美国新型高超声速飞行试验平台发展研究

许艺强 韩洪涛 王林 （北京航天长征科技信息研究所）

近年来，美国国防部（DoD）多措并举，一方面持续开展基于探空火箭的低成本试验平台开发，另一方面依托商业力量开展新型高超声速飞行试验平台开发，希望以此缓解高超声速飞行试验基础设施不足的问题。2023 年，美国国防部利用火箭实验室公司（Rocket Lab）的“用作高超声速加速器的亚轨道试验电子”（HASTE）火箭同步推动“高超声速与高节奏机载试验能力”（HyCAT）和“多军种先进高超声速试验台”（MACH-TB）项目进展，企业自研的利爪-A（Talon-A）高超声速飞行试验平台与载机分离试验也成功进行，将在不久的将来为美国国防部试验部门提供支撑。美高超声速飞行试验平台呈现蓬勃发展态势，将进一步加速美军高超声速武器装备的研制。

Talon-A/Z 平台的总体参数

1 高超声速飞行试验平台发展需求

2016 年以来，俄罗斯分别列装部署“先锋”（Avangard）、“锆石”（Zircon）、“匕首”（Kinzhal）高超声速导弹，并实现首次实战运用。在潜在竞争对手高超声速武器取得重大突破的态势下，美军更加迫切追求高超声速武器的实战化部署。因此美军提出需要在短时间内安排大量低成本、高频次的飞行试验，以快速提升高超声速武器的技术成熟度，从而缩短武器系统的研发周期。美国防部曾表示，2020-2024 年将进行40 ～50 次高超声速飞行试验，以加速推动高超声速技术的发展与作战能力的生成。[1]

在并行发展数量众多的高超声速项目背景下，剧增的飞行试验需求与短缺的高超声速飞行试验能力间的矛盾日益突出。受到飞行靶场数量有限、飞行试验平台能力不足、飞行试验支持缺乏等因素的影响，美国国防部的大型高超声速武器项目每年只能进行少数几次试验，低于预期，严重阻碍了高超声速技术武器化进程。[2]为此美国开展了多项中小型、低成本/可重复使用高超声速试验平台研制。这些飞行试验平台可从是否重复使用划分为两类：一次性使用试验平台与重复使用试验平台。

2 一次性使用高超声速飞行试验平台

一次性使用高超声速飞行试验平台技术相对简单，多利用成熟廉价的一次性助推火箭发射，创造持续时间较短的高超声速试验环境，搭载试验载荷，用于高超声速技术的演示验证。当前，一次性使用平台是美军运用最广泛的高超声速试验平台。

“高超声速快节奏飞行试验活动”项目

（1）项目背景

“高超声速快节奏飞行试验活动”（HOTHFC）由美国防部资助，是美国海军水面作战中心、海军常规快速打击（CPS）项目、陆军高超声速项目办公室和导弹防御局的联合飞行试验项目，由海军CPS项目领导，桑迪亚国家实验室（Sandia National Laboratories）主要负责实施。[3]

（2）项目方案

“高超声速快节奏飞行试验活动”项目的飞行试验围绕“精确探空火箭”的应用展开，利用该火箭现代化、高性能的航空电子系统，来提供先进的飞行剖面图和数据传输。主要目的是以较低的成本模拟高超声速飞行环境，对高超声速飞行器部件和材料等新技术进行真实的飞行试验。此项计划的高超声速飞行试验成本远低于传统高超声速飞行试验成本。该项目所用探空火箭来源于桑迪亚国家实验室在2018 年开发的“快节奏探空火箭”（HOT）项目。

（3）项目进展

据桑迪亚国家实验室官网消息，“高超声速快节奏飞行试验活动”目前共进行了两次飞行试验，分别于2021 年10 月20 日和2022 年10 月26 日在弗吉尼亚州的沃洛普斯航天发射设施试验成功。在第一次飞行试验中，桑迪亚国家实验室向太平洋上空发射了三枚探空火箭。在该试验中，探空火箭飞行了418km，到达太空边缘并重返大气层，在很短的时间内实现了高超声速飞行，共进行了23 项试验。在第二次飞行试验中，对数种新的有效载荷进行了低成本高超声速试验。共搭载了11 种不同的试验设备，旨在试验和收集高超声速武器的研究数据。据美《航空周刊》2022 年10 月26 日报道称，“所有试验获得成功”，相关试验项目包括高超声速武器的通信和导航设备以及高温隔热材料，但并未透露更多具体试验细节。

