国外高超声速飞行器发展概况

2015-12-18

国际太空 2015年10期

国外高超声速飞行器发展概况

Development Situation of Foreign Hypersonic Vehicles

唐耀秦雷（北京航天情报与信息研究所）

随着世界军事格局发生深刻变革，战争日益由传统以人为主体的作战模式转换到无人参与的作战模式，因此各国均把速度更快、机动能力更强的高超声速飞行器技术作为未来重点发展的研究方向。近年，国外临近空间飞行器技术发展迅速，美国X-51A计划和“兵力运用与本土发射”（FALCON）高超声速飞行器计划取得显著成果。

1　引言

临近空间高超声速飞行器作为新一代进攻型武器，是美国全球快速打击的重要组成部分，以临近空间武器为代表的全球快速打击武器成为支撑美国新“三位一体”战略中“非核远程打击”的重要选择。

临近空间武器将在未来作战中充当“开路先锋”，先期负责摧毁现有防空反导武器核心节点，成为新一代攻击体系骨干装备。美、俄、印、法、英、德、澳、日等国已加紧推动相关技术研发，其陆续装备部署，将给世界军事格局与军力对比带来深远影响。

2009年美国提出“空海一体战”计划，旨在遏制中国的军事力量，特别提出要有“战略突防”和“1小时远距离精确打击”能力，以“确保继续进入和控制西太平洋地区”，临近空间武器成为美军发展应对“反介入/区域拒止”能力的重要选择。

临近空间武器旨在打击“时敏、高价值、决定性”的目标，具有高速度、强机动、高精度、超远程、强突防等特点，具体如下：

1）高速度：高超声速巡航导弹飞行速度在马赫数5以上，滑翔弹头最大速度可达马赫数20；

2）强机动：滑翔弹头横向机动距离可达射程1/3，飞行过程中可变更打击目标；

3）高精度：米级精度，实现“点穴式”打击；

4）超远程：射程数千千米到上万千米；

5）强突防：飞行速度快，压缩系统反应时间；机动能力强，增大拦截难度，典型飞行高度在现有防御系统主要防区之外。

美军提出临近空间武器主要包括高超声速巡航导弹、高空高超声速作战飞机、高超声速滑翔弹头等。

2　国外高超声速飞行器发展现状

美国

最早开展高超声速飞行器研究的是美国，其研究工作开始于20世纪50年代。美国在多个项目中进行了地面试验和飞行试验，将高超声速飞行器技术的研究从概念和原理探索阶段推进到以实际应用为背景的先期武器开发阶段。迄今为止，美国实施过的研究计划有：“国家空天飞机”（NASP）计划，“高超声速试验”（Hyper-X）计划，“高超声速飞行”（HyFly）计划，X-51A计划，兵力运用与本土发射高超声速飞行器-2（FALCON HTV-2）计划和“常规打击导弹”（CSM）计划等。

X-51A飞行假想图

X-51A结构示意图

X-51A结构数据

（1）X-51A计划

2005年7月，美国空军将X-51A计划列入X-Plane系列中，命名为X-51A超燃冲压发动机演示器-乘波飞行器，又称为“乘波者”（Wave Rider）。X-51A中的字母“A”表示是X-51飞行器系列中的第一个飞行器设计方案，后续可能采用不同的助推装置或飞行器推进方案，将被命名为X-51B、X-51C等。

X-51A飞行试验发射准备

X-51A飞行器由巡航体、级间、助推器三个部分组成。其是由“可负担的快速响应导弹验证器”（ARRMD）计划研制的截短的乘波体机身发展而来的，外形主要由楔形头部、腹部进气道和控制面组成。助推器是经改造的洛克希德－马丁公司陆军战术导弹。该飞行器长约7.62m，质量1780kg，最大宽度0.584m，速度大于5793.6384km/h，飞行距离大于740.8km，升限大于21336m。

美国军方空军实验室透露，该技术将直接用于高超声速巡航导弹中。该导弹能以最高马赫数7 在30km以上的高空进行巡航。有效覆盖距离约达804.5km，并能用于战术导弹和战略导弹的攻防对抗。较高的巡航速度使其能更为快速地打击目标，同时，较大的动能可以使其能够有效摧毁较为坚固的目标。

