高超聲速飛機 2小時打遍全球

最近，美國空軍的X-51A“乘波者”試驗飛行器完成了4次試飛計劃中的最后一次，實現了以吸氣式超燃沖壓發動機為動力的5馬赫持續高超聲速飛行的目標。這標志著美國在高超聲速飛行器研發領域又向前邁了一步。

但人們更為關心的是未來美國的軍用高超聲速飛機能否在2小時內飛抵全球任何地區，執行實時偵察、遠程快速部署和精確打擊任務。

方案：從飛機到導彈

高超聲速技術是以吸氣式發動機或組合發動機為動力、在大氣層內實現速度大于5馬赫的持續飛行的技術。由于其所帶來的軍事價值與經濟價值巨大，美國、俄羅斯等國家一直在矢志不移地研究，并制定了許多高超聲速技術發展計劃。

特別是美國，從1985年起，一些研究機構便根據國防部預研局（DARPA）的提議，開始實施“國家空天飛機計劃”（NASP）。該計劃的目的是開發一種可完全重復使用、單級、以超燃沖壓發動機推進、水平起降的空天飛機。其最重要的工作內容是開發一種可提供高超聲速飛行狀態的超燃沖壓發動機E22A，并研制X-30驗證機。

然而，由于該計劃提出的目標過于龐大，耗資過于巨大，技術過于復雜，使其一開始就留下了陰影。1995年，耗資數百億美元、歷時10年之久的NASP計劃宣告停止。

后來，美國在總結NASP計劃正反兩方面經驗的基礎上，對于發展和應用高超聲速技術采取了更為穩妥、循序漸進的策略，并制定了近期、中期和遠期目標：近期目標是發展高超聲速巡航導彈；中期目標是發展高超聲速飛機；遠期目標是發展跨大氣層飛行器和空天飛機。

1996年，國防部高級研究計劃局（DAPPA）制定了“快速反應導彈演示”（ARRMD）計劃，目的是研制一種采用碳氫燃料的超燃沖壓發動機、速度6～8馬赫、最大射程800～1200公里的高超聲速導彈武器。在此計劃牽引下，空軍與海軍分別制定了HyTech和HWT計劃。

1998年8月，DAPPA選擇波音公司對空軍和海軍的方案進行論證，然后二者擇一。經過論證，最后選擇了空軍HyTech計劃的乘波體氣動布局，在發動機方面，同樣選擇了HyTech計劃的成果普·惠公司研制的SJX61碳氫燃料超燃沖壓發動機（該發動機原計劃配裝X-43C，該項目于2003年取消）。

2005年9月，DARPA與空軍確定共同資助HyTech的后續工作，稱之為超燃沖壓發動機演示HySET?？哲妼⒃撚媱澚腥隭-Plane系列中，命名為X-51A SED飛行器，字母“A”代表X-51飛行器系列中的第1個飛行器的設計方案。

X-51A計劃的主要目的之一是對美國空軍的HyTech超燃沖壓發動機進行飛行試驗，這種發動機使用吸熱型碳氫燃料，能將飛行器的速度從4.5馬赫提升到6.5馬赫。此外，還有以下目的：一是獲取超燃沖壓發動機的地面及飛行試驗數據，以加深對物理現象的理解并開發可用于超燃沖壓發動機設計的計算工具；二是驗證吸熱式燃料超燃沖壓發動機在實際飛行狀態下的生存能力；三是通過自由飛行試驗來驗證超燃沖壓發動機能否產生足夠的推力。

就這樣，經過多年的探索，美國確定了以超燃沖壓發動機為技術突破點的技術路線；在平臺方面，沒有像以往那樣一上來就花巨資開發技術難度更大的高超聲速飛機，而是采用了成本可承受、風險較低、易于形成裝備的巡航導彈方案。這是一個痛苦的選擇，也是一個明智的選擇。

試驗：一波四折終獲成功

按計劃，X-51A一共進行了四次飛行試驗。

2010年5月26日，X-51A在美國南加州太平洋海岸附近完成了首次飛行試驗，使用了由普惠洛克達因公司制造的吸氣式超燃沖壓發動機。這是一種全新的發動機技術，可與二戰后由螺旋槳推進向噴氣推進的飛躍相提并論。試驗中，該發動機創紀錄地工作了140秒，并且把飛行器加速到了5倍音速。