X-60A 项目

X-60A 想象图

（1）项目背景

X-60A（旧称为GOLauncher1）平台于2019年4 月25 日首次亮相，是由时代轨道发射服务公司（Generation Orbit）为美国空军研究实验室（AFRL）开发的一款小型高超声速飞行试验平台，旨在进行未来高超声速飞行系统的研究和开发。该项目将成为美国空军、政府机构和研究团体试验新技术的理想平台，属于美国“小企业创新研究”（SBIR）计划的一部分，也是空军第一个获得实验性“X”称号的SBIR 计划。[4]

（2）项目方案

X-60A 装有一个小的三角翼，具有适应性较强的前部和飞行轮廓，可以满足高超声速技术不断变化的需求。X-60A 集成机载飞行遥测系统收集研究数据，支持多种飞行模式，在搭载试验载荷的时候可以达到马赫数5 ～8 的飞行速度。对于高空微重力飞行试验，最大有效载荷为91kg；对于高超声速飞行试验，最大载荷为318kg。X-60A 的设计目标是从改进型公务运输机（如：湾流Ⅲ型公务机的军用改进型NASAC-20A）上发射，采用“哈德利”（Hadley）液体火箭发动机作为动力系统，属于一次性试验平台。

（3）项目进展

2017 年12 月，Generation Orbit 公司进行了3次具有实际飞行器尺寸惰性模型的地面试验；X-60A飞行器的全尺寸作战原型的热试验于2018 年6 月完成，该试验验证了推进器和推进剂进料系统以及增压系统和飞行控制装置的结合，试验过程中还展示了飞行器的节流能力；2019 年3 月完成关键设计审查（CDR），标志着制造阶段的开始；集成推进系统验证地面试验已于2020 年1 月完成；后续将逐步开展高超声速飞行器的飞行试验。

再入太空舱高超声速试验平台

（1）项目背景及方案

瓦尔达太空公司（Varda Space）正在寻求风险投资，计划将质量为120kg 的“工厂”卫星送入轨道，使用其在零重力条件下制造药品和光纤等产品，然后利用太空舱将它们带回地球。由于太空舱在再入过程中的飞行速度高达马赫数25，因此空军计划将其作为未来高超声速导弹和高超声速飞机组件的试验平台，在高超声速环境下对部分组件和材料的性能进行试验。[5]

太空舱再入示意图

（2）项目进展

目前该公司已与美国空军签署了6000 万美元的“战略融资”（STRATFI）协议。瓦尔达公司与美空军签署的STRATFI 协议将评估该公司再入太空舱的使用情况。瓦尔达公司总裁阿斯帕罗夫（Asparouhov）表示：第一次演示任务将通过太空探索技术公司（SpaceX）的运输者-8（Transporter-8）拼车任务发射，计划展示“熔化-冷却药物生产能力”。他还表示：美空军不会在瓦尔达公司的第一次演示任务中试验有效载荷。第一次演示任务的飞行数据将与美空军共享，同时预计在2024 年试飞美空军的第一个有效载荷。

3 重复使用高超声速飞行试验平台

重复使用高超声速飞行试验平台研制难度大，但却是飞行试验平台最理想的形式。重复使用试验平台可以多次重复使用创造高超声速环境，显著降低试验成本，缩短试验间隔，提高试验频次。目前美军与商业公司合作，共同发力研发的试验平台多属于此类型。

高超－A/Z 高超声速飞行试验平台

（1）项目背景

2018 年9 月， 美国平流层发射系统公司（Stratolaunch Systems）在第22 届美国航空航天学会（AIAA）国际航天飞机与高速系统及技术会议上，公布了两型高速飞行试验平台的概念方案与研制计划。这两型平台均可从该公司研制的超大型双机身载机上发射，无动力自主水平着陆，可重复使用。美国平流层发射系统公司公布的两型高速飞行试验平台是缩比关系，其中小型平台命名为高超-A（Hyper-A），大型平台为高超-Z（Hyper-Z），二者外形、动力等均相似，分别定位于马赫数6 级和马赫数10 级飞行试验平台。[6]

高超-A/Z 高超声速飞行试验平台构想图

（2）项目方案

2020 年3 月，美国平流层发射系统公司将Hyper-A、Hyper-Z 改为Talon-A、Talon-Z。Talon-A 与Hyper-A 的总体参数基本一致，长8.5m，翼展3.4m，发射质量约2720kg。Talon-A计划使用六引擎双机身巨型飞机“大鹏”（Roc）搭载发射，在Roc 将Talon-A 运送至10.7km 高度后两者分离，Talon-A 发动机点火，加速至马赫数5 ～7 的速度，进行持续时间超过1min 的高超声速飞行试验。试验结束后Talon-A 飞行器无动力滑翔返回，在常规机场水平着陆，Talon-A 也可依靠自身动力自行水平起飞。与Hyper-Z 一样，Talon-Z将是Talon-A 的放大版，续航时间更长，预计在Talon-A 投入使用后5 年内进行首次测试。