2010年5月26日，美国空军在加利福尼亚南部海岸进行了X-51A的首次自由飞行试验，挂载在空军试飞中心B-52H“同温层堡垒”轰炸机的左侧机翼下，在飞行到穆古角海军空战中心海上靶场上空大约15240m高度时，投放试飞器。4s后，由美国陆军战术导弹固体助推火箭将X-51A 加速到大约马赫数4.5，随后投放试飞器连同级间段。X-51A的发动机使用乙烯和JP-7航空燃料混合物点火。经过短时间后，X-51A过渡到只使用JP-7航空燃料。此次飞行达到约21336m高度和约马赫数5的速度，续航时间大于200s。机载传感器将数据传输给美国海军一架P-3“猎户座”（Orion）空中载机和位于穆古角、爱德华兹和范登堡空军基地的地面系统。在超燃冲压发动机工作140s后，测试人员发现部分传感器异常，但发动机仍在工作，随后其与地面遥测数据链路中断，迫使控制人员在200s时启动了自毁程序。美国空军参谋长认为X-51A飞行试验的成功是空军装备划时代的里程碑。

2011年6月13日，X-51 A进行了第二次飞行试验。这次试验飞行地点与第一次飞行试验相同，X-51A挂在B-52飞机上，从爱德华空军基地起飞，在穆古角海军空战中心的海上靶场高空约15.24km释放。在助推级点火后，成功将飞行器加速至马赫数5。超燃冲压发动机成功点火，采用乙烯和JP-7混合燃料进行工作，但在随后将燃料完全切换至JP-7时，进气道未启动，最终未能转化为满功率运行。在此期间，飞行器曾尝试重新启动发动机，并调整姿态取向以优化发动机的启动状态，但均未成功，由于故障，飞行仅持续了9.5s。随后飞行器沿可控的方向飞行，并最终坠入海中。

虽然这次试验未能圆满成功，但其为高超声速研究提供了重要的数据。据悉，美国波音公司和普惠火箭公司共生产了4架X-51A试验飞行器，并希望能达到马赫数6的飞行速度。

格林尼治时间2012年8月15日17:00～18:00（北京时间2 0 1 2年8月1 5日0 1 : 0 0～0 2 : 0 0），X-51A进行了第3次飞行试验。按照计划，X-51A将搭乘B-52轰炸机从爱德华空军基地起飞，然后在太平洋上空约15.24km高度被释放，飞机脱离轰炸机后，发动机将点火。项目官员们原指望X-51A的超燃冲压发动机能在维持5min的马赫数6高超声速飞行之后才落入太平洋。但实际飞行过程中，X-51A乘波者飞行器虽然按计划实现了与载机的成功分离，助推火箭也实现了点火，但是巡航级舵面出现故障，级间分离后巡航级失去控制，X-51A在16s后就垂直坠进了太平洋。

2013年5月2日，X-51 A进行了第4次飞行试验，实现了其首次成功飞行试验。此次X-51A飞行试验有动力飞行240s，飞行最大高度18.288km，最大速度马赫数5.1，航程426km。

X-51A由B-52H母机挂载，从位于加利福尼亚州的爱德华空军基地起飞，在高度为15.24km时，飞行器与B-52载机分离；助推器点火工作约26s后，飞行器速度达到马赫数4.8，助推级和巡航级分离；超燃冲压发动机点火工作，有动力飞行240s，最终在18.3km高度达到最大速度马赫数5.1状态，之后转入无动力滑翔。整个飞行过程持续传回遥测信号，最终获得了370s的试验数据。

尽管X-51 A作为一个技术演示验证项目，仍处于试验与发展阶段，但从目前发展看，其作为美国研究高超声速飞行器的关键计划之一，是离工程化应用最为接近的高超声速飞行器之一，其自由飞行的成功，将使超燃冲压发动机技术向实用化迈出重要一步，X-51A的研究成果将被应用到由美国空军研究实验室（AFRL）近期提出的高速打击武器（HSSW）演示验证项目的研究中。预计2015年前后，以X-51A为基础的高超声速巡航导弹形成初始作战能力，X-51+也列入了2015年后规划中的飞行试验。

（2）“兵力运用与本土发射”计划

美国国防高级研究计划局（D A R P A）和美国空军于2 0 0 2年推出“兵力运用与本土发射”（FALCON）计划，其目的是使美军具备能够对全球任何地点进行快速打击和兵力投送的能力。2005年，美国国防高级研究计划局和美国空军按照国会的意向，将“兵力运用与本土发射”计划中的“通用航空飞行器”（CAV）重新命名为“高超声速飞行器”（HTV），去除了其中有关武器化的内容。“高超声速飞行器”包括高超声速飞行器-1、2和3，通过一系列飞行试验来验证高超声速滑翔飞行技术，目前已经进展到高超声速飞行器-2阶段。

