高超声速与空天飞行器技术前景研究

黄骞生

摘 要：更高的速度和更高的高度是人类永远的追求，“空天一体”战略的提出将使传统的空天之间的界限不复存在，更使先进的高超声速与空天飞行器成为必需。目前，高超声速飞行器已成为各航空航天大国努力研究的对象，更被认为是“继作战飞机和核武器后又一个改变战争游戏规则的革命性产物”。本文对高超声速飞行技术多年来的发展探索及未来发展进行了介绍和分析。

关键词：高超声速 空天飞行器 空天一体

中图分类号：TJ760 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）11（a）-0076-03

高超声速飞行器是指大气层内飞行马赫数在5以上的飞行器。20世纪50年代末以来，以火箭发动机为动力的高超声速技术已广泛用于各种战术和战略导弹、航天器等。受限于火箭发动机较低的比冲，这类飞行器飞行时间有限且很不稳定，现在各国均着力于研制新型的以吸气喷气发动机为动力的高超声速飞行器，也被称为临近空间飞行器或空天飞行器。近年来，包括我国在内的各军事与航天强国均在高超声速方面有较大投入和成果，高超声速技术可能将成为下一次技术革命的主角。

1 各国高超声速与空天飞行器技术发展现状

1.1 美国

美国是最早开始发展高超声速飞行器技术的国家之一。早在1950年，美国军方就启动了旨在研制出高超声速轰炸机和侦察机的“超级盗贼”项目，后演变为著名的SR-71“黑鸟”超声速侦察机。同期进行的还有X-15高超声速验证机项目等。1985年美国启动国家空天飞机（NASP）计划，获得了Ma>8情况下的超燃冲压发动机设计技术，建立了高超声速气动数据库[1]；后启动了Hyper-X计划，于2004年成功试飞X-43A高超声速飞行器，实现了Ma9.68的喷气式飞机速度纪录；2010年又成功试飞X-51高超声速飞行器，实现了在18288m高度以Ma5.1连续动力稳定飞行200s的目标；还与包括前苏联在内的多国合作开展高超声速相关研究。其拥有多个先进的高超声速研发和试验设施，可进行高速下的发动机燃烧和空气动力试验。在相关的工程实践、经验数据积累等方面处于世界前列。

1.2 前苏联/俄罗斯

前苏联的高超声速技术研究几乎与美国同期开始，由于保密，公开资料很少。已知的项目包括米格-105“螺旋”空天战斗机计划和著名的“暴风雪”航天飞机等。苏联解体后，俄罗斯除与美国合作进行“冷”项目之外，还独立进行了“彩虹”“针”和“射手”等高超声速飞行器项目并多次在航展上展出概念设计。试验设施方面，中央航空发动机研究院有一台具备Ma7气流速度下模拟试验能力的大型试车台，其水平仍处于世界前列。

1.3 日本

日本无法将高超声速技术用于军事方面，但仍较为重视其在民用方面的应用。其研究起源于20世纪80年代末，目前正计划与美国或欧洲合作研制6马赫级别的高超声速客机，其国内的研究设施包括一座Ma4-8的大型高超声速发动机试车台和大型高温激波风洞。

1.4 中国

中国是这方面的后起之秀。具体研发项目公开资料很少，但在高超声速技术应用方面处于世界前列，是世界上唯一公开确认组合式涡轮冲压发动机进入原型机试飞阶段[2]的国家。中国也有研发使用高超声速技术的空天飞机计划，并计划在2025—2030年进行飞行试验。还有连续旋转爆轰发动机等先进技术，在试验设施方面具备多座大型如JF12、FD21和M4-7等高超声速风洞。总体水平与美俄并驾齐驱。

2 高超声速与空天飞行器发展概况

2.1 一次性高超声速飞行器

包括采用高超声速技术的弹道导弹、巡航导弹等和一次性使用的验证机，飞行方式有助推滑翔式和动力滑翔式等，是目前各国试验和使用最多的高超声速飞行器/武器。

（1）美国。

美国试验过多种一次性高超声速飞行器，其中最富有代表性的是Hyper-X计划和空军HyTECH计划中的吸气式动力验证机X-43A和X-51A，以及国防部高级研究计划局（DARPA）的HTV-2助推滑翔试验飞行器。

（2）俄罗斯。

已知的项目包括类似美国X-43和X-51的“针”“彩虹”项目。公开程度较多的是GLL-31“射手”高超声速飞行器。此外，還与印度合作研发“布拉莫斯”II高超声速巡航导弹。

