美國典型高超飛行器項目研發及啟示

張蒙正，鄒 宇

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

0 引言

近期，美國X-51A、HTV-2及先進高超聲速武器 （Advanced Hypersonic Weapon，AHW）陸續進行飛行試驗，引發了研究者對高超聲速飛行器應用、前景和相關技術發展的極大關注。本文對美國典型高超聲速飛行器及其動力技術的發展歷程、現狀、發展態勢及從中可能得到的教益進行分析，供相關人員參考。

1 典型高超飛行器及動力技術發展歷程簡要回顧

20世紀60年代以來，美國十分注重高超聲速技術的研發，連續啟動多項高超聲速飛行器的立項與研發。近年來，X-43A、Hyfly、X-51A、HTV-2和AHW等一系列高超聲速飛行器陸續開展飛行試驗，分別、陸續和不同程度驗證高超聲速氣體動力學、飛行器設計、制導與控制、熱防護、材料及動力系統等關鍵技術，并獲得部分成功，高超聲速飛行器及其動力技術的應用前景逐漸清晰，關鍵技術逐步突破，工程應用日趨接近。

1.1 以超燃沖壓發動機為動力的項目

1.1.1 NASP和Hyper-X

NASP計劃源于美國國防高級研究計劃局（DARPA）1982-1985年期間開展的 Copper Canyon（銅谷）項目，主要內容之一就是驗證以超燃沖壓發動機為主體的吸氣式組合循環動力系統。1989-1990年，普惠公司和洛克達因公司分別試驗了全尺寸和1/4尺寸的NASP計劃中的超燃沖壓發動機[1-2]，地面模擬速度分別達到Ma 6.0和Ma 7.0。1994年11月，因技術和資金等原因，尤其是超燃沖壓發動機技術遲遲得不到突破，NASP計劃被迫取消。后續的Hyper-X計劃主要研究并演示用于高超聲速飛機和可重復使用天地往返運輸系統的超燃沖壓發動機及一體化設計技術[3]。X-43A（圖1）是其最早的演示飛行器，動力系統為氫燃料超燃沖壓發動機。2004年3月24日和12月16日，X-43A的兩次飛行試驗均獲成功，飛行馬赫數分別達到Ma 7.0和Ma 9.8，成為世界上速度最快的吸氣式飛行器。

1.1.2 X-51A驗證機與Robust Scramjet計劃

X-51A（圖2）驗證機可以看作NASP計劃和高超聲速技術 (HyTech)計劃的延續，源于空軍研究實驗室（AFRL）在2003年開展的“吸熱式碳氫燃料沖壓發動機飛行驗證機”（EFSEFD）計劃，此計劃后改稱為“超燃沖壓發動機驗證機-乘波機”（SED-WR）[4]。X-51A驗證機機體采用乘波體構型，使用JP-7為燃料的SJX61系列超燃沖壓發動機，其中SJX61-2（簡稱X-2）采用全權限數字式發動機控制系統和閉環熱管理系統。

X-51A驗證機首飛于2010年5月26日，采用的SJY61-4超燃沖壓發動機啟動用乙烯，再轉換到JP-7。飛行中，因發動機密封失效，工作140 s（預期300 s），飛行試驗部分成功。2011年6月13日，第二次飛行試驗因發動機而失敗。

此外，2003年，波音在AFRL資助下，起動了“穩健的超燃沖壓發動機”（Robust Scramjet）計劃，目的之一是為X-51B研制一種熱力喉道沖壓（TTRJ）發動機。ATK公司為其研制的ATRJ-51-4發動機采用了一種結構簡單的亞聲速燃燒室，不僅避免了超燃沖壓發動機較為復雜的燃油控制系統，且無需對燃油進行熱平衡，實現高超聲速飛行。X-51B驗證機飛行速度相比X-51A較慢，為Ma 4～5.5，但飛行高度更高，且持續時間更長，同時，其采用的JP-10密度比JP-7高，飛行距離更遠。

