高超声速飞行器发展综述及飞行试验测控需求

张强

【摘 要】介绍了高超声速飞行器相关概念，归纳了以美国为代表的高超声速计划进展，总结了高超声速飞行器发展过程中的关键技术及高超飞行器的特点。针对高超声速飞行器的特点，对高超声速飞行器飞行试验测控需求进行了简单分析。

【关键词】高超声速飞行器；精确打击；测控需求

中图分类号： V249 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）21-0009-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.004

【Abstract】This paper introduced related concepts of hyper-sound velocity flight vehicle，concluded hyper-sound velocity plan progress that represented by the USA，and summarized the key techniques and features of the hyper-sound velocity flight vehicle during its development progress.This paper took simple analysis of measurement and control requirement during the flight test in allusion to hyper-sound velocity flight vehicles features.

【Key words】Hyper-sound velocity flight vehicle；Accuracy striking；Measurement and control requirement

0 引言

高超声速飞行器是指在大气中飞行速度超过5倍音速的飞行器，通常包括带动力和无动力滑翔高超声速飞行器，典型的带动力高超声速飞行器如X-51以及X-43等，无动力高超声速飞行器如HTV-2等。高超声速飞行器具有飞行速度快、反应时间短、作战半径大、隐蔽性好、突防能力强等特点，保证了飞行器具有了巨大的军事、政治和经济价值。高超声速飞行器能够有效地进行高空高速侦察、预警和突防，可对敌方进行直接打击或作为远程精确打击的武器平台，极大地扩展了作战空间，提高了作战效能。

高超声速飞行器由于其独特的优势，目前已成为世界航空航天领域一个极其重要的发展方向和世界各国广泛关注的焦点。近年来，世界各军事强国在空气动力、结构材料、推进技术以及飞行控制等关键技术的研究方面积累了丰富的经验，为高超声速飞行器未来的发展奠定了坚实的基础。

近年来，我国在高超声速飞行器关键技术方面有了很大突破，在型号的研制方面取得了很大进步，随着研制的进程，相关型号将先后到靶场进行各种飞行试验，由于高超音速飞行器本身特有的特点，对靶场的条件建设提出很高的要求。潜射或舰射高超音速飞行器也是其发展的一个重要方向，作为我国唯一的海上靶场，应该了解高超音速飞行器的性能、特点，提前谋划，加强高超音速飞行器飞行试验的保障条件建设及试验鉴定方法的研究。

1 高超声速飞行器发展现状

在高超声速飞行器研究过程中，以美国为典型代表的高超声速研究计划具备了相对完善和成熟的研究体系，主要包括了带动力高超声速计划（HyFly计划、X-43A计划、X-51A计划），无动力高超声速滑翔打击计划（HTV-2计划、常规打击导弹（CSM）计划，弧光导弹（Arclight）计划），在轨道服务以及高超声速再入返回计划（X-37B计划）和高超声速基础研究计划（NHFRP）。

1.1 带动力高超声速计划

HyFly计划是由美国海军主导开展的高超声速导弹研究计划，主要发展可在马赫数3.3-6之间运行的被动冷却双燃烧室超燃冲压发动机技术、气动/推进一体化的轴对称高超声速导弹气动布局。

X-43A（如图1）计划是由DRAPA主导的以氢燃料为动力的高超声速飞行器研究计划，旨在发展一体化、小型、氢燃料超燃冲压发动机的高超声速验证飞行器，工作马赫数为7-10，在技术上已取得了部分成功。

X-51A计划是由DRAPA主导的以碳氢燃料为动力的高超声速计划，主要发展可在马赫数4.5-7运行的碳氢燃料主动冷却超燃冲压发动机技术、气动/推进一体化的乘波体气动布局技术、可飞行600秒以上的高超声速飞行的放热技术。在试验中，X-51A（如图2）已取得了试验成功，同时，也意味着超燃冲压发动机将提供一种全新的快速全球打击能力。