（3）中国。

项目保密程度较高。2014年1月，美国防部探测到中国进行类似于HTV-2的高超声速助推滑翔飞行器飞行试验并称之为WU-14，中国官方随后予以承认。根据美方监测数据，共进行过7次试飞，全部取得圆满成功，且已有实际应用案例，据称东风-26反舰导弹就装备了类似WU-14的助推滑翔机动弹头，具备Ma7速度下40°大攻角的极强高超声速机动能力。中国还进行过类似于“冷”项目的超燃冲压发动机试验。

（4）欧盟各国。

欧盟各主要发达国家均较重视高超声速技术，尤以航空工业实力雄厚的法国最突出。其研究计划制定于1992年，主要项目包括“浅黄”超燃冲压发动机和“普罗米修斯”高超声速巡航导弹。还与美国SR-72同期研制类似的无人高超声速侦察机。实用成果包括ASMP空射核巡航导弹。英国则侧重于空天飞机，先后提出过布里斯托尔188、霍托尔号、桑格尔号和正在研制中的云霄塔等多个方案。

2.2 多次使用高超声速/空天飞行器

指使用高超声速技术的飞机等可在完成任务后返回的飞行器。目前这类飞行器均处在研制阶段，已正式开始研发的只有美国的SR-72无人高超声速侦察机。中国也在研制被称为“腾云工程”的两级高超声速空天飞机，并有公开论文称发动机将于年内开始试车。英国则在研发“云霄塔”空天飞机以及衍生型A2高超声速客机。日本也在与欧洲合作设计高超声速客机并计划在此基础上研发空天飞机。

3 高超声速与空天飞行器的应用及技术难点

3.1 高超声速与空天飞行器的应用价值与前景

高超声速飞行器最大的价值在其高速。Ma5以上的飞行速度是普通喷气式民航客机的6倍，大多数战斗机的两倍，可在2h内横跨大西洋从纽约飞到巴黎。能够加速到轨道速度的空天飞行器，则能够在90min内到达全球任何地点。

空天飞行器的运载能力也大于传统航天器。“云霄塔”最大起飞重量275t，近地轨道运载能力12t，比相同起飞重量运载火箭大一倍，可在普通机场起降，准备时间较短，可做到快速高效向轨道大量运输物资。在军事方面，除可快速部署卫星，空天飞机若大量装载武器，就能变成在2h内攻击全球任何目标的超级轰炸机。

超高空高速飞行能力也使这类飞行器具有极高的军事价值，SR-72侦察机的研制即起源于此。这类侦察机甚至能以比防空导弹更高的速度穿梭敌方领空收集情报并在敌方施加有效拦截之前返航。如将侦察设备换成武器，就能在敌方反应之前实施精确的高超声速快速打击并摧毁目标。类似东风-26机动弹头的助推滑翔高超声速飞行器，能够在面对敌方防御的时候做出大幅度机动，极大提高弹道导弹的打击成功率；在X-51A基础上发展出的高超声速巡航导弹也将具备比传统巡航导弹更强的突防能力，且因飞行速度大幅提高，击中目标时动能极大，导弹可以不安装战斗部，仅依靠动能即可保证击毁敌方目标，让弹体做得更小更轻，提高射程和适应性。

民用方面也有明显价值。除前文提到的超高速民航运输之外，空天飞机能够快速高效向轨道运输大量物资，大幅降低进入太空的成本。为减小空气阻力达到高速飞行，其往往需要在高度20000～35000m的超高空飞行，因此具备在其他飞行器很少能够达到的超高空进行长时间飞行的能力，能够作为超高空科研平台。

此外，此类飞行器的研发还将带动一系列热力学、材料力学、燃烧力学、计算流体力学等方面的进步，这不仅对高超声速技术本身的发展起到了推动作用，还将带动其他飞行器乃至其他领域的发展。

3.2 高超声速与空天飞行器的技术难点

（1）热防护技术。

在高度20～35km的超高空乃至100km上下的轨道/亚轨道高度，做Ma5-25的高速飞行，飞行环境极其恶劣。较低的空气密度导致空气的热传导率下降，飞行器机体表面的高热无法有效散发到空气中，高速飞行又导致空气与机体表面高速剧烈摩擦，产生大量热量。其所面临的热环境与传统航天器迥然不同且更具挑战性，传统航天器仅需在经过大气层最稠密段时短时间承受高热量，可以采用消耗性的烧蚀材料防热，而高超声速飞行器却需要在长时间高速飞行中承受累加的高热，必须使用可重复使用、长时间冷却的防热措施。目前主要采用较高熔点的碳纤维复合材料、钨合金等制造机体表面蒙皮以获得较强的防热能力，此外还有使用热辐射率较高的材料将热量散射出去的方案。但这些被动措施仍无法避免机体被烧毁，需要使用如燃料循环冷却等主动散热技术加以配合。此外，还需要开发新的防热材料。

