高速飛機技術發展簡史

摘 要：文章簡要回顧了世界主要航空強國高速飛機領域的發展歷史，將高速飛機的發展歷史分為起步階段、高速發展階段、技術高原階段和技術復興階段等4個階段，并對各個階段的典型飛機進行了分析介紹，最后得出了幾點啟示以供參考。

關鍵詞：高速飛機；發展階段；簡史；啟示

1 概述

更高、更快是飛機設計師永恒的追求。隨著SR-72飛機、Manta飛機等高超聲速飛機逐步出現，又將人類征服天空的激情推向了更高的高度。“羅馬不是一天建成的”，高超聲速飛機技術的發展已經走過了60余年的歷程，人類一直在追求技術的進步。本文重點簡述高速飛機技術發展史，探索技術發展脈絡，以期對未來高超聲速飛機的發展有所裨益。

2 發展歷程

高速飛機技術60余年的發展歷程，從型號角度來看有成功也有失敗，失敗居多，成功的寥寥可數；從技術角度來看，可以說是持續進步，取得了一個又一個的技術突破，大致經歷起步、高速發展、高原期3個主要階段，目前又迎來了新一輪的技術復興，人類進入高超聲速飛機的時代馬上來臨了。

2.1 起步階段

由于冷戰的需要，上世紀50年代中后期，歐美和蘇聯等航空強國針對水平起降高速飛機開展了大規模的研究，主要用于戰略轟炸和截擊，并提出了諸如TBCC發動機、鈦合金制造、面積律設計等關鍵技術。這個階段主要處于技術探索時期，歐美、前蘇聯均研制了相關飛機，但由于技術或經費的原因，所有項目最終紛紛下馬。

2.1.1 Leduc 0.22

該機是法國1956年M2戰斗機競標的一種原型機[1]，由Breguet公司的René Leduc設計，是由沖壓發動機試驗機Leduc 0.10、Leduc 0.16和Leduc 0.21發展而來，其動力系統采用串聯TBCC概念，在沖壓發動機的流動管道內串聯布置渦輪發動機。該機于1956年12月首飛（僅使用渦輪動力），1957年5月實現沖壓飛行，共試驗飛行80次，僅生產了1架原型機。由于法國軍方最終選擇了采用常規渦輪動力的幻影III，該項目下馬。由于機身設計沒有考慮面積律分布，該原型機被證明不能實現超音速飛行。主要參數見表1。

2.1.2 Avro 730

1954年英國皇家空軍提出的遠程超音速戰略偵察機項目OR.330，需要能夠潛入前蘇聯領空并且躲避敵防空力量。設計指標為18km高度M2.5巡航，最大M3.0，航程9260km，后續又加入了執行轟炸的能力。Avro飛機公司的Type 730方案作為競標方案之一，原型機在制造階段該項目取消，取消原因推測是英國軍方認為10年后飛機服役時無法應對前蘇聯防空導彈技術的發展。Avro 730的研究工作為后來的超音速客機協和號的研制提供了技術儲備。Avro 730方案采用大長細比機身鴨式布局，為降低超音速阻力采用埋入式座艙，發動機艙布置在機翼上，單側4臺發動機周向對稱布置，采用共用的錐形壓縮軸對稱進氣道。主要參數見表2。

美國空軍遠程戰略轟炸機B-70的原型機，由北美航空公司研制，1964年實現首飛，項目總經費15億美元。由于地對空導彈和遠程洲際彈道導彈的發展，以及較高的研制經費，B-70項目于1961年取消。盡管項目取消，XB-70仍然生產了2架用于1964～1969年的超音速飛行試驗，其中一架原型機于1966年失事，試飛得到的數據和結構材料的研究成果用于了B-1轟炸機的發展。