（3）项目进展

2021 年10 月， 平流层发射系统公司完成Talon-A 关键设计审查，在2022 年10 月完成了无动力原型机的首次挂飞试验，并在2023 年1 月13 日成功完成了第二次Talon-A无动力原型机的挂飞试验。

据美国航空周刊2023 年5 月13 日报道，Talon-A 成功完成了TA-0 原型机与Roc 载机的分离试验，为TA-1 有动力飞行器的首次高超声速飞行试验奠定基础。

“高超声速与高节奏机载试验能力”项目

（1）项目背景

2022 年9 月1 日，美国国防创新小组（DIU）发布HyCAT 项目通知，谋求依托商用高超声速飞行器技术，开发一型新的高超声速飞行试验平台，缓解美国防部高超声速试验基础设施压力。该项目计划在未来两年内试飞。[7]

（2）项目方案

根据DIU 对HyCAT 项目的描述，HyCAT 将是一型高超声速飞行试验平台。DIU 要求，HyCAT平台须具备以下部分或全部功能：①能够对高超声速系统及其组件（包括推进系统、热防护系统和材料）进行响应性和长寿命试验；②检测和跟踪传感器；③通信系统和组件；④环境传感器；⑤制导、导航和控制系统及部件；⑥其他高超声速飞行器部件；⑦操作环境中集成的、具有代表性的高超声速试验飞行器。

HyCAT 项目竞争性提案需满足或超过以下标准：①飞行速度马赫数5 以上，具有机动和非弹道飞行剖面；②能够近实时收集飞行器和子系统在飞行中的性能参数，以满足设计、研究、测试与评估需求；③具备安全、高速、多通道、加密的试验数据下载链路以及相应的地面/空中/太空通信基础设施，同时提升飞行器数据存储能力；④至少能够容纳两个有效载荷、至少具备飞行器外表面及内部有效载荷舱两种放置选项；⑤在合同授予约12 ～24 个月内向国防部展示平台能力。

除上述标准外，国防部还对以下内容感兴趣：①在具有接近恒定飞行条件的相关高超声速试验环境中最少飞行3min，动压至少为143kPa；②能够根据现有的飞行试验安全法规获得在美国或盟军飞行试验靶场运行的认可；③试验位置可远程部署；④在60天内可完成第2 次后续试验；⑤可恢复和可重复使用；⑥总试验有效载荷能力至少为9kg。

（3）项目进展

2023 年3 月，美国DIU 选择澳大利亚高超声速公司（Hypersonix）为HyCAT 项目开发载机平台。此外，DIU 还支持菲尼克斯空间公司（Phoenix Space）研制可重复使用拖曳发射系统，以提升HyCAT 项目的飞行试验效率和经济可承受性。2023年4 月，美国火箭实验室公司推出的HASTE 新型运载火箭被美国DIU 选中,用于HyCAT 项目的高超声速飞行试验平台。HASTE 将与Hypersonix 公司开发的超燃冲压发动机驱动的飞行器集成开展飞行试验。

MACH－TB 项目

（1）项目背景

MACH-TB 项目由位于印第安纳州布卢明顿的国防部测试资源管理中心和海军水面战中心克兰分部牵头，目标是为国防机构和大学在演示和验证高超声速飞行器、材料和相关技术时，提供新的选择。美国海军高超声速和先进能力开发测试负责人斯科特·威尔逊表示，MACH-TB 的目标是帮助国防部将飞行试验频率增加到每周1 次，该目标由国防部高超声速首席主任迈克·怀特设定。[8]

（2）项目方案

MACH-TB 将通过强健、敏捷和模块化试验技术来支持高超声速计划，验证一种经济可承受的试验台原型设计。该试验台将利用多个商用火箭来运载高超声速有效载荷，其获取的数据将为美国国防部开展相关技术改进和能力验证提供支持，以加速高超声速武器系统发展。此外，MACH-TB 将提供一个模块化的实验滑翔体（EGB），以增强在相关高超声速环境中的试验能力，为武器系统采购决策提供信息支持。

该高超声速飞行试验台将综合多种高超声速试验能力，可用于美国海军CPS 项目和陆军“远程高超声速武器”（LRHW）项目，也可为美国导弹防御局（MDA）、空军高超声速计划、国防部研究计划、小型企业、工业界和学术界相关研究提供支持。