（2）高超声速空气动力学技术。

高超声速环境下的空气动力学与正常环境下差异明显。由于空气密度变小，分子平均间隔变大，空气的连续性相比海平面明显减弱，粒子性变得更加明显，计算时已不能将空气看作连续流体处理。同时，高超声速下空气受热影响明显，计算中必须考虑热力学因素。由于边界层受热膨胀和流动受热力影响明显，雷诺数已经不能很好地描述高超声速下的边界层和流动现象，需要开发新的计算工具和试验方法来实现高超声速下的空气动力学设计。此外，高超声速下基本无法像常规情况下那样由机翼产生升力，需要由乘波体或升力体布局产生压缩升力或激波升力，这让整机的空气动力学设计变得更加复杂；空气密度低，飞行器的机动也是一个重大难题。

（3）黑障通信技术。

高超声速和空天飞行器的飞行速度过高，机体表面温度会将周围空气加热到等离子体状态，形成等离子体鞘套，导致电磁屏蔽，未达到一定能级的电磁波无法穿透，形成“黑障”。如果使用传统的通信技术，飞行器将无法实现与外界的通讯和收发信号，侦察、作战与导航就无从谈起。目前美国已在航天飞机上部分解决了黑障通信，其原理是，由于飞行器是高速向前飞行，等离子鞘套会从机头向机尾包裹，机尾会有部分空隙，从而能够从中发送信号建立通讯。但这种方法只能实现通讯，无法完成导航等任务，并且对飞行器的姿态限制较高。

目前在研究的黑障通信技术包括采用电磁方法和发展激光通信。电磁方法有很多，如采用人为产生磁场在等离子鞘套上形成开口使无线电波能够通过，或通过调制波段和增加发射功率使无线电波达到能够穿透等离子鞘套的能级。激光通信则采用激光的方式突破等离子鞘套，但通讯距离较短。还可通过气动外形设计主动减少等离子鞘套厚度改善通讯条件的方法。

（4）高超声速动力技术。

各种吸气式高超声速飞行器方案所采用的动力系统设计中的飞行包线使得动力系统的设计难度极大。普通涡轮喷气发动机由于风扇无法在超声速下工作，来流必须先减速到亚声速才能进入发动机。但当飞行速度达到Ma3以上时，来流无法被有效减速到亚声速，若强行减速，温度将会急剧上升超过发动机工作极限。先减速再燃烧加速喷出也带来明显的能量损失，使火箭发动机需要大量燃料且效率极低，因此目前只有超燃冲压发动机能够适应高超声速飞行，但它需要在Ma3以上才能启动，工程实际中需要Ma4甚至更高的速度。怎样实现涡轮喷气发动机与冲压发动机的平滑转换，是难度较高的工程問题。此外，由于超燃冲压发动机燃烧速度极快且超声速燃烧，很难维持稳定工作状态，在各种不利姿态下更难维持稳定燃烧。目前在实际飞行中燃烧时间最长的超燃冲压发动机是X-51A的SJX61，在Ma5.1的速度下稳定燃烧了210s。

使用组合发动机不仅要解决单个发动机的工作问题，还要解决每个分系统的协调运行和平稳转换问题，难度更大。

（5）高超声速结构技术。

由于飞行器在高超声速下飞行会受到强烈的热载荷和气动载荷，克服这些载荷成为高超声速飞行器结构设计的一个难题。对空天飞行器设计来说，这一难题更加困难，因为为了满足进入近地轨道所需的巨大速度，空天飞行器必须携带大量燃料，而自身重量必须极轻，质量比需达到5以上。此外，结构还需要能够承受强载荷。为满足这一要求，需要发展新的结构技术和新型材料。

4 结语

目前各国均在大力推进高超声速技术的发展。作为前沿技术的高超声速技术，因其超高速的特性而具备了极大的军民应用价值。在军事上，高超声速技术能够物化为具备超强高速远程打击能力、克制全部现役武器系统的先进武器和能够“一小时打遍全球”甚至跨越空天作战的先进作战平台，具备强大的战斗力和威慑力；在民用上，高超声速技术能够提供有望改变世界格局的超高速运输能力，有望提供人类梦寐以求的大规模高效进入太空能力。在未来，高超声速技术将在军事、政治和经济方面发挥不可想象的重大作用，像飞行器的发明一样改变世界的格局和规则。同时，作为前沿技术的高超声速技术，也需要大量新技术和新材料的出现，需克服巨大的工程困难和挑战。

参考文献

[1] 韦宝禧，凌文辉，冮强，等.TRRE发动机关键技术分析及推进性能探索研究[J].推进技术，2017，38（2）：298-305.

[2] 牛文，李文杰.SKYLON飞行器与SABRE发动机研究[J].飞航导弹，2013（3）：70-75.