1.1.3 Hyfly計劃

Hyfly計劃的目標是驗證以雙燃燒室沖壓發動機（DCR）為動力的高超聲速導彈技術[6-7]。DCR發動機設計點，約有25%的空氣流量通過旋流和導流通道流入亞聲速燃燒室，而其中約1/4的空氣通過旋流通道強迫旋轉后進一步減速，與霧化的燃料形成適合于點火的最佳油氣比混合氣，其余3/4的空氣則從導流通道進入與碳氫燃料混合成富油混合氣，點燃并保持穩定燃燒，未完全燃燒的混合氣經收斂通道膨脹到超聲速狀態，進入超聲速燃燒室。與此同時，大約75%的空氣流過收斂通道，加速到超聲速后，進入到超聲速燃燒室內與超聲速的富油混合氣均勻摻混，實現完全燃燒。這樣，DCR發動機就可實現較大范圍穩定燃燒，獲得Ma 3～6范圍的高性能。2007年9月25日，Hyfly首飛，因發動機燃油控制系統軟件發生故障，導致飛行失敗；2008年1月16日，Hyfly第二次飛行，因高壓、高溫燃料系統泄漏再次失敗；2010年7月29日，Hyfly第三次飛行試驗，飛行控制軟件問題致使飛行又一次失敗。

Hyfly三次飛行試驗失敗，原因均在發動機輔件系統，與DCR發動機燃燒組織技術并無關聯。未來，美國海軍有可能自籌資金，繼續開展Hyfly導彈的試驗研究工作。

1.2 以組合發動機為動力的項目

在高超聲速飛行器技術發展的同時，美國一直在進行組合發動機，特別是火箭沖壓組合發動機的研究工作。NASP計劃之后，其組合發動機研究大體可分為以下幾個階段。

1.2.1 ISTP計劃

1999 年NASA提出綜合航天運輸計劃（Integrated Space Transportation Plan，ISTP)，其中設想的第三代可重復使用運載器Spaceliner 100[8]以火箭發動機基組合循環（RBCC）為主。此階段，Aerojet公司的Strutjet（支板引射）火箭基組合循環發動機和Rocketdyne公司的A5發動機最受關注。

1）Strutjet發動機[9-11]

Strutjet發動機采用矩形流道，從前到后依次分為進氣道、燃燒室和噴管三部分，突出特點是進氣道/二次燃燒室/噴管一體化、模塊化設計思路，采用矩形流道以減少飛行器阻力。三種循環方式在同一流道中接替工作，平穩轉換。針對軍事用途，采用凝膠紅發煙硝酸/甲基肼推進劑組合；針對未來運載器，采用LOX/LH2組合，推進劑供應均用泵壓式系統。Aerojet公司制定了一個完整的試驗計劃，對整個飛行軌跡內的工作模態進行了上千次試驗，獲得了大量的試驗數據和研究成果，驗證了支板噴射發動機的可行性。

2）A5發動機[12]

A5發動機 （圖3）采用LOX/LH2推進劑，發動機的海平面推力為111.16 kN，海平面比沖約為3 500 s；火箭發動機海平面推力2 669 N，海平面比沖大于400 s。發動機采用全固定式流道，一次火箭位于隔離段出口上下兩側，使用流向渦混合技術加強燃料與空氣的混合，主動冷卻燃燒室。

截至2000年，A5的模型發動機已進行了82次試驗，累計工作時間超過 3 600 s，并于2000年在 GASL成功進行了模擬實際飛行狀態下的引射到亞燃模態過渡試驗。