1.2 无动力高超声速计划

无动力高超声速计划通常采用助推器将高超声速无动力滑翔飞行器助推到预定的分离点，无动力滑翔飞行器通过长时间的高超声速滑翔飞行实现快速的投送和打击。

HTV-2（Falcon）计划是由DRAPA主导用来验证全球快速打击武器的关键技术，驻澳包括远程高超声速助推滑翔飞行器气动布局技术、热防护技术、先进GPS制导技术和碳/碳减速伞技术等。HTV-2计划的目标是通过采用以米诺陶4火箭为助推器，将HTV-2飞行器投送到预定的高度，HTV-2在大气层外与助推器分离，速度超过20Ma，采用滑翔方式完成再入滑翔打击任务。但飞行试验尚未取得预期的试验效果。

常规打击导弹（CSM）计划主要发展高超声速助推滑翔导弹技术、大气层内高超声速滑翔飞行精确制导和导引技术、高超声速热防护系统（TPS）技术、常规战斗部技术等。CSM可能以“人牛怪-3”火箭为基础，在CSM第一级和第二级助推器中使用“人牛怪-2”发动机。在近期的试验中，CSM试验已取得了成功。

Arclight计划是由DRAPA主导的旨在演示验证舰载助推-滑翔的高超声速技术，最终研制可对战术、远程、时间敏感目标進行快速打击的导弹。弧光导弹将采用MK41垂直发射系统，具备30分钟内将45-90kg载荷投送至3700km远处目标的能力。

1.3 在轨道服务以及高超声速再入返回计划（X-37B计划）

X-37B计划旨在针对可重复使用空天飞机开展RLV全包线制导和控制技术、再入返回的热结构与防护技术等开展研究。X-37B飞行器通过运载火箭托送到预定轨道，在轨长时间驻留和空间机动，完成任务后通过机动变轨，调整状态以满足再入返回窗口条件，通过长时间的高超声速再入飞行器，最后实现水平着陆。X-37B两次成功试验表明，在再入过程中放热系统、推进系统、电子系统、自主导航与控制、自主返回与着陆和起落架技术上已取得成功，通过在轨长时间驻留和数次大机动飞行，为未来在轨服务和空间抓捕任务积累了大量的试验数据和经验。

1.4 国家高超声速基础研究计划（NHFRP）

NHFRP主要开展超声速燃烧、边界层物理学、可控冲击波、非平衡流、高温材料与结构等基础技术研究。2009年3月，NASA和美国空军在加利福尼亚、德克萨斯和弗吉尼亚分别成立了3个国家高超声速中心，以开展高超声速飞行器的吸气式推进系统、材料和结构以及附面层控制领域的预先研究。

2 高超声速飞行器关键技术

高超声速飞行器包含带动力和无动力飞行器两种典型的飞行模式，两种不同的飞行模式在关键技术上具有共性，同时也存在较大差异。在本文中，讨论的对象选择以X-51A与HTV-2两种典型的飞行器，通过对飞行弹道模式的对比，讨论基于不同飞行特性情况的共性关键技术和异性关键技术。X-51A是一类带动力系统的高超声速飞行器，发动机工作处于X-51A巡航飞行段，飞行高度约30km，速度5-7Ma。HTV-2高超声速飞行器的起始速度为20Ma以上，起始飞行高度约为100km，高超声速条件下飞行终止高度约15-20km，弹道满足速度和高度双跨度高动态变化模式。

本文从气动布局和气动/推进一体化、热技术和热防护、高精度GNC、动力技术四方面进行对比分析。

2.1 共性关键技术

在气动布局方面，动力和无动力高超声速均存在高升阻比与有效载荷容量相互矛盾的特性，追求高升阻比将导致飞行器的机构类似乘波体构型，导致载荷的构型必须处于扁平结构设计，与传统有效载荷设计体系不完全统一。因此，气动布局的设计需要将有效载荷的设计纳入考虑的重要指标。