“高超声速飞行器”将由类似“人牛怪”的运载火箭将其推进到240～300km的高度，随后“高超声速飞行器”与运载器分离并再入大气层。“高超声速飞行器”没有安装发动机，但装有导航控制系统，再入地球大气层时的最大速度可达马赫数20，能在数小时内打击全球任何目标。

2009年，美国军方授予洛马公司一项计划：改进高超声速飞行器-2的设计，使之能容纳武器。已经完成两架试验用验证机的建造（高超声速飞行器-2a和2b）。

2010年4月22日，高超声速飞行器-2a完成了首次高超声速滑翔试验，实现了马赫数20下可控飞行。但高超声速飞行器-2a在飞行9min后失控，据报道可能是再入大气层时温度过高，摧毁了飞行器。未来设计能滑翔3000s，纵向滑翔16668km。

高超音速飞行器-2从运载火箭分离

2011年8月11日，高超声速飞行器-2进行了第二次高超声速滑翔试验，实现了马赫数20下可控飞行。此次试验虽未能实现预期的目标，但飞行时间比第一次有了较大提升。虽然美国目前没有再次制造高超声速飞行器-2的计划，但高超声速飞行器-2未能完全验证的关键技术将会在基于高超声速飞行器的技术而发展的“常规打击导弹”计划中得到验证。未来计划是以高超声速滑翔弹头为依托继续发展“战术助推滑翔”（TGB）计划，该项目总价值为2600万美元，该项目的目的是在未来五年内验证与高超声速助推滑翔飞行器有关的关键技术。未来还计划开展X-Plane计划，该计划已经被列入规划中的飞行试验。目前美国正开展第三架高超声速滑翔弹头集成工作，已经调整完高超声速滑翔弹头质心位置，未来设计能滑翔3000s，纵向滑翔16668km。

（3）“先进高超声速武器”计划

除美国空军外，美国陆军也启动了“先进高超声速武器”（AHW）计划，用于实现远距离快速投放常规武器实施打击。AHW计划是美国陆军提出用于实现常规全球快速打击计划的滑翔弹头，可部署在关岛、印度洋迪戈加西亚和波多黎哥。与“常规打击导弹”计划和高超声速飞行器-2计划相比，对“先进高超声速武器”计划的报道甚少。该飞行器采用美国海军“海神”弹道导弹的助推级STARS，并带有精确制导系统。该武器采用圆锥体加四个襟翼的构型，并具有较强的机动能力，能够绕过第三方国家实施打击，射程比高超声速滑翔弹头短，能在35min内到达6000km以外目标，命中精度在10m以内。美国国防部认为陆军的这一计划有助于为降低空军“全球快速打击计划”（CPGS）的风险提供支持。与高超声速飞行器-2计划相比，“先进高超声速武器”计划技术风险更低，将更早形成威胁。

美国对该计划进行了两次飞行验证试验。2011 年11月17日，AHW的首次飞行试验获得成功，试验射程达4600km，2014年开展了第二次飞行试验，但是试验失败。据报道，AHW正在开展3900km、7000km、9000km等多种射程的助推级方案论证，还计划发展空基、海基、潜射等多种类型。

（4）高空高超声速作战飞机

除了助推-滑翔飞行器发展计划，美国还研发了一款高空高超声速作战飞机，代号为SR-72，它是一款集情报搜集、侦察、监视和打击等多种作战能力于一体的高超声速飞行器，2013年11月，美国洛马公司“臭鼬工厂”正式发布SR-72战机概念，预计于2025-2030年前形成初始作战能力。其飞行高度为25～40km，飞行速度为马赫数6。

SR-72高空高超声速作战飞机

俄罗斯

原苏联及俄罗斯非常重视发展高超声速飞行器技术，现今，其高超声速飞行器技术处于世界领先水平。先后实施了“冷”计划、“针”计划、彩虹-D2计划、“鹰”计划和鹰-31计划等高超声速计划。目前，俄罗斯有多家机构致力于高超声速技术基础理论研究，在亚燃/超燃冲压发动机、碳/氢燃料、耐高温材料、计算流体力学（CFD）技术及一体化设计技术等方面取得了重大突破，并且已经进入了高超声速技术飞行验证阶段。