2022 年9 月，美国海军选择了总部位于阿拉巴马州亨茨维尔的动力系统公司（Dynetics）作为主要集成商，同时还确定了首批约16 家公司、实验室、小型企业和大学，与Dynetics 公司合作开展工作。早期合作伙伴包括桑迪亚国家实验室和橡树岭国家实验室等研究中心，以及奎托斯（Kratos）、佩拉顿（Peraton）、旋转发射（SpinLaunch）和平流层发射（Stratolaunch）等一系列公司。随时间推移，合作机构名单还会增加。其合作的发射系统供应商包括：SpinLaunch 公司承担研制利用离心力在亚轨道或轨道飞行中发射有效载荷；Kratos 安全防务公司开发低成本助推火箭；X-Bow 系统公司（X-Bow Systems）正在制造一系列新的固体火箭发动机。

（3）项目进展

Dynetics 公司、桑迪亚国家实验室和橡树岭国家实验室等研究单位的合同总额为1650 万美元，用以支持该计划的第一阶段，时间持续约9 个月。这一早期阶段的工作重点是开发一个试验“矩阵”，将整个国防部的高超声速试验需求汇集在一起。第一阶段收集的信息将用于规划MACH-TB 的试验行动并确定其优先级，还将帮助更好地了解项目的潜在成本。威尔逊表示，在确定试验要求之前，很难确定成本。

2023 年6 月17 日，MACH-TB 项目在美国国家航空航天局（NASA）位于弗吉尼亚州的沃洛普斯飞行设施成功开展首次飞行试验，试验的高超声速载荷由美国火箭实验室公司开发的HASTE 新型火箭发射。

4 发展趋势

2022 年6 月，美国国会《2023 财年国防授权法案》要求国防部开展高超声速试验基础设施评估，提升高超声速试验基础设施能力，高超声速飞行试验能力是其中重要一环。发展高超声速飞行试验新型平台，除加快高超声速技术武器化进程外，对于重复使用高超声速技术的积累也具有重要意义。

（1）新型一次性使用试验平台的应用将解决美军燃眉之急

近年来，美军在高超声速领域迫切寻求突破，但却被试验能力不足而掣肘，新型一次性试验平台的投入使用将改变这一局面。美国海军主导的“高超声速快节奏飞行试验活动”项目已正式运行，尽管该项目所使用低成本探空火箭实现的高超声速飞行环境持续时间较短，但仍可作为一种过渡性的试验方式解决一些急需的、部件级技术的飞行试验要求，以支撑美海军、陆军通用高超声速滑翔体导弹的如期部署。

（2）重复使用试验平台将成为美军未来高超声速飞行试验的主要手段

重复使用飞行试验平台研制难度较大，但若是投入使用，可以更低成本满足大量高频次的高超声速飞行试验需求，是飞行试验平台的理想形态。同时，受高超声速飞机等装备的发展牵引，也会进一步促进重复使用飞行试验平台的发展。因此，尽管重复使用飞行试验平台在短期内难以部署运行，但仍是美军研发的重点方向，未来投入使用后将成为美军高超声速飞行试验的主要手段。

（3）美军充分借助商业力量加速高超声速试验平台开发

近几年美军牵头发展的几项高超声速飞行试验平台均由商业公司承担研发工作，部分公司在“小企业创新研究”的支持下开展工作。这表明，美军希望通过鼓励商业公司发挥其创新能力，帮助国防部解决高超声速飞行试验需求，在短时间内以少量资金高效完成方案论证和平台开发。同时，美军为加速高超声速武器研制，并尽快形成大规模高超声速供应链，正在积极联络商业力量，促使其广泛加入高超声速飞行试验活动，期望与其他国防承包商一同形成完备供应链，支撑美国整个高超声速武器的研制、试验、生产、应用等任务。

5 分析

（1）美军采取分步走的发展路线，逐步提升高超声速飞行试验能力

首先是为了满足急需飞行试验需求，先行将技术难度较小的一次性低成本试验平台投入使用，以支撑高超声速武器的快速部署。第二步是着眼于未来高超声速试验能力的提升，在技术难度较大的重复使用试验平台的发展上持续发力，开展HyCAT 等一系列重复使用试验平台的研发。为满足高超声速技术试验需求，美军在技术难度层面实行先易后难的分步走发展路线，逐步提升高超声速飞行试验能力。

（2）多种类型试验平台同步发展，构建高低搭配的高超声速试验体系

一次性使用试验平台技术成熟、试验成本低；重复使用试验平台技术先进、试验频次高。这两种试验平台可在高超声速技术的试验体系中形成互补，是未来美军高超声速试验体系中的重要组成部分。美军将通过多种类型试验平台的同步发展与综合运用，探索高超声速飞行试验的更优模式，搭建高低搭配的高超声速飞行试验体系，以追求高超声速能力的快速提升。