美國新型高超聲速飛行試驗平臺發展研究

許藝強 韓洪濤 王林 （北京航天長征科技信息研究所）

近年來，美國國防部（DoD）多措并舉，一方面持續開展基于探空火箭的低成本試驗平臺開發，另一方面依托商業力量開展新型高超聲速飛行試驗平臺開發，希望以此緩解高超聲速飛行試驗基礎設施不足的問題。2023 年，美國國防部利用火箭實驗室公司（Rocket Lab）的“用作高超聲速加速器的亞軌道試驗電子”（HASTE）火箭同步推動“高超聲速與高節奏機載試驗能力”（HyCAT）和“多軍種先進高超聲速試驗臺”（MACH-TB）項目進展，企業自研的利爪-A（Talon-A）高超聲速飛行試驗平臺與載機分離試驗也成功進行，將在不久的將來為美國國防部試驗部門提供支撐。美高超聲速飛行試驗平臺呈現蓬勃發展態勢，將進一步加速美軍高超聲速武器裝備的研制。

Talon-A/Z 平臺的總體參數

1 高超聲速飛行試驗平臺發展需求

2016 年以來，俄羅斯分別列裝部署“先鋒”（Avangard）、“鋯石”（Zircon）、“匕首”（Kinzhal）高超聲速導彈，并實現首次實戰運用。在潛在競爭對手高超聲速武器取得重大突破的態勢下，美軍更加迫切追求高超聲速武器的實戰化部署。因此美軍提出需要在短時間內安排大量低成本、高頻次的飛行試驗，以快速提升高超聲速武器的技術成熟度，從而縮短武器系統的研發周期。美國防部曾表示，2020-2024 年將進行40 ～50 次高超聲速飛行試驗，以加速推動高超聲速技術的發展與作戰能力的生成。[1]

在并行發展數量眾多的高超聲速項目背景下，劇增的飛行試驗需求與短缺的高超聲速飛行試驗能力間的矛盾日益突出。受到飛行靶場數量有限、飛行試驗平臺能力不足、飛行試驗支持缺乏等因素的影響，美國國防部的大型高超聲速武器項目每年只能進行少數幾次試驗，低于預期，嚴重阻礙了高超聲速技術武器化進程。[2]為此美國開展了多項中小型、低成本/可重復使用高超聲速試驗平臺研制。這些飛行試驗平臺可從是否重復使用劃分為兩類：一次性使用試驗平臺與重復使用試驗平臺。

2 一次性使用高超聲速飛行試驗平臺

一次性使用高超聲速飛行試驗平臺技術相對簡單，多利用成熟廉價的一次性助推火箭發射，創造持續時間較短的高超聲速試驗環境，搭載試驗載荷，用于高超聲速技術的演示驗證。當前，一次性使用平臺是美軍運用最廣泛的高超聲速試驗平臺。

“高超聲速快節奏飛行試驗活動”項目

（1）項目背景

“高超聲速快節奏飛行試驗活動”（HOTHFC）由美國防部資助，是美國海軍水面作戰中心、海軍常規快速打擊（CPS）項目、陸軍高超聲速項目辦公室和導彈防御局的聯合飛行試驗項目，由海軍CPS項目領導，桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）主要負責實施。[3]

（2）項目方案

“高超聲速快節奏飛行試驗活動”項目的飛行試驗圍繞“精確探空火箭”的應用展開，利用該火箭現代化、高性能的航空電子系統，來提供先進的飛行剖面圖和數據傳輸。主要目的是以較低的成本模擬高超聲速飛行環境，對高超聲速飛行器部件和材料等新技術進行真實的飛行試驗。此項計劃的高超聲速飛行試驗成本遠低于傳統高超聲速飛行試驗成本。該項目所用探空火箭來源于桑迪亞國家實驗室在2018 年開發的“快節奏探空火箭”（HOT）項目。

（3）項目進展

據桑迪亞國家實驗室官網消息，“高超聲速快節奏飛行試驗活動”目前共進行了兩次飛行試驗，分別于2021 年10 月20 日和2022 年10 月26 日在弗吉尼亞州的沃洛普斯航天發射設施試驗成功。在第一次飛行試驗中，桑迪亞國家實驗室向太平洋上空發射了三枚探空火箭。在該試驗中，探空火箭飛行了418km，到達太空邊緣并重返大氣層，在很短的時間內實現了高超聲速飛行，共進行了23 項試驗。在第二次飛行試驗中，對數種新的有效載荷進行了低成本高超聲速試驗。共搭載了11 種不同的試驗設備，旨在試驗和收集高超聲速武器的研究數據。據美《航空周刊》2022 年10 月26 日報道稱，“所有試驗獲得成功”，相關試驗項目包括高超聲速武器的通信和導航設備以及高溫隔熱材料，但并未透露更多具體試驗細節。

X-60A 項目

X-60A 想象圖

（1）項目背景

X-60A（舊稱為GOLauncher1）平臺于2019年4 月25 日首次亮相，是由時代軌道發射服務公司（Generation Orbit）為美國空軍研究實驗室（AFRL）開發的一款小型高超聲速飛行試驗平臺，旨在進行未來高超聲速飛行系統的研究和開發。該項目將成為美國空軍、政府機構和研究團體試驗新技術的理想平臺，屬于美國“小企業創新研究”（SBIR）計劃的一部分，也是空軍第一個獲得實驗性“X”稱號的SBIR 計劃。[4]

