美國推出高超聲速飛行試驗平臺概念方案及研制計劃

廖孟豪

高超聲速飛行器是支持美國一小時打遍全球戰略構想的武器裝備之一，高超聲速飛行器的研制是美國武器裝備研制的重點，其成功研制的關鍵與否取決于高超聲速飛行試驗平臺。為此，美國正積極地推出高超聲速飛行試驗平臺概念方案及研制計劃。

2018年9月19日，美國平流層發射系統公司在美國佛羅里達州舉行的第22屆美國航空航天學會（ AIAA）國際航天飛機與高超聲速系統及技術會議上公布了兩型高超聲速飛行試驗平臺的概念方案與研制計劃。這兩型平臺均可從公司研制的超大型雙機身載機上發射，無動力自主水平著陸，可重復使用，其中之一是世界上尺寸最大、性能最高的高超聲速飛行試驗平臺。該計劃順應了當前美國高超聲速技術高速發展的強勁需求，一旦實施，將顯著加速美國高超聲速飛機和可重復使用航天運載飛行器的發展。

背景與目的

美國防部正以最高優先級大力發展高超聲速裝備和技術

美國歷來重視高超聲速技術，近年來多次將其列入國防部或軍種戰略文件，作為最重大的數個技術方向進行重點發展。201 8年3月，新任美國防部負責研究與工程的副部長格里芬宣稱，高超聲速將是其任期內要推動的最高優先事務。目前，美國在高超聲速裝備和技術領域的年度國防預算投入已經超過10億美元，并且還在快速大幅增長。系統級重大科研項目包括6個高超聲速導彈型號和演示驗證項目、3個高超聲速飛機技術驗證項目和1個可重復使用航天運載飛行器演示驗證項目，全面覆蓋了導彈、飛機和航天運載器等三大高超聲速技術分支方向。按照當前計劃，2020年要完成導彈原型機研制、飛機發動機地面驗證和可重復使用航天運載飛行器飛行驗證。

美空軍正新建高超聲速飛行試驗能力以加速高超聲速技術發展

飛行試驗是開展高超聲速裝備技術攻關不可或缺的關鍵手段。同時，當前高超聲速基礎理論和地面試驗手段的欠缺，又進一步突顯了對飛行試驗的依賴性和重要性。美國對此有充分認識和深刻體會。早在上世紀六十年代就通過成功實施X-15驗證機項目，獲得了大量高超聲速飛行試驗數據，為當時大批高超聲速風洞校準和后續航天飛機成功研制奠定了堅實基礎。2016年，美空軍發布“高頻次低成本高超聲速飛行試驗平臺”（ HyRA×）項目，旨在通過研制試飛一型可重復使用的高超聲速試飛平臺，用于開展高頻次、低成本、航時較長的高超聲速飛行試驗，以全面提升高超聲速氣動、自主控制、材料、推進、結構和機載系統等技術的技術成熟度。項目計劃制造3架試飛平臺，要求每架壽命達到200 - 400架次，計劃2020年前實現平臺首飛，用于支撐2025年前完成各類飛行試驗。

美企飛行試驗平臺旨在滿足公司自身發展和外部市場兩大需求

美國平流層發射系統公司此次提出高超聲速飛行試驗平臺計劃當然是看到了美軍對這類平臺的急迫急需。公司在文件中明確指出，將與工業部門合作開發可用于美國政府各類高超聲速科研項目的飛行試驗平臺，具體包括氣動力/熱、高溫材料、飛行控制、設計工具驗證，以及吸氣式高超聲速推進技術（進氣道/流道、超聲速燃燒、后機身/尾噴管、組合發動機、等離子控制等）和火箭發動機技術（液體火箭發動機、低溫油箱、低溫推進劑管理等）。除此之外，更為重要的是，美國平流層發射系統公司首要定位是航天運載供應商，正在研制系列航天發射運載器，包括多型小至中等載荷的空射運載火箭以及一型完全可重復使用的航天飛機。而此次新公布的兩型飛行試驗平臺可作為一個重要的墊腳石，為這些運載器提供寶貴的技術儲備和運行經驗，降低其研制風險。方案與計劃

美國平流層發射系統公司公布

的兩型高超聲速飛行試驗平臺是縮比關系，其中小型平臺命名為“高超-A”（ Hyper-A），大型平臺為“高超-Z”（ Hyper-Z），二者外形、動力等均相似，分別定位于Ma6級和Mal0級飛行試驗平臺。相比而言，“高超-Z”大型平臺是公司的發展重心。

概念方案設計

“高超-A/Z”平臺采用無人駕駛設計，采用大后掠三角翼加翼尖垂尾布局;動力采用公司自研、推力可調的液氫液氧火箭發動機，低溫油箱采用商用貨架產品;機身上表面綜合應用了西亞斯一哈克（ Sears-Haack）面積分布和超聲速面積律等特征;機身下表面則非常平坦，主要用于安裝推進系統或流道結構等載荷進行相關試驗，也可安裝翼狀結構進行邊界層轉捩或其他高超聲速試驗;同時機身內部也有空間用于安裝試驗所需的相關設備和儀器等。

