声速飞机，高超声速武器，高超声速 武器的出现，必将给未来战争带来一些 重大变化，是武器装备实现跨越式发展 新的生长点。
高超声速飞行器关键技术
1. 超燃冲压发动机技术； 2. 内外流一体化气动设计技术； 3. 材料/结构与热防护技术; 4. 导弹总体一体化设计技术; 5. 制导控制技术等. 本文主要讨论超燃冲压发动机技术的研 究和发展。
(1) X-43C: X-43C是NASA和空军联合发展的。飞行 器长16英尺，装备三模块冲压发动机。使 用碳氢燃料超燃冲压发动机，并用燃料冷 却。飞行器被加速到马赫5，超燃冲压发动 机启动，然后自行加速到马赫7。飞行持续 5分钟，演示验证飞行性能。该计划的实现 将为发展高超声速巡航导弹创造条件。
X-51A试验 1）在地面试验中，模拟不同的真实的飞行条 件下进行试验：包括飞行M数连续变化，飞行 时间，纯净空气（污染空气的影响），热负荷 ，装载发动机时飞行器的性能。 2）获取具有主动冷却，自主控制的超燃冲压 发动机飞行试验数据。
Boeing设计了全尺寸飞行器前体/进气道和喷管一体 结构。具有数字式发动机控制系统，包括操控复杂的 燃料分配与调整，燃料冷却全闭路循环等特色。
X-1 (Nov. 2006) q=100Kpa,风洞直径一米
GDE-1 （June 2003)
X-51A计划主要目的 1）利用吸热碳氢燃料进行超燃冲压发动机 M4.5+－M6+飞行试验； 2）演示吸热碳氢燃料超燃冲压发动机在飞 行过程中的生存能力，并证明自由飞超 燃冲压发动机飞行器的生存能力； 3）最终演示超燃冲压发动机与高超声速 飞行的组合,验证产生的推力从起动到加 速的全过程能够大于阻力。
2. 3.4 Hyper-X计划项目 美国Hyper-X计划目前分为两个阶段， 在状态Ⅰ(PhaseⅠ)阶段有四个步骤： X-43A 气氢SCRAMJET与机体一体化飞 行演示试验，M=7，10； X-43B 碳氢燃料RBCC与机体一体化飞行 演示试验，M=7； X-43C 碳氢燃料SCRAMJET与机体一体 化演示试验，M=7； X-43D 氢SCRAMJET与机体一 体化飞行演示试验，M=15。
2. 2 NASP计划 1986年2月4日美国宣布推行NASP计划， 研究水平起降，单级入轨的研究机X-30。 NASP计划目的是发展可完全重复使用、单 级入轨、水平起降、超燃冲压发动机推进 的空天飞机。
主要技术问题有： （1）确定在高马赫数的高超声速冲压发动 机特性； （2）确定空天飞机飞行时，由层流附面层 转换为紊流附面层的转捩点； （3）保证空天飞机高超声速飞行时的稳定 性和可操作性。
X-43A超燃冲压发动机在NASP计划的基础 上进行,最后形成HXEM模型。 1995.5完成X-43概念设计; 1996.10完成初步设计; 1999.10 X-43交付给DFRC。
X-43A飞行试验的目标是： 1）采集飞行试验数据，以证明一体化、使 用氢燃料、双模态的超燃冲压发动机的 性能和可操作性。 2）演示有控制动力和无控制动力的高超声 速飞行器的飞行。 3）通过飞行试验可以积累高超声速飞行器 的设计经验，降低飞行试验风险，可以 验证和改进设计方法。
美国目前在执行先进的空间运输计划 （ASTP），目标是发展可重复使用的第三 代空间运输系统，将使费用降低100倍，安 全性提高10000倍。达到这一目标的主要手 段就是使用高超声速吸气式及其组合动力 装置，重点研究超燃冲压发动机。美国制 定了Hyper-X飞行演示计划，包括X-43A、 B、C、D。这一计划的执行将为高超声速 巡航导弹，高超声速飞机，空天飞机的发 展创造条件。
X－43A的Ma＝10飞行试验的特点： 1) 在地面上只进行了工作时间5ms的激波风洞 试验，为更高Ma数的发展提供了经验； 2) 飞行器产生了有效推力，达到了推阻平衡； 3) 验证了气动力热，駐点温度达3310K，头部表 面温度达2255K; 4) 垂尾改为增强碳/碳材料前缘，并增加了涂层； 5) 加大了头部钝度，减轻了头部脱体激波加热； 进气道唇口冷却。 这一次飞行试验又一次打破了世界记录.
