高超聲速與空天飛行器技術前景研究

黃騫生

摘 要：更高的速度和更高的高度是人類永遠的追求，“空天一體”戰略的提出將使傳統的空天之間的界限不復存在，更使先進的高超聲速與空天飛行器成為必需。目前，高超聲速飛行器已成為各航空航天大國努力研究的對象，更被認為是“繼作戰飛機和核武器后又一個改變戰爭游戲規則的革命性產物”。本文對高超聲速飛行技術多年來的發展探索及未來發展進行了介紹和分析。

關鍵詞：高超聲速 空天飛行器 空天一體

中圖分類號：TJ760 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）11（a）-0076-03

高超聲速飛行器是指大氣層內飛行馬赫數在5以上的飛行器。20世紀50年代末以來，以火箭發動機為動力的高超聲速技術已廣泛用于各種戰術和戰略導彈、航天器等。受限于火箭發動機較低的比沖，這類飛行器飛行時間有限且很不穩定，現在各國均著力于研制新型的以吸氣噴氣發動機為動力的高超聲速飛行器，也被稱為臨近空間飛行器或空天飛行器。近年來，包括我國在內的各軍事與航天強國均在高超聲速方面有較大投入和成果，高超聲速技術可能將成為下一次技術革命的主角。

1 各國高超聲速與空天飛行器技術發展現狀

1.1 美國

美國是最早開始發展高超聲速飛行器技術的國家之一。早在1950年，美國軍方就啟動了旨在研制出高超聲速轟炸機和偵察機的“超級盜賊”項目，后演變為著名的SR-71“黑鳥”超聲速偵察機。同期進行的還有X-15高超聲速驗證機項目等。1985年美國啟動國家空天飛機（NASP）計劃，獲得了Ma>8情況下的超燃沖壓發動機設計技術，建立了高超聲速氣動數據庫[1]；后啟動了Hyper-X計劃，于2004年成功試飛X-43A高超聲速飛行器，實現了Ma9.68的噴氣式飛機速度紀錄；2010年又成功試飛X-51高超聲速飛行器，實現了在18288m高度以Ma5.1連續動力穩定飛行200s的目標；還與包括前蘇聯在內的多國合作開展高超聲速相關研究。其擁有多個先進的高超聲速研發和試驗設施，可進行高速下的發動機燃燒和空氣動力試驗。在相關的工程實踐、經驗數據積累等方面處于世界前列。

1.2 前蘇聯/俄羅斯

前蘇聯的高超聲速技術研究幾乎與美國同期開始，由于保密，公開資料很少。已知的項目包括米格-105“螺旋”空天戰斗機計劃和著名的“暴風雪”航天飛機等。蘇聯解體后，俄羅斯除與美國合作進行“冷”項目之外，還獨立進行了“彩虹”“針”和“射手”等高超聲速飛行器項目并多次在航展上展出概念設計。試驗設施方面，中央航空發動機研究院有一臺具備Ma7氣流速度下模擬試驗能力的大型試車臺，其水平仍處于世界前列。

1.3 日本

日本無法將高超聲速技術用于軍事方面，但仍較為重視其在民用方面的應用。其研究起源于20世紀80年代末，目前正計劃與美國或歐洲合作研制6馬赫級別的高超聲速客機，其國內的研究設施包括一座Ma4-8的大型高超聲速發動機試車臺和大型高溫激波風洞。

1.4 中國

中國是這方面的后起之秀。具體研發項目公開資料很少，但在高超聲速技術應用方面處于世界前列，是世界上唯一公開確認組合式渦輪沖壓發動機進入原型機試飛階段[2]的國家。中國也有研發使用高超聲速技術的空天飛機計劃，并計劃在2025—2030年進行飛行試驗。還有連續旋轉爆轟發動機等先進技術，在試驗設施方面具備多座大型如JF12、FD21和M4-7等高超聲速風洞。總體水平與美俄并駕齊驅。

2 高超聲速與空天飛行器發展概況

2.1 一次性高超聲速飛行器

包括采用高超聲速技術的彈道導彈、巡航導彈等和一次性使用的驗證機，飛行方式有助推滑翔式和動力滑翔式等，是目前各國試驗和使用最多的高超聲速飛行器/武器。

（1）美國。

美國試驗過多種一次性高超聲速飛行器，其中最富有代表性的是Hyper-X計劃和空軍HyTECH計劃中的吸氣式動力驗證機X-43A和X-51A，以及國防部高級研究計劃局（DARPA）的HTV-2助推滑翔試驗飛行器。

（2）俄羅斯。

已知的項目包括類似美國X-43和X-51的“針”“彩虹”項目。公開程度較多的是GLL-31“射手”高超聲速飛行器。此外，還與印度合作研發“布拉莫斯”II高超聲速巡航導彈。