當時美國空軍提出的需求是能夠從美國本土起飛，可攜帶核彈實現對前蘇聯的轟炸打擊，要求轟炸機有不需空中加油遠程飛行和大載彈量的能力，同時能夠以超音速實現突防和逃逸。1955年有6家公司競標，最終選擇波音和北美航空公司的設計方案。初始方案為可拋式帶副油箱外翼，攜帶外翼時采用M0.9亞音速巡航，拋出外翼后實現超音速飛行，最大起飛重量約340t，美國空軍評估認為該方案噸位過大且使用復雜。1956年波音和北美航空公司都修改了設計方案，新方案在全任務階段均以Ma3超音速巡航，都采用大長細比機身和三角翼布局形式，不同之處在于北美航空公司的方案發動機采用機身下并列布置，波音的方案采用翼下吊裝發動機布置形式。美國空軍在1957年對波音和北美航空公司的方案進行了評估，美國空軍的設計要求包括：該型飛機能夠以Ma3.0～3.2巡航飛行，飛臨目標上空的高度為22km，航程不小于16900km，最大起飛重量不超過222t，并且可以沿用B-52同樣的機庫、跑道和操作流程。最終北美航空公司贏得了競標，于1958年開展詳細設計工作。

XB-70的設計特點包括：大長細比機身、帶有鴨翼的三角翼布局形式，翼尖部分在高速飛行時可向下偏轉。6臺發動機水平并列布置在機身下方，1個進氣道同時為3臺發動機供氣。機體大面積采用蜂窩夾層結構形式，在機頭和機翼前緣采用鈦合金材料，同時也采用燃油對機體進行降溫。主要參數見表3。

2.1.4 Sukhoi T-4

Sukhoi T-4是60年代前蘇聯的高速戰略轟炸機方案，和美國當時發展的XB-70相似。蘇霍伊設計局以3200km/h的設計巡航速度擊敗了Yakolev和Tupolev設計局，在1964年開始了原型機的制造。原型機于1972年8月首飛，共飛行10次，最大飛行速度僅達到了M1.3。該項目于1974年取消，由于當時蘇聯空軍需求T-4大約250架，而當時的爭論是應該需要更切合實際的戰斗機而不是這種巨大的飛行目標。T-4轟炸機大部分采用鈦合金和不銹鋼材料制造，起降時機頭可以下偏提供較好的視野。主要參數見表4。

2.2 高速發展階段

在該發展階段，處于冷戰鐵幕籠罩下的美國和俄羅斯在高速飛機領域技術發展迅速，美國發展類SR-71系列飛機，主要用于高空高速偵察和打擊；俄羅斯發展了MiG-25系列飛機，主要用于超音速截擊、偵察機，都取得了巨大的成功，實現了M3+級高速飛機的實用性技術跨越，尤其在高速氣動布局、推進系統、結構材料領域進步巨大。

2.2.1 SR-71系列

（1）A-12

由凱利·約翰遜設計，洛克希德臭鼬工廠為美國中情局制造的高速偵察機。A-12于1962年首飛， 1963年開始服役，是YF-12和SR-71的先驅機型，1968年全面退役，直到90年代中期該項目才公之于眾。由于中情局為降低U-2飛機雷達散射面積的彩虹計劃失敗，于是洛克希德公司在1957年開始發展一型可以對前蘇聯進行偵察的飛機，設計代號大天使（Archangel）。1960年A-12方案（第12個設計方案）贏得競標，獲得了中情局12架飛機的訂單，代號牛車計劃（Oxcart）。在1962年A-12配裝J-75發動機，可以達到M2.0；1963年換裝J-58發動機，達到了M3.2。在整個生產周期內，共生產了18架飛機，包括12架A-12偵察機、1架A-12教練機（串列雙座）、3架YF-12A截擊機和2架M-21無人偵察機載機。A-12在1967年重點部署在日本沖繩的美軍基地，用于對越南和朝鮮的偵察任務，1968年雙座SR-71開始服役，同時考慮到受國防裝備預算的限制， A-12退役。主要參數見表5。

（2）YF-12

由A-12發展而來的高空高速截擊機的原型機，于1963年首飛，共生產了3架。其背景是1959年F-108高速截擊機計劃取消，而洛克希德在中情局牛車計劃下研制成功了A-12，設計師凱利·約翰遜又有意發展A-12的戰斗機改型AF-12，于是美國空軍在60年代中期訂購了3架AF-12，后來稱為YF-12A截擊機。1965年美國空軍準備采購93架生產型的F-12B，但是由于越戰開銷較大沒有獲得國防部的審批，而后來由于美國不優先發展國土防空力量，F-12B計劃于1968年被取消。盡管如此，YF-12A后來用于NASA的飛行研究。