2002年，新版ISTP將原計劃的二代和三代RLV計劃合為“航天發射倡議” (Space Launch Initiative，SLI)，其第三階段計劃（下一代發射技術（NGLT））計劃中，進行火箭沖壓組合循環和渦輪組合循環動力系統研究。NGLT發射系統技術領域主要分為飛行器系統研究和飛行演示器兩個方面。前者包括基礎飛行器系統，如機體結構、材料和熱保護系統；后者繼承了前期Hyper-X計劃的主要研究成果，包括X-43A、B、C、D和大尺寸可重復使用演示器 (LSRD)5個飛行演示器。其中X-43A兩次飛行均獲得成功。X-43B（即可重復使用組合循環飛行演示器、RCCFD)目的是演示亞燃到超燃的推進模式，探索工作包線，驗證系統的可行性。ISTAR（Integrated System Test of an Air-breathing Rocket）是X-43B的動力系統，它以Strutjet發動機為基礎，用JP-7/H2O2作為推進劑，在Ma 0.7～7.0范圍內演示引射增益火箭、沖壓發動機和超燃沖壓發動機工作模態，沖壓發動機接力點為Ma 2.5，Ma5時轉為超燃。X-43C用于演示驗證碳氫燃料冷卻雙模超燃沖壓發動機為動力的飛行器在Ma 5.0～7.0范圍穩定和機動飛行時的性能，發動機從亞燃到超燃組合模式轉換、吸氣式高超聲速飛行器在有動力和無動力飛行時的飛行特性等。X-43D是全尺寸演示器形成前用于降低風險的演示器，采用可工作在Ma15的氫燃料超燃沖壓發動機。大尺寸可重復使用演示器 (LSRD)則是一臺完全集成推進和飛行器技術的可重復使用演示器。2004年3月，由于NASA工作重點轉向“星座”計劃，試驗被取消。

1.2.2 CCEC計劃

CCEC（Combined Cycle Engine Components）是美空軍開展的組合循環發動機組件計劃，目的在于對RBCC和TBCC用于兩級入軌飛行器效果進行評估。CCEC計劃對采用RBCC+Rocket、垂直起飛/水平降落的兩級入軌軍用空天飛機（Sentinel）（圖4a）和采用TBCC+Rocket、水平起飛/水平降落的兩級入軌空天飛機（Quicksat）（圖4b）方案進行了比較全面的評估。

評估結果表明：垂直起飛需要大推力的動力裝置，在Ma 2.0以前，RBCC動力系統不能提供足夠的推力，比沖性能也達不到要求。水平起飛要求的推力小，但加速時間長，消耗燃料多。返場距離大，需要攜帶的返場燃料多，經濟性較差。針對水平起飛飛行器的研究表明，在有效載荷均為9 072 kg、運送到185.2 km圓軌道的情況下，以RBCC為一級動力裝置的水平起飛兩級入軌飛行器（TSTO）起飛重量最大，是采用TBCC或渦噴發動機的HTHL飛行器起飛重量的5～6倍，這一結論為DARPA和空軍共同開展的FALCON計劃遠期目標中的高超聲速武器系統（HSW）采用TBCC作為一級動力提供了理論依據。

1.2.3 FALCON計劃

FALCON（Force Application and Launch from the Continental，獵鷹）計劃 （圖5）旨在驗證空間快速發射、全球范圍內的快速運輸和打擊，目標是高超聲速武器系統（Hypersonic Weapon System,HWS），由美國DARPA和空軍共同招標開展。2005年，“獵鷹”聯合項目辦公室對計劃內容和進度進行了調整，取消與武器相關的飛行試驗，將高超音速武器系統HWS更改為高超音速技術飛行器HTV (Hypersonic Technology Vehicle)；原908 kg的小型載荷-通用氣動飛行器(Common Aerothermodynamic Shell Vehicle，CAV)更名為高超聲速技術驗證樣機1號（Hypersonic Technology Testbed Vehicle 1，HTV-1）；增強型CAV(E-CAV)更名為HTV-2；高超聲速巡航飛行器（Hypersonic Cruise Vehicle HCV）驗證機更名為HTV-3。

HTV-1和HTV-2均為無動力飛行器。2010年4月22日，HTV-2首次升空，在大氣層外與火箭分離，其速度超過了Ma 20，但火箭起飛后9分鐘，HTV-2的遙測數據中斷，隨后飛行器與地面失去聯系。2011年8月，HTV-2再次發射，當進入滑翔階段之后，與監測站失去了聯系。2010年12月，洛克希德馬丁公司已經完成HTV-3X演示飛行器的方案設計，據報道，該公司正在進行聯合循環推進系統的縮比試驗。