（3）中國。

項目保密程度較高。2014年1月，美國防部探測到中國進行類似于HTV-2的高超聲速助推滑翔飛行器飛行試驗并稱之為WU-14，中國官方隨后予以承認。根據美方監測數據，共進行過7次試飛，全部取得圓滿成功，且已有實際應用案例，據稱東風-26反艦導彈就裝備了類似WU-14的助推滑翔機動彈頭，具備Ma7速度下40°大攻角的極強高超聲速機動能力。中國還進行過類似于“冷”項目的超燃沖壓發動機試驗。

（4）歐盟各國。

歐盟各主要發達國家均較重視高超聲速技術，尤以航空工業實力雄厚的法國最突出。其研究計劃制定于1992年，主要項目包括“淺黃”超燃沖壓發動機和“普羅米修斯”高超聲速巡航導彈。還與美國SR-72同期研制類似的無人高超聲速偵察機。實用成果包括ASMP空射核巡航導彈。英國則側重于空天飛機，先后提出過布里斯托爾188、霍托爾號、桑格爾號和正在研制中的云霄塔等多個方案。

2.2 多次使用高超聲速/空天飛行器

指使用高超聲速技術的飛機等可在完成任務后返回的飛行器。目前這類飛行器均處在研制階段，已正式開始研發的只有美國的SR-72無人高超聲速偵察機。中國也在研制被稱為“騰云工程”的兩級高超聲速空天飛機，并有公開論文稱發動機將于年內開始試車。英國則在研發“云霄塔”空天飛機以及衍生型A2高超聲速客機。日本也在與歐洲合作設計高超聲速客機并計劃在此基礎上研發空天飛機。

3 高超聲速與空天飛行器的應用及技術難點

3.1 高超聲速與空天飛行器的應用價值與前景

高超聲速飛行器最大的價值在其高速。Ma5以上的飛行速度是普通噴氣式民航客機的6倍，大多數戰斗機的兩倍，可在2h內橫跨大西洋從紐約飛到巴黎。能夠加速到軌道速度的空天飛行器，則能夠在90min內到達全球任何地點。

空天飛行器的運載能力也大于傳統航天器。“云霄塔”最大起飛重量275t，近地軌道運載能力12t，比相同起飛重量運載火箭大一倍，可在普通機場起降，準備時間較短，可做到快速高效向軌道大量運輸物資。在軍事方面，除可快速部署衛星，空天飛機若大量裝載武器，就能變成在2h內攻擊全球任何目標的超級轟炸機。

超高空高速飛行能力也使這類飛行器具有極高的軍事價值，SR-72偵察機的研制即起源于此。這類偵察機甚至能以比防空導彈更高的速度穿梭敵方領空收集情報并在敵方施加有效攔截之前返航。如將偵察設備換成武器，就能在敵方反應之前實施精確的高超聲速快速打擊并摧毀目標。類似東風-26機動彈頭的助推滑翔高超聲速飛行器，能夠在面對敵方防御的時候做出大幅度機動，極大提高彈道導彈的打擊成功率；在X-51A基礎上發展出的高超聲速巡航導彈也將具備比傳統巡航導彈更強的突防能力，且因飛行速度大幅提高，擊中目標時動能極大，導彈可以不安裝戰斗部，僅依靠動能即可保證擊毀敵方目標，讓彈體做得更小更輕，提高射程和適應性。

民用方面也有明顯價值。除前文提到的超高速民航運輸之外，空天飛機能夠快速高效向軌道運輸大量物資，大幅降低進入太空的成本。為減小空氣阻力達到高速飛行，其往往需要在高度20000～35000m的超高空飛行，因此具備在其他飛行器很少能夠達到的超高空進行長時間飛行的能力，能夠作為超高空科研平臺。

此外，此類飛行器的研發還將帶動一系列熱力學、材料力學、燃燒力學、計算流體力學等方面的進步，這不僅對高超聲速技術本身的發展起到了推動作用，還將帶動其他飛行器乃至其他領域的發展。

3.2 高超聲速與空天飛行器的技術難點

（1）熱防護技術。

在高度20～35km的超高空乃至100km上下的軌道/亞軌道高度，做Ma5-25的高速飛行，飛行環境極其惡劣。較低的空氣密度導致空氣的熱傳導率下降，飛行器機體表面的高熱無法有效散發到空氣中，高速飛行又導致空氣與機體表面高速劇烈摩擦，產生大量熱量。其所面臨的熱環境與傳統航天器迥然不同且更具挑戰性，傳統航天器僅需在經過大氣層最稠密段時短時間承受高熱量，可以采用消耗性的燒蝕材料防熱，而高超聲速飛行器卻需要在長時間高速飛行中承受累加的高熱，必須使用可重復使用、長時間冷卻的防熱措施。目前主要采用較高熔點的碳纖維復合材料、鎢合金等制造機體表面蒙皮以獲得較強的防熱能力，此外還有使用熱輻射率較高的材料將熱量散射出去的方案。但這些被動措施仍無法避免機體被燒毀，需要使用如燃料循環冷卻等主動散熱技術加以配合。此外，還需要開發新的防熱材料。