YF-12A在A-12的基礎上為了安裝雷達修改了機頭形狀，并且改為雙座，為增加航向穩定性在發動機艙下方加裝了腹鰭。A-12的4個偵察設備艙其中的3個改為彈艙，1個用于安裝火控系統。在試飛中YF-12A在M3.2約23km高度成功發射了AIM-47A空空導彈。主要參數見表6。

（3）SR-71

SR-71采用串列雙座，前座為飛行員，后座為偵察設備操作員。為確保飛行員高空高速安全飛行，設計了增壓座艙，并使用像航天員一樣的增壓服。SR-71的機體結構85%采用鈦合金，其余大部分為復合材料，其生產線采用了全新的工藝來實現鈦合金的焊接。為解決M3長時間飛行氣動加熱問題， SR-71的內翼蒙皮大部分采用褶皺式設計，因為飛行產生的氣動加熱會使光滑的蒙皮彎曲或撕裂，而褶皺的蒙皮可以抵抗氣動加熱帶來的膨脹；機身油箱在地面停機時有縫隙，在起飛時會漏油，SR-71每次執行任務需要先進行短暫的加速飛行，利用機體的熱膨脹來封閉油箱，再進行空中加油后執行偵察任務。SR-71采用隱身設計概念，包括從機頭開始的大面積曲線脊線和內傾雙垂尾，同時在燃油中加入了銫化合物來降低發動機噴流的雷達信號，并且配以吸波材料和深色涂裝。SR-71裝有電子對抗系統，但其最大的自衛能力還是飛行的高度和速度。SR-71采用的脊線不僅降低了雷達散射面積，而且提供了額外的渦升力來降低起降速度，并且提高了失速迎角，但SR-71的縱向過載限制為3g，是由進氣道能力限制的。SR-71的進氣道采用軸對稱可調混壓式進氣道，中心錐可以前后伸縮，亞跨音速時位于最前端位置，在高度9km、M>1.6進氣道中心錐開始調節，M3.2時收至最后端位置。在高速飛行時如果一側進氣道出現不起動現象，為避免推力不對稱產生過大的偏航力矩，通過進氣道調節系統也使另一側的進氣道不起動，然后再同時起動兩個進氣道。

1968年SR-71首次部署在日本沖繩的美軍基地，主要完成對越南、老撾等國的偵察任務，執行任務頻率越來越高，從開始的一周一次到1972年的幾乎一天一次。SR-71黑鳥系列飛機（包括A-12和YF-12）在服役期間共執行任務3000余次，總計執行任務時間超過11000小時，其中超過2700小時是M3以上的高速飛行。在1970年以后，美國空軍將注意力和投資集中在新項目B-1、B-2和B-52的升級上，同時由于SR-71的停產、缺少數據鏈功能（在戰術層面上不能及時提供信息）和軍方內部對SR-71的一些誤解，促使SR-71于1989年退役。而由于中東局勢日益緊張，美國國會在1993年又重新對SR-71飛機進行了評估，認為除了衛星的戰略偵察之外還需要生存能力強的戰術偵察機，而當時無人偵察機還不成熟，于是國會投入7.25億美元重啟3架SR-71飛行執行偵察任務，最主要的更改是加入了數據鏈功能。然而在1996年，由于無人機的發展，美國空軍停止了對SR-71飛行的資金投入，最終SR-71于1998年完全退役。

SR-71系列飛機采用的普惠公司J58發動機是帶有壓氣機旁路系統的單級軸流式渦噴發動機。長度5.44m，直徑1.45m，重量2700kg，壓氣機9級、渦輪2級，海平面最大加力推力150kN。J-58發動機采用高燃點的JP-7煤油燃料，JP-7燃料同時作為熱沉用來冷卻發動機、液壓系統、環控系統和氣動加熱嚴重的機體結構。三乙基硼作為催化劑來點燃高燃點的JP-7燃料。三乙基硼采用氮氣增壓儲箱（每臺發動機的三乙基硼儲箱容積600m3）儲存，可以完成至少16次的發動機起動和加力燃燒室的點火。在M3.2飛行時，常規的渦噴發動機由于進氣總溫的提高會使壓氣機效率和喘振裕度降低，并且會產生壓氣機葉片的疲勞問題。為實現高速飛行J58發動機通過6個外部管路將20%進入發動機的流量從第四級壓氣機直接引到加力燃燒室內部參與燃燒，來提高高速飛行時發動機的整體效率。