1.2.4 FAST計劃

繼CCEC計劃之后，美空軍在完全可重復使用進入太空技術（Fully Reusable Access to Space Technologies，FAST）的計劃下分別對以Turbo，Rocket，TBCC，RBCC為動力裝置的兩級入軌（TSTO）飛行器（圖6）在體積和空載質量等方面進行分析，結果表明：對常規的運載類任務和軌道交會對接任務，以Rocket+RBCC為動力的垂直起飛水平著陸（VTHL）TSTO飛行器為最優方案。就水平起飛水平著陸（HTHL）飛行器而言，Turbo+RBCC或TBCC+RBCC較優。美國防部2008年度發布的高超聲速飛行器發展路線圖就明確提出了以可重復使用渦噴發動機或TBCC發動機為第一級動力、可重復使用RBCC發動機為第二級動力的TSTO飛行器發展計劃，使美國空間進入能力由一次性垂直“按計劃發射”轉換到像飛機一樣的“按要求發射”。2008年，美國空軍委托Astrox公司對二級入軌 (TSTO)飛行器的構型進行了比較。其研究表明，在8種TSTO飛行器中，一級為可重復使用LOX/煤油火箭發動機，二級為一次性使用的RBCC發動機的發射系統全系統結構尺寸和質量最優。

2010年5 月，美國空軍發布《技術地平線：2010至2030空軍科技發展愿景》 （Technology Horizons--A Vision for Air Force Science&Technology During 2010-2030），該計劃將一級采用可重復使用火箭，二級采用火箭基組合循環發動機的高超聲速空間飛行器作為TSTO飛行器。

2 美國高超飛行器技術發展態勢分析

2.1 高超飛行器技術始終作為國家航空航天發展的重要方向

70年代至今，美國高超聲速飛行器計劃的大體發展歷程如圖7所示，主要可分為三條主線：①NASA主導的著重于可重復使用空天飛機計劃，由此導致的氫燃料超燃沖壓發動機研究從1982年到2004年持續了22年。②美國空軍主導的高超聲速飛行器系列計劃，從1995年啟動Hytech計劃至2010年X-51A首飛部分成功，持續了15年。特別是2001年，當普惠公司在研制中遇到重大難題時，面對DARPA和海軍項目終止的不利局面，空軍堅決支持普惠公司的高超聲速發動機研究更是X-51A能夠成功首飛的關鍵。③海軍主導的高超聲速導彈應用背景計劃，動力系統采用軸對稱雙燃燒室沖壓發動機，推進劑為JP-10。以JP-10為燃料的軸對稱雙燃燒室沖壓發動機從1977年研究至今，已持續了34年。三十多年來，高超聲速飛行器從概念研究、技術突破并走出實驗室，已經進入技術驗證階段。在技術研究過程中，盡管有項目更替，各部門研究側重點也各不相同，但高超聲速飛行器項目的發展目標都十分明確，基礎技術研究更是從未停止。美國高超聲速飛行器發展歷程見圖7。

2.2 技術方案與具體應用密切相關

1）NASA主導的 Copper Canyon，NASP和Hyper-X計劃，對應的飛行器為X-30/X-43A，著重于可重復使用空天飛機的技術驗證，采用氫燃料超燃沖壓發動機，飛行器為升力體外形。

2）空軍領導的Hytech，ARRMD，SED-WR和X-51A驗證機系列，計劃均采用二元構型碳氫燃料（JP-7）超燃沖壓發動機，飛行器采用細長的乘波體外形。采用二元構型是因為空軍的載機可以提供一定的初始加速度，因此對飛行器助推的要求相對較低，而且梯形截面的彈身在低可探測性和旋轉彈倉及通用掛架的兼容性方面具有優勢。