热技术和热防护技术方面，两类高超声速飞行器在稠密大气层内飞行时，空气均受到强烈的压缩和剧烈的摩擦作用，飞行器的大部分动能转化为热能，导致端头温度急剧升高，并且随着飞行马赫数的增加，气动加热将更趋于严重。为保证飞行器在大气层中不被烧毁，并且保证内部仪器的正常工作，必须采取特殊的热防护技术，主要关键技术包括：（1）防热系统防热与结构一体化设计技术，包括防热结构设计技术、防热结构与主体结构连接技术、通信窗口的防热结构设计技术；（2）防热系统的地面试验技术，包括防热材料试验技术、防热结构单元件试验技术、防热系统阵列结构试验技术等；（3）防热系统飞行演示试验技术，包括飞行演示试验总体方案研究、飞行演示试验方法研究、气动热环境预测技术、热的测量技术、热换算技术等。

高精度GNC技术方面，从硬件上分析：（1）小型化、高可靠与低成本的光陀螺捷联惯导系统；（2）高动态、抗干扰的兼容GNSS/CGPS/CAPS卫星导航信号接收机；（3）小型大功率合成孔径雷达及其景象匹配技术；（4）天基宽带数据链通信系统；（5）集成化与智能化并具有自我检查能力的高可靠控制装置；（6）小型大功率、高可靠的数字式机电伺服系统。制导控制技术上分析：（1）捷联惯导系统的快速初始对准与高动态传递对准技术；（2）组合导航的信息融合与容错以及误差修正技术；（3）“黑障”区内的导航信息补偿技术；（4）高动态下卫星导航信息的快速捕捉技术；（5）实时通信与目标重定位定向技术等。

2.2 异性关键技术

针对动力系统的设计方面，目前，带动力的高超声速飞行器通常采用超燃冲压发动机作为动力系统，但是，高超声速空气在燃烧室中的滞留时间通常是毫秒级，要想在如此短的时间内将其压缩、增压，并与燃料在超声速流动状态下迅速、均匀、稳定、高效率地混合和燃烧室十分困难的，因此需要对发动机尺寸、形状以及燃料种类、喷射器设计、燃烧机理进行综合性能理论和试验研究。而无动力滑翔高超声速飞行器不纯在此类设计方面的考虑。

在气动/推进一体化设计方面，带动力系统的高超声速飞行器通常采用乘波体理论对机体和发动机进行一体化设计，容易引起空气动力学与推进系统的强耦合效应，而无动力滑翔高超声速滑翔飞行器不存在此类设计方面的考虑。

GNC设计方面，通过飞行包线的分析，无动力高超声速滑翔飞行器包括高度和速度双域度强变化的特点，当飞行器做大跨度机动飞行时，其动压和马赫数在大范圍内变化，造成飞行器的气动模型和动力学模型的非线性特性突出，从而导致飞行器的动态特性变化显著。同时，由于无动力高超声速滑翔飞行器长时间内具有以上的特点，基于上述特点的飞行器控制系统设计更加复杂。高超声速滑翔飞行器再入阶段将经历的环境非常复杂，为保证飞行器的控制能力，采用RCS作为控制系统的重要组成部分已受到极大的重视，但RCS喷流和飞行器表面气流之间相互干扰，导致RCS干扰效应的分析极其困难，要求设计的控制算法具有良好的鲁棒性；无动力高超声速滑翔飞行器再入过程中的再入走廊和再入弹道设计技术非常关键，在无动力再入过程中需要考虑敌方拦截因素，投放载荷条件约束的影响，同时又必须保证动压，热流以及过载等硬约束条件满足条件，因此，再入弹道设计和再入走廊的分析相比于带动力高超声速飞行器更为复杂。无动力高超声速滑翔飞行器为具备大范围内的打击目标的能力，必须具备有高精度的末端能量管理和制导技术，通过在再入末端调整飞行器状态，保证飞行器能准确投放有效载荷，而带动力高超声速飞行器考虑此方面的因素较少。