2.2.2 MiG-25系列

（1）MiG-25

MiG-25飛機是前蘇聯Mikoyan-Gurevich設計局研制的超音速截擊、偵察機，原型機于1964年首飛，1970年正式服役，可攜帶大功率雷達和4枚空空導彈，MiG-25的問世間接加速了美國F-15戰斗機的發展。MiG-25于1984年停產，共生產了1190架，目前仍有少量MiG-25在俄羅斯和其他一些國家服役。MiG-25是飛行速度第二快的軍用飛機，僅次于SR-71。

MiG-25的發展背景是前蘇聯廣闊國土的防空需求，來應對美國的高空偵察機U-2和B-47、B-52、B-58等轟炸機，在1958年提出截擊機的需求，要求該型飛機能夠達到3000km/h的速度和27km的高度。MiG-25可以實現M3+的飛行，最大M數達到了3.2，但是由于發動機超速和超溫會造成永久性的損壞，MiG-25的最大速度限制在M2.83。為解決高速飛行時的氣動加熱和強度問題，MiG-25機翼和機身采用不銹鋼承力結構，由于加工工藝和成本的問題沒有大面積采用鈦合金，MiG-25由80%鎳合金、11%鋁合金和9%的鈦合金構成。

MiG-25系列主要型號有MiG-25P（單座全天候截擊機）、MiG-25PD（截擊機改進型，更新了發動機、雷達和導彈）、MiG-25R（單座高空偵察機）、MiG-25RB（偵察機改進型，可攜帶500kg炸彈）。主要參數（MiG-25P）見表8。

（2）MiG-31

MiG-31是MiG-25的后續發展型號，由單座改為雙座，由米高揚設計局研制。1975年首飛，1982年開始服役于俄羅斯和哈薩克斯坦空軍，共制造大約400架。2010年啟動了米格31的升級計劃，稱為MiG-31 BM，預計到2020年實現60架以上米格31的升級，俄羅斯預計MiG-31于2028年全面退役。和MiG-25相比，MiG-31加強了機身和機翼的結構強度，更換了更大推力的渦扇發動機，最大M數仍限制在2.83，采用了先進的相控陣雷達和導彈。主要參數見表9。

2.3 技術高原期

Ma3+飛機的成功極大增強了人們對高速技術的信心，對采用水平起降單級入軌并能返回降落的可重復使用空天飛機產生很大的興趣。美國在上世紀80年代開始了NASP計劃（國家空天飛機計劃），歐洲也開始了S NGER空天飛機的研制。由于技術過于超前，上述計劃全部失敗，但是諸如計算流體力學、高速風洞試驗、熱材料、熱管理等高超聲速重大關鍵技術得到了發展，進一步促使美國在90年代后期開始考慮發展高超聲速飛機。

2.3.1 X-33

X-33飛機是美國國家空天飛機計劃（NASP）的產物[2，3]，NASA選擇洛馬公司于1996年開始研制（與波音和麥道競爭），作為無人、重復使用的空天飛機技術驗證機（單級入軌SSTO，垂直發射重復使用RLV），重點驗證熱防護系統、液氫燃料復合材料低溫儲箱、氣動（aerospike）發動機、自主飛行控制、升力體氣動力特性等。該項目由于飛行的不穩定性和超重等技術問題于2001年取消，當時已經完成了原型機85%的裝配工作，而且發射裝置已經100%完成。尤其是在1999年的測試中，多瓣復合材料燃料儲箱在充填燃料和壓力測試中失敗直接導致項目取消，NASA已經投入了9.22億美元，洛馬公司投入了3.57億美元。主要參數見表10。