3）海軍主要關注研制一種高超聲速巡航導彈所需的動力裝置，期望的是單一用途打擊武器，但對與部署平臺的兼容性要求較高。高超聲速巡航導彈必須安裝進軍艦的垂直發射系統和潛艇的發射筒內，或者掛載艦載戰斗機的機翼下，這些作戰使用要求都嚴格限制了導彈的成本、質量、長度和直徑。所以，希望結構更為簡單的無需冷卻和軸對稱的DCR發動機用于高超聲速巡航導彈。海軍主導的HWT、HISSM、ARRMD和Hyfly系列計劃，動力系統均采用JP-10為燃料的軸對稱雙燃燒室沖壓發動機。另一方面，作戰平臺的尺度也限制了高超聲速巡航導彈助推器的規模，導致DCR發動機的接力馬赫數降低到約Ma 3.5。

2.3 超燃沖壓發動機和RBCC始終是動力技術研發的重點

動力技術是高超聲速飛行器的關鍵，高超聲速飛行器可采用的動力系統包括火箭發動機、超燃沖壓發動機、TBCC和RBCC等。火箭發動機可以作為全空域飛行的高超聲速飛行器動力系統，但主要問題在于比沖低；TBCC飛行高度受限。盡管有X-15和SR-71的成功經驗，但從高超飛行器項目研發歷程可見，美國始終將超燃沖壓發動機和RBCC發動機作為高超飛行器主要動力技術予以研究。

2.4 為降低技術風險，采取多方案并行模式

在DARPA、NASA、海軍、空軍開展各自的超燃沖壓發動機研發的同時，為降低技術風險，還分別進行了并行技術方案研究工作。如2001年，ARRMD計劃因普惠公司遇到在超聲速氣流中無法維持穩定燃燒的重大難題而終止后，美國空軍和海軍不但分別開展了技術方案完全不同的EFSEFD和Hyfly項目，還分別開展Robust Scramjet計劃和RATTLRS計劃作為降低難度的備份方案。

3 美國高超飛行器項目啟示

過去的半個世紀中，美國提出的多種高超聲速飛行器和動力計劃立而棄，棄又立，X-43A和X-51A已完成了短時間飛行，但全面突破高超聲速飛行器與動力技術目標尚待時日，未來還會出現種種項目和計劃的反復。但畢竟高超聲速吸氣式飛行器已由概念變成了可行。歷覽美國走過的道路，我們還是可以得到一些啟示。

3.1 統籌規劃，充分重視頂層設計

無疑，高超聲速飛行器和動力技術研發投入大、風險高，卻對國家航空航天技術整體發展和戰略利益有巨大作用。美國的高超聲速飛行器和動力系統幾次起落均源于國家戰略的重大調整。NASP計劃提出時，美蘇冷戰尚未結束，該計劃與星球大戰相呼應，得到里根政府和國會堅決支持。布什政府期間，隨著計劃的發展，遇到的困難加大，同時蘇聯解體導致美國對該項目的需求迫切程度下降，行政支持減弱，預算被減少。克林頓政府期間，支持力度進一步削弱，最終被取消。而近年來的高超項目的再次興起無疑源于美國當前對保持其全球霸權的迫切戰略需求。

一個成功的項目必然是構建在明確的任務需求拉動和相關技術，尤其是動力技術雄厚積蓄基礎上。美國高超聲速飛行器項目的屢次下馬均有動力技術的問題。軍用的、單次使用高超聲速飛行器項目需求十分明確，因此，空軍和海軍的高超聲速巡航導彈研究開展較為深入，甚至進行了關鍵技術驗證飛行試驗。而NASA的可重復使用運載器需求模糊不清，導致高超聲速飛行器和動力系統研究工作很難進行。

高超聲速飛行器與動力系統一體化設計十分密切，飛行器總體在很大程度上影響乃至決定了動力系統的總體方案及其關鍵技術。而另一方面，沒有相關的動力系統基礎和關鍵技術的支撐，會導致總體處于“空中樓閣”的境地。這類項目的研發思路應是在國家戰略指導，飛行器總體規劃和牽引下先期開展動力系統基礎和關鍵技術研究。