3 高超声速飞行器的特点

未来战争是高智能化、高信息化的战争，空中打击将主要依靠速度和高度取胜，高超音速飞行器的作战使命为：有效突破敌反导防御系统，多方向、远程、快速、精确、灵活打击敌体系中陆上、海上、空中的目标。超高度超声速和超机动的飞行特点使得高超声速飞行器具有以下特点。

（1）飞行弹道复杂

典型飞行剖面分为四段（如图3）：助推段、爬升段、巡航段和俯冲段。导弹舰载垂直发射或机载水平发射后以较大的弹道倾角加速爬升，在预定的转级点进行级间分离；然后超燃冲压发动机点火接力继续加速爬升，到达预定巡航点按规划弹道飞行；最后适时机动，进入俯冲，命中目标。

（2）快速打擊能力，先敌打击、先敌摧毁的实时/近实时快速打击能力是夺取信息优势和战争主动权的必然要求；

（3）精确打击能力，对点目标、机动目标的直接命中打击能力，对目标"点穴式"小附带损伤打击能力，是现代战争和未来信息化战争的基本要求，是精确打击和常规威慑的技术保证；

（4）有效突防能力：导弹速度越高，其突防能力越强；关于飞行高度，其突防能力与拦截武器类型有关，对于靠气动力控制的拦截弹而言，其拦截能力随导弹飞行高度增高而下降，对于靠直接力控制的拦截弹而言，其拦截能力随导弹飞行高度增高而增强

（5）高作战效能，具备包括高射前生存能力、有效突防能力、高效毁伤能力等在内的较高综合作战效能，是对武器装备的总体要求；

（6）使用方便，全寿命周期内具备良好的维护性、经济性、可靠性、安全性等，具备较高的信息化水平和一定的智能化，可多平台装载使用，便于部队的贮存、训练、作战使用。

4 高超声速飞行器飞行试验测控需求

4.1 航区需求

飞行试验采用海上航区或海陆结合航区。由于高超声速巡航导弹飞行速度较高，转弯半径大，飞行试验拟采用直线飞行弹道，这些影响航区长度、高度、宽度选择确定。

4.2 测控需求

（1）遥测需求

需对飞行试验全程进行遥测和外测参数测量。为获取全部飞行试验数据，测控站（陆基、海基或空基）需根据航区特点合理布置。

弹上测量参数种类、数量非常多，主要包括热流参数、压力参数、温度参数、过载参数、缓变电压模拟量、开关量等，数据的数据量非常大，因此遥测需满足大容量数据传输要求。靶场地面站应能满足相关的保密保密要求。

（2）外测需求

对导弹飞行试验全程进行外弹道测量，测量导弹位置参数及运动参数，如高度、距离、侧偏、速度、加速度等。并能够按要求实时传送到指挥控制中心，用于监测和安控判决。

（3）安控需求

安控系统采用自主安控方式和被动安控方式两种方式，通过地弹联合完成导弹的安全控制。自主安控以位置安控为主，由飞行器根据自主安控准则实施，被动安控由试验场根据外测弹道和被动安控准则实施。

5 总结

本文从高超声速飞行器的概念入手，介绍了美国的高超声速飞行器发展现状。然后，针对带动力和无动力两类高超声速飞行器，分析了关键技术上的共性和异性。最后，在归纳了高超声速飞行器的特点上，对飞行器飞行试验提出了建设需求。

【参考文献】

[1]马丽，杨建军，张维刚.“高超声速飞行器发展综述”，《飞航导弹》，2012，6.

[2]黄伟，夏智勋.“美国高超声速飞行器技术进展及其启示”，《国防科技》，2011，3.

[3]黄伟，罗世彬，王振国.“临近空间高超声速飞行器关键技术及展望”，《宇航学报》2010，5.

[4]“Intercept-Angle Guidance”，《JOURNAL OF GUIDANCE， CONTROL，AND DYNAMICS》Vol.34，No.2，March-April 2011.