2.3.2 S NGER

SNGER空天飛機是德國20世紀80～90年代的兩級入軌高超音速飛行器概念方案。1987年德國政府資助梅塞施密特公司開展兩級入軌的研究，之后在德國的高超音速技術項目下資助至1993年。項目于1994年取消，是由于發展這種飛行器費用高昂，僅能比當時的阿里亞納5號火箭投送載荷降低10～30%的成本。

第一級飛行器EHTV機長84.5m，翼展41.4m，總重254t，空重156t。采用6發渦輪沖壓組合動力和液氫燃料，海平面比沖3600s，高空高速比沖1200s。能夠以M4.4巡航飛行，俯沖至M6投放二級載荷，載荷分離高度37km。第二級飛行器Horus機長27.6m，翼展15.6m，總重112t，空重32.6t。采用單發ATCRE液體火箭發動機（液氧/液氫燃料），比沖490s。

2.4 技術復興階段

雖然技術高原期經歷了較多的項目下馬和技術失敗，但是為迎來技術的全面復興奠定了技術基礎。航空巨頭波音公司和洛馬公司分別提出了各自的高超聲速飛機方案和發展路線圖，揭起了又一輪高速飛機技術研究熱潮[4]。

2.4.1 Manta計劃

Manta計劃由美國空軍牽頭，美國航空工業的巨頭--波音公司承擔的臨近空間偵察、打擊平臺研究項目，2007年啟動，預計型號于2025首飛，計劃分兩階段發展。

Manta布局方案由波音公司提出[5，6]。采用渦輪基雙模態沖壓發動機，機頭三維內轉進氣小展弦比大后掠翼身融合布局，機長22.9米、翼展13.4米、機高5.4米，起飛總重84噸，載荷2.5噸，翼載273kg/m2。全機總體布置非常緊湊，機身主要布置進排氣系統和動力系統，占到全機投影面積的一半以上。采用內外混壓不可調內并聯進氣道、大膨脹比單邊膨脹噴管。采用大后掠凸前緣三角翼布局，外漏翼面積非常小，屬于典型的高速布局；全機僅四塊舵面（兩塊升降副翼、兩塊方向舵），氣動力控制難度較大。

2.4.2 SR-72飛機

美國國防高級研究計劃局（DARPA）和美國空軍的支持項目。洛克希德公司表示將研制SR-72飛機，用于替代SR-71飛機，用于高超聲速情報、監視和偵察（ISR）和打擊，屬于獵鷹計劃中HTV-3X的后續發展平臺[7]，該平臺預計在2018年進入驗證機開發階段。采用雙發設計的SR-72飛機巡航速度為馬赫數6，是SR-71飛機速度的兩倍，并針對打擊目標進行能力優化。驗證機將在2018年開始研制，并在2023年實現首飛，裝備型可在2030年交付部隊。

SR-72的發展將以有人駕駛的飛行研究機（FRV）為起點，該研究機長約18.3米，動力裝置為單臺全尺寸推進系統。驗證機大小與F-22相當，采用單臺發動機，并能以馬赫數6飛行數分鐘。設想中的實用型飛行器SR-72將是雙發無人飛行器，機長超過100英尺（30.5米）。推進系統艙安裝在機身靠近內側的位置，集成有組合推進系統以及渦輪-沖壓發動機的進氣道。與昔日HTV-3X的設計差異在于采用了僅適用于小尺寸渦輪發動機（戰斗機發動機級）的低阻設計。在氣動布局方面，前體表現為有考慮在高速下為進氣道來流提供壓縮，但是并非像X-51A那樣的乘波體布局。NASA蘭利研究中心表示并不主張采用乘波體布局。洛馬公司研究發現如果想要乘波體的優勢僅體現在對應的巡航速度狀態，因此如果要利用氣動優勢，那么飛行器的燃料必須主要用于巡航段。但是事實上，高超聲速飛行器的設計通常在加速段消耗較多燃料，因此必須讓飛行器在加速段具有較高效率。采用大的發動機進氣道和氣動布局顯示SR-72概念基本沒有考慮隱身問題。臭鼬工廠工程和先進系統副總裁Al·羅米格表示“速度將是新的‘隱身能力”。這意味著高超聲速飛行器無需過多考慮低可探測問題。雖然表面可以涂有雷達吸收材料，尖銳前緣的熱防護要求可能是更為重要的問題。類似HTV-3X，該飛行器可能采用熱金屬前緣和“熱/加熱”金屬主結構設計以處理較高熱流密度載荷。