3.2 持之以恒，確保技術延續繼承

隨著國際國內環境的改變以及科學技術的進步，發展戰略可能也應該及時調整，但某些動力系統的長遠規劃，尤其是影響國家未來技術發展的重大基礎與關鍵技術，應給予持續不斷的支持。美國近些年的高超聲速飛行器技術發展（見表1）恰能從正反兩方面說明此問題的重要性。

表1 美國航天計劃的發展情況Tab.1 Development synopsis of American space plan

自“航天飛機”項目完成之后，美國4個大型航天項目（NASP、X-33、ISTP和星座計劃）都未獲得圓滿成功。這些計劃持續時間從5年到9年不等，缺乏連貫性，NASP計劃和ISTP計劃是吸氣式動力為主，而X-33和星座計劃，則采用了相對成熟的火箭動力。這些計劃的交錯進行，無疑對美國高超聲速技術持續性發展產生了不利影響。高超聲速飛行器動力和組合動力作為一項革新性新技術，從概念研究、技術突破并走出實驗室，已經進入到技術驗證階段。但既是這樣，十幾年，也許數十年之后，我們才能看到它帶來的巨大影響和作用，動力系統研究工作必須著眼長遠、持之以恒。

3.3 加強基礎，注重關鍵技術攻關

美國高超聲速飛行器動力和組合動力的研究已經進行了數十年的研究，陸續突破高超聲速涉及的氣體動力學、動力系統與飛行器的一體化、控制與制導、超燃沖壓發動機技術等重大技術難題，X-43A和X-51A陸續獲得成功。就超燃沖壓發動機而言，超音速條件下碳氫燃料的點火與穩定燃燒、吸熱型碳氫燃料技術、發動機產生足夠推力、超燃下的壓力振蕩等技術難題陸續取得重大進展。但X-51A飛行實驗表明，進氣道、發動機啟動與模態轉換尚待繼續研究。Strutjet和A5發動機盡管進行了地面試驗，但尚未進行飛行實驗，也即，一些重要關鍵技術并未得到必須的驗證。超燃沖壓發動機和組合發動機的基礎和關鍵技術攻關仍非常重要。

3.4 動力先行，研究設備首當其沖

高超聲速技術研發在很大程度上依賴于實驗條件。動力先行，必須設備先行。必須要有適當規模、配套齊全、相當技術水平的地面研究設施，包括高焓風洞、發動機直連實驗系統、燃油供應與控制系統及必要的實驗參數測量與流場顯示設施。

3.5 集智攻關，充分發揮專業優勢

高超聲速動力技術涉及推進劑、氣動、燃燒、熱結構、材料和工藝等多種專業，科研院所和大專院校在理論研究和工程研制方面各有所長。超燃沖壓和RBCC動力系統研究研制既不能“全面開花”、“各自為戰”，也不能“唯我一家”，應發揮各自的專業優勢，優勢互補和集智攻關是我們最佳選擇。關鍵技術應對總體方案提供支撐，而基礎研究應對關鍵技術提供支撐。

4 結束語

能夠預見，使用超燃沖壓發動機和組合動力系統的高超聲速飛行器將是人類遠程高速到達的發展途徑。盡管高超聲速技術仍然面臨許多技術問題，發展過程中會遇到這樣那樣的困難和挫折，但相信人類追求進步的步伐不會停止。超燃沖壓發動機會使飛行器在大氣層內以高超聲速巡航變為現實；RBCC發動機將使飛行器在臨近空間領域以高超聲速機動巡航成為可能。

就迄今為止的發展史來看，對基礎和關鍵技術研究不足，高估當時技術基礎儲備，低估可能面臨的問題，可能會使項目規劃、進度和經費等諸方面出現不合理，最終導致無法完全實現預定目標。反之，看好未來，沒有較多“貪心”，“小步快跑”可能會產生更好的效果。

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