運行概念構想

“高超-A/Z”平臺搭載“平流層發射”載機從跑道上起飛爬升至高度10km、Ma0.6左右后，與載機分離，火箭發動機點火加速，按照既定計劃自主飛行，最后采用無動力滑翔方式在常規跑道上水平著陸?！案叱?A/Z”平臺是可重復使用平臺，每次飛行后僅需要開展最小程度的維護工作，包括補充推進劑、輕微修護熱防護系統以及常規檢查和維護。

“高超-A/Z”平臺能以水平加速模式和助推滑翔模式等兩種典型方式進行飛行，以滿足不同的飛行試驗要求。水平加速模式可在稠密大氣層內達到最大馬赫數、最高溫度等條件，助推滑翔模式則可爬升進入外太空/亞軌道、達到最大高度并獲得滑翔再人大氣層的飛行條件。研制進展與計劃

目前，平流層發射系統公司科研團隊的工作主要聚焦于“高超-A/Z”的計算流體力學分析，以及它們與載機的掛載方案。公司已經在美國海軍學院馬里蘭州的4ft×4ft約1.22m×1.22m）亞聲速風洞中完成了3.5ft（約1.1m）縮比模型的風洞試驗，為近進著陸設計提供了初始數據，計劃201 8年秋季在美國航空航天局（ NASA）馬歇爾航天飛行中心的跨聲速風洞中開展部分高速和高超聲速風洞試驗。如果進展順利，“高超-A”平臺將最早在2020年進行首飛，“高超-Z”則最快可2025年實現首飛。其中“高超-A”的一個重要作用是為“高超-Z”降低技術風險。

此外，“平流層發射”載機目前正在加州莫哈維基地進行飛行前測試，2018年2月已完成了高速滑跑試驗，計劃2019年首飛。

前景分析

總體方案技術可行性高，但在技術集成上仍需開展大量工作

“高超-A/Z”平臺要求飛行空域大、飛行速域寬、可重復使用，涉及大空域寬速域氣動布局和飛行控制技術、變推力可重復使用液體火箭發動機技術、大熱流高溫熱防護技術等關鍵技術，但這些技術美國依托X-15、航天飛機、X-37B等項目均有雄厚的積累，況且“高超-A/Z”平臺沒有載荷、航程或航時等要求，設計空間更大，技術可行性更高。但由于“高超-A/Z”畢竟達到了高超聲速范圍，氣動、控制、結構、材料、動力等技術高度耦合，即使每項技術都成熟，光是技術集成就需要開展大量的設計和試驗工作，因此研制“高超-A/Z”的工程難度并不小。

設計理念上更重視性能而不是成本，不全是市場化的考慮

從目前公布的方案來看，突出的性能是兩型平臺，特別是“高超-Z”平臺的最大亮點。最大起飛總量近30t，最大速度超過Mal0，最大高度達150km，這些性能指標是空前的，堪稱全球最大的高超聲速飛行試驗平臺，但這同時也帶來了成本高的問題。該平臺估計光研制費就需要數億至數十億美元，再加上運行費用，綜合下來每次飛行試驗的成本不會低。當然，總重僅2.7t的“高超-A”更具成本優勢，但它卻采用載重高達250t的載機來發射，同樣會面臨極大資源浪費的問題，進而造成成本虛高。事實上公司在文件中也只字未提成本的問題。然而，美空軍最重視高超聲速飛行試驗的成本問題，新啟動的HyRAX項目明確要求高超聲速飛行試驗平臺必須能夠低成本、高頻次地使用，并要求可重復使用200 - 400架次。目前參與競標的美國時代軌道公司G01飛行試驗平臺也采用空射方案，總重僅1.2t，載機為非常成熟的NASA C-20飛機（總重僅32t）。因此分析認為，“高超-A/Z”平臺更側重于開展數量較少、但要求較高的某些大型部件的飛行試驗，而不全是為了爭奪高超聲速飛行試驗的主體市場。同時，這也印證了“高超-A/Z”平臺不單是飛行試驗平臺，也是公司后續產品墊腳石的定位。

主要服務于高超聲速飛機和可重復使用航天運載飛行器技術

美國平流層發射系統公司將“高超-Z”作為主打平臺，而“高超-A”更多是為“高超-Z”打基礎，因此公司可能更多瞄準的是支撐大型高超聲速飛行器的技術攻關，包括高超聲速飛機和可重復使用航天運載飛行器。目前美國在高超聲速導彈方向已經臨近全面突破關鍵技術，2021年便可形成早期作戰能力;而尺寸更大、技術體系更復雜的高超聲速飛機和可重復使用航天運載飛行器則仍處于技術儲備階段，需要大量開展關鍵技術攻關來推動相關技術成熟，例如大尺寸進氣道模態轉換、中等尺寸/大尺寸雙模態沖壓發動機、進發排一體化等需要開展較大尺寸部件飛行試驗的技術。

因此綜合來看，美國平流層發射系統公司“高超-A/Z”高超聲速飛行試驗平臺技術上完全可行，但工程量較大;定位首先是為公司后續產品降風險、打基礎，其次才是滿足美軍等外部對高超聲速飛行試驗平臺的需求，并且更側重于滿足數量較少、但要求較高的大型部件飛行試驗的特種需求。