SR-72在設計時除考慮凌空ISR能力外，還同時考慮了利用導彈的打擊能力。從馬赫數6飛行的平臺發射的武器無需助推器，將顯著減少重量。擁有更高速度的SR-72將能探測和打擊更加敏捷的目標。即使是馬赫數3的SR-71，被偵察目標仍可提前注意到飛機的來襲，但是對于馬赫數6的飛機而言，根本沒有足夠的時間來隱藏移動目標。

3 啟示

通過上文對水平起降臨近空間高速飛機發展歷程的梳理，我們可得到三點啟示：

（1）高超聲速飛機的新一輪發展正露頭角。高超聲速飛機的發展已經經過半個多世紀，中間走了很多彎路，也取得了很大的成績，隨著動力、材料、平臺等關鍵技術的日益成熟，現在又迎來了高超聲速飛機發展的黃金時期。

（2）高超聲速飛機的主要技術路線已經初露端倪。從Manta和SR-72飛機的方案來看，采用基于吸氣式動力的組合動力系統的高超聲速飛機將是重要的發展方向，平臺技術特征和發展路線已經逐步明確，在未來20年內將形成裝備，臨近空間作戰武器初露端倪。

（3）國外技術基礎雄厚，技術延續性很強。國外水平起降臨近空間高速飛機的發展是在上世紀五、六十年代Ma3+飛機和八十年代X-33空天飛機的技術基礎上發展起來的，技術的繼承性很強，現在發展Ma7+平臺水到渠成，這一點值得我們注意。

參考文獻

[1]France National Report，Francois Falempin 16th AIAA/DGLR Spaceplanes & Hypersonic Systems & Technologies Conference Bremen[R]. 19-22 October， 2009.

[2]T. Kokan J.R. Olds V. Hutchinson J.D. Reeves ，Aztec： A TSTO Hypersonic Vehicle Concept Utilizing TBCC and HEDM Propulsion Technologies[C].GA 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference And Exhibit， 11-14 July 2004 Fort Lauderdale， AIAA 2004-3728.

[3]USA Applied Hypersonics， 16th AIAA/DLR/DGLR International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference 19-22 Oct 2009， Thomas A. Jackson， Ph.D. Aerospace Propulsion Division Propulsion Directorate Air Force Research Laboratory[C].

[4]NATIONAL AEROSPACE INITIATIVE ，Committee on the National Aerospace Initiative Air Force Science and Technology Board Division on Engineering and Physical Sciences[R].

[5] Brian Zuchowski.AIR VEHICLE INTEGRATION AND TECHNOLOGY RESEARCH （AVIATR） Delivery Order 0023： Predictive Capability for Hypersonic Structural Response and Life Prediction： Phase II-Detailed Design of Hypersonic Cruise Vehicle Hot-Structure [R]. AFRL-RQ-WP-TR-2012-0280.

[6]George G eorge Tzong， Richard Jacobs， and Salvatore Liguore The Boeing Company. AIR VEHICLE INTEGRATION AND TECHNOLOGY RESEARCH （AVIATR） Task Order 0015： Predictive Capability for Hypersonic Structural Response and Life Prediction： Phase 1-Identification of Knowledge Gaps， Volume 1-Nonproprietary Version[R]. AFRL-RB-WP-TR-2010-3068，V1.

[7]C. R. McClinton， J. L. Hunt， and R. H. Ricketts， Hampton VA P. Reukauf， Edwards， CA and C. L. Peddie， Cleveland， OH，Airbreathing Hypersonic Technology Vision Vehicles and Development Dreams[C]. AIAA 99-4978.

作者簡介：侯曉輝（1972，01-），女，漢族，沈陽飛機設計所從事基礎預研項目管理工作。