2011年6月13日，X-51A進行了第二次飛行試驗。當天，B-52戰略轟炸機攜帶X-51A飛行器飛至發射點后，火箭推進器成功地將X-51A推進至5倍音速。以乙烯為初始燃料的超燃沖壓發動機成功點火，但在隨后轉而使用JP-7常規燃料時，進氣道未能啟動。之后，工作人員重啟、恢復最佳條件的努力失敗，導致第二次飛行過早終止。

2012年8月14日，X-51A在加州的美國海軍空戰中心海上靶場進行了第三次飛行試驗。飛行器成功從B-52上分離，但飛行16秒后出現了錯誤，此時X-51A還沒有與助推火箭分離。15秒后，X-51A從助推火箭上分離下來時，控制翼出現故障，飛行器失去控制，墜入大海。

最近的一次是2013年5月1日。此次試驗中，X-51A持續飛行了300秒，隨后在500秒左右開始無動力滑行下降，最后墜落在加州西部太平洋試驗場的海域中。如果相關數據被確認，將意味著持續吸氣式高超聲速飛行創造了新紀錄。

本次試驗采用的是波音公司制造的四架飛行器中的最后一架，動力采用了普惠洛克達因的SJX61雙模態亞燃/超燃沖壓發動機。發動機根據前三次飛行試驗的經驗和教訓進行了改進：在發動機流道截面采用了更好的密封，防止重蹈首次飛行時燃氣侵入飛行器內部而導致飛行過早結束的覆轍；針對第二次試飛進氣道未啟動的故障進行了軟硬件改進；針對第三次試飛時飛行器控制翼面故障進行了改進。

目標：高超聲速飛機

雖然當前美國研究高超聲速技術的目標在于發展導彈武器，但就未來看，超燃沖壓發動機技術應用到高超聲速飛機的價值更大。

一來，軍用高超聲速飛機可在2小時內飛抵全球任何地區，可執行實時偵察、遠程快速部署和精確打擊任務。其突防能力強、被攔截概率小，若再配掛高超聲速防區外攻擊武器，將大大提高作戰效能。

二來，如果高超聲速技術在洲際飛機上得到應用，以5～6馬赫的速度飛行，航程達到數萬公里，那么它在民用方面將擁有很大的潛在市場。

事實上，美國一直沒有放棄對高超聲速飛機的追逐。1996年NASP計劃終止后，美國國家航空航天局（NASA）依然在繼續實施著高超聲速-X（Hyper-X）計劃，研究內容主要是X-43系列飛行演示器的機體結構、材料以及熱防護系統，其目的是將高超聲速吸氣式推進系統及其相關技術從實驗室推廣至飛行環境中，等等。

截至目前，X-43A已經進行了數次試飛，并達到了最快近10倍音速的飛行速度。

NASA本打算推動X-43A的后續型X-43C的發展，后者采用了許多在Hyper-X計劃中已經驗證的系統，包括助推器、級分離、飛行管理和數據系統等。但2003年，NASA與DARPA協調后取消了X-43C項目，隨后，由DARPA和美國空軍聯合實施的FALCON（武力運用與本土發射）計劃出爐。

該計劃的目標是研制可重復使用、能進行快速打擊的高超聲速武器系統，主要包括三個內容：

一是通用航空器（CAV）無動力、機動式、高超聲速滑翔的飛行器，能將約454公斤的彈藥投放于5560公里之外的目標。

二是可將載荷發射至軌道或發射高超聲速武器載荷的小型發射飛行器（SLV）低成本的、常規的、帶助推器的火箭，用來發射CAV。該小型發射飛行器的成本約為500萬美元，能將約454公斤的有效載荷投放到低地球軌道上。

三是可攜帶載荷的高超聲速巡航飛行器（HCV）一種無人駕駛飛機，能夠從常規跑道起飛，可重復使用，可攜帶5400公斤載荷在兩個小時之內對16650公里外的目標實施打擊。由于難度巨大，HCV預計不會在2025年前裝備。

由FALCON計劃可以推測知，美軍的真正目標是擁有類似HCV這樣的水平起降、可重復使用、能發射武器的高超聲速飛機，并伺機向技術難度更大的空天飛機往返系統進軍。