（2）高超聲速空氣動力學技術。

高超聲速環境下的空氣動力學與正常環境下差異明顯。由于空氣密度變小，分子平均間隔變大，空氣的連續性相比海平面明顯減弱，粒子性變得更加明顯，計算時已不能將空氣看作連續流體處理。同時，高超聲速下空氣受熱影響明顯，計算中必須考慮熱力學因素。由于邊界層受熱膨脹和流動受熱力影響明顯，雷諾數已經不能很好地描述高超聲速下的邊界層和流動現象，需要開發新的計算工具和試驗方法來實現高超聲速下的空氣動力學設計。此外，高超聲速下基本無法像常規情況下那樣由機翼產生升力，需要由乘波體或升力體布局產生壓縮升力或激波升力，這讓整機的空氣動力學設計變得更加復雜；空氣密度低，飛行器的機動也是一個重大難題。

（3）黑障通信技術。

高超聲速和空天飛行器的飛行速度過高，機體表面溫度會將周圍空氣加熱到等離子體狀態，形成等離子體鞘套，導致電磁屏蔽，未達到一定能級的電磁波無法穿透，形成“黑障”。如果使用傳統的通信技術，飛行器將無法實現與外界的通訊和收發信號，偵察、作戰與導航就無從談起。目前美國已在航天飛機上部分解決了黑障通信，其原理是，由于飛行器是高速向前飛行，等離子鞘套會從機頭向機尾包裹，機尾會有部分空隙，從而能夠從中發送信號建立通訊。但這種方法只能實現通訊，無法完成導航等任務，并且對飛行器的姿態限制較高。

目前在研究的黑障通信技術包括采用電磁方法和發展激光通信。電磁方法有很多，如采用人為產生磁場在等離子鞘套上形成開口使無線電波能夠通過，或通過調制波段和增加發射功率使無線電波達到能夠穿透等離子鞘套的能級。激光通信則采用激光的方式突破等離子鞘套，但通訊距離較短。還可通過氣動外形設計主動減少等離子鞘套厚度改善通訊條件的方法。

（4）高超聲速動力技術。

各種吸氣式高超聲速飛行器方案所采用的動力系統設計中的飛行包線使得動力系統的設計難度極大。普通渦輪噴氣發動機由于風扇無法在超聲速下工作，來流必須先減速到亞聲速才能進入發動機。但當飛行速度達到Ma3以上時，來流無法被有效減速到亞聲速，若強行減速，溫度將會急劇上升超過發動機工作極限。先減速再燃燒加速噴出也帶來明顯的能量損失，使火箭發動機需要大量燃料且效率極低，因此目前只有超燃沖壓發動機能夠適應高超聲速飛行，但它需要在Ma3以上才能啟動，工程實際中需要Ma4甚至更高的速度。怎樣實現渦輪噴氣發動機與沖壓發動機的平滑轉換，是難度較高的工程問題。此外，由于超燃沖壓發動機燃燒速度極快且超聲速燃燒，很難維持穩定工作狀態，在各種不利姿態下更難維持穩定燃燒。目前在實際飛行中燃燒時間最長的超燃沖壓發動機是X-51A的SJX61，在Ma5.1的速度下穩定燃燒了210s。

使用組合發動機不僅要解決單個發動機的工作問題，還要解決每個分系統的協調運行和平穩轉換問題，難度更大。

（5）高超聲速結構技術。

由于飛行器在高超聲速下飛行會受到強烈的熱載荷和氣動載荷，克服這些載荷成為高超聲速飛行器結構設計的一個難題。對空天飛行器設計來說，這一難題更加困難，因為為了滿足進入近地軌道所需的巨大速度，空天飛行器必須攜帶大量燃料，而自身重量必須極輕，質量比需達到5以上。此外，結構還需要能夠承受強載荷。為滿足這一要求，需要發展新的結構技術和新型材料。

4 結語

目前各國均在大力推進高超聲速技術的發展。作為前沿技術的高超聲速技術，因其超高速的特性而具備了極大的軍民應用價值。在軍事上，高超聲速技術能夠物化為具備超強高速遠程打擊能力、克制全部現役武器系統的先進武器和能夠“一小時打遍全球”甚至跨越空天作戰的先進作戰平臺，具備強大的戰斗力和威懾力；在民用上，高超聲速技術能夠提供有望改變世界格局的超高速運輸能力，有望提供人類夢寐以求的大規模高效進入太空能力。在未來，高超聲速技術將在軍事、政治和經濟方面發揮不可想象的重大作用，像飛行器的發明一樣改變世界的格局和規則。同時，作為前沿技術的高超聲速技術，也需要大量新技術和新材料的出現，需克服巨大的工程困難和挑戰。

參考文獻

[1] 韋寶禧，凌文輝，冮強，等.TRRE發動機關鍵技術分析及推進性能探索研究[J].推進技術，2017，38（2）：298-305.

[2] 牛文，李文杰.SKYLON飛行器與SABRE發動機研究[J].飛航導彈，2013（3）：70-75.