NASP计划的结束 1994年NASP计划宣布结束，主要原因 有： 经费困难，拨款连年减少； 技术难度大，工作进展慢； NASA 与国会意见分歧。
NASP的发动机模型完成了1500次试验； 发展了超燃发动机设计方法； 发展了试验设备和测试技术； 建立了数据库； 研究了新材料和热结构。 NASP的工作为超燃发动机的发展开辟了道 路。
高超声速技术 研究和发展
刘兴洲 航天科工集团三十一所 200807
内容
1. 前言 2. 国外超燃冲压发动机技术的发展 3. 超燃冲压发动机关键技术 4. 国内超燃冲压发动机研究工作 5. 发展目标 6. 结束语
1 前言
随着技术的发展，特别是信息时代的 需要，要求实时到达，要求发展高超声 速飞行器； 目前高超声速飞行器技术受到日益重 视。
1968年1月，X-15计划中止，因而也终 止了HRE飞行试验。 在X-15计划取消以后，HRE计划继续进 行了地面试验项目.
以上工作证实了超燃冲压发动机的性能、 可操作性、结构和控制，在地面上取得了 原理性的突破。在进行这些工作以后， HRE更加具备了飞行条件，但美国认为 HRE的安装特性不好，把飞行试验计划搁 置了，美国失去了超燃冲压发动机通过飞 行试验验证的宝贵机会。
高超声速冲压发动机 NASP最重要的研究内容是发展从超声速 到高超声速飞行工作的超燃冲压发动 机，开始是进行发动机模型研究，使用 1/7缩比的超声速燃烧冲压发动机。研 究了多种模型,如GBL模型, A—C模型, SX-20模型, SXPE和CDE模型, MIMI模 型等.
以上试验验证了发动机流路设计方法， 验证了几何尺寸，动压，试车台气体成 分，粘性效应，附 面层厚度的影响。 MIMI（Module-To-Module)模型是几 个相邻的模块构成，用以确定模块之间 工作的相互影响.至此，模型试验已接近 全部完成。
2. 3 演示验证阶段 Hyper-X计划
， NASA和国防部自60年代起就开始研究，试图 找到一种经济上可承受的，运行方便的，可对 空间有互动响应的发射系统，尽管在发展过程 中有曲折，但是NASA和国防部仍然坚信高超 声速技术的潜力，能够提供 廉价，快速响应, 可重复使用的手段进入空间，满足美国2020 年以后发射 的需求。 在NAI倡议中，勾画了空间技术的发展蓝图。
Hyper-X计划目的是 1) 验证试验技术; 2) 验证计算方法和设计分析工具； 3) 验证使用氢燃料和炭氢燃料超燃冲压发 动机的飞行器技术； 4) 验证使用组合循环发动机的飞行器技 术。
2. 3.1 X-43A概况 设计指标是： 1) 长度： 3.6m； 2）宽度： 1.5m； 3）飞行速度： Ma=7~10； 4）飞行高度： Ma=7，H=29000m； Ma=10， H=33000~36000m。
（2）在经济上，高超声速武器将提 高作战的实效性。使用空天飞机，将 降低到达地球低轨道的有效载荷发射 费用，可从航天飞机的每公斤有效载 荷一万美元，RLV的每公斤有效载荷 一千美元，降到使用空天飞机的每磅 一百美元，是解决人类进一步开发太 空资源的重要手段，使空间开发更为 现实；同时，提高了安全性和可靠 性。
X-43A飞行器在2001年6月2日在太平洋发 射，高度7300米，在飞马座助推火箭与 B-52飞机分离后，在分离13s后 助推器偏 离可控轨道，右尾翼破坏，1s后，左尾 翼和舵面破坏。在分离48.5s后，飞行控 制员将飞行器摧毁，首次试飞失败。 2002年3月28日，美国指出失败原因在于 气动和控制模型不准确。
美国空军于2004年1月13日与P&W和 Boeing签订了合同, 发展吸热式炭氢燃料超 燃冲压发动机演示器X-51，计划2008进行 飞行试验。
U.S. Endothermic-Fueled X-51(SED) Flight Demonstrator (2003-08)
2006年10月到2007年4月在NASA Langley的2.4米 高温风洞中对X-1进行了成功的试验 M4.5, 5, 6.5 X-1演示发动机特指SJX61-1(原SED) 首次实验的M数是5
2. 3.3 X－43A在Ma10飞行试验 2004年11月16日，X－43A由B-52B携带 升空，在12000m高空分离，飞马座助推火 箭将X-43A推至大约33800m高空； X-43A与火箭分离2.5s后，开启进气道门， 0.5s后，超燃冲压发动机点火，发动机持续 工作10－12s，速度达到Ma=9.8； 为验证无燃料的特性，发动机吸入空气， 工作8－9s，在分离后的21s关闭进气道。然 后发动机以接近等动压下降，以测量气动 数据，在分离14min后，坠入太平洋。
吸气式高超声速飞行器技术指的是用于 飞行速度Ma＞5，在大气层和跨大气层 中实现高超声速远程巡航飞行的飞行器 技术(简称高超声速技术)。高超声速技术 主要是发展空天飞机、高超声速飞机、 高超声速无人飞行器等新式飞行器。
高超声速飞行具有重要意义:
（1）在科学技术上，高超声速技术是当 代科学技术发展前沿。它要突破热障， 在大气层中实现高超声速巡航飞行，它 将改变航空航天飞行面貌，它是航空史 上的第三次革命；