（2）項目方案

X-60A 裝有一個小的三角翼，具有適應性較強的前部和飛行輪廓，可以滿足高超聲速技術不斷變化的需求。X-60A 集成機載飛行遙測系統收集研究數據，支持多種飛行模式，在搭載試驗載荷的時候可以達到馬赫數5 ～8 的飛行速度。對于高空微重力飛行試驗，最大有效載荷為91kg；對于高超聲速飛行試驗，最大載荷為318kg。X-60A 的設計目標是從改進型公務運輸機（如：灣流Ⅲ型公務機的軍用改進型NASAC-20A）上發射，采用“哈德利”（Hadley）液體火箭發動機作為動力系統，屬于一次性試驗平臺。

（3）項目進展

2017 年12 月，Generation Orbit 公司進行了3次具有實際飛行器尺寸惰性模型的地面試驗；X-60A飛行器的全尺寸作戰原型的熱試驗于2018 年6 月完成，該試驗驗證了推進器和推進劑進料系統以及增壓系統和飛行控制裝置的結合，試驗過程中還展示了飛行器的節流能力；2019 年3 月完成關鍵設計審查（CDR），標志著制造階段的開始；集成推進系統驗證地面試驗已于2020 年1 月完成；后續將逐步開展高超聲速飛行器的飛行試驗。

再入太空艙高超聲速試驗平臺

（1）項目背景及方案

瓦爾達太空公司（Varda Space）正在尋求風險投資，計劃將質量為120kg 的“工廠”衛星送入軌道，使用其在零重力條件下制造藥品和光纖等產品，然后利用太空艙將它們帶回地球。由于太空艙在再入過程中的飛行速度高達馬赫數25，因此空軍計劃將其作為未來高超聲速導彈和高超聲速飛機組件的試驗平臺，在高超聲速環境下對部分組件和材料的性能進行試驗。[5]

太空艙再入示意圖

（2）項目進展

目前該公司已與美國空軍簽署了6000 萬美元的“戰略融資”（STRATFI）協議。瓦爾達公司與美空軍簽署的STRATFI 協議將評估該公司再入太空艙的使用情況。瓦爾達公司總裁阿斯帕羅夫（Asparouhov）表示：第一次演示任務將通過太空探索技術公司（SpaceX）的運輸者-8（Transporter-8）拼車任務發射，計劃展示“熔化-冷卻藥物生產能力”。他還表示：美空軍不會在瓦爾達公司的第一次演示任務中試驗有效載荷。第一次演示任務的飛行數據將與美空軍共享，同時預計在2024 年試飛美空軍的第一個有效載荷。

3 重復使用高超聲速飛行試驗平臺

重復使用高超聲速飛行試驗平臺研制難度大，但卻是飛行試驗平臺最理想的形式。重復使用試驗平臺可以多次重復使用創造高超聲速環境，顯著降低試驗成本，縮短試驗間隔，提高試驗頻次。目前美軍與商業公司合作，共同發力研發的試驗平臺多屬于此類型。

高超－A/Z 高超聲速飛行試驗平臺

（1）項目背景

2018 年9 月， 美國平流層發射系統公司（Stratolaunch Systems）在第22 屆美國航空航天學會（AIAA）國際航天飛機與高速系統及技術會議上，公布了兩型高速飛行試驗平臺的概念方案與研制計劃。這兩型平臺均可從該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。美國平流層發射系統公司公布的兩型高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，分別定位于馬赫數6 級和馬赫數10 級飛行試驗平臺。[6]

高超-A/Z 高超聲速飛行試驗平臺構想圖

（2）項目方案

2020 年3 月，美國平流層發射系統公司將Hyper-A、Hyper-Z 改為Talon-A、Talon-Z。Talon-A 與Hyper-A 的總體參數基本一致，長8.5m，翼展3.4m，發射質量約2720kg。Talon-A計劃使用六引擎雙機身巨型飛機“大鵬”（Roc）搭載發射，在Roc 將Talon-A 運送至10.7km 高度后兩者分離，Talon-A 發動機點火，加速至馬赫數5 ～7 的速度，進行持續時間超過1min 的高超聲速飛行試驗。試驗結束后Talon-A 飛行器無動力滑翔返回，在常規機場水平著陸，Talon-A 也可依靠自身動力自行水平起飛。與Hyper-Z 一樣，Talon-Z將是Talon-A 的放大版，續航時間更長，預計在Talon-A 投入使用后5 年內進行首次測試。

（3）項目進展

2021 年10 月， 平流層發射系統公司完成Talon-A 關鍵設計審查，在2022 年10 月完成了無動力原型機的首次掛飛試驗，并在2023 年1 月13 日成功完成了第二次Talon-A無動力原型機的掛飛試驗。

據美國航空周刊2023 年5 月13 日報道，Talon-A 成功完成了TA-0 原型機與Roc 載機的分離試驗，為TA-1 有動力飛行器的首次高超聲速飛行試驗奠定基礎。

“高超聲速與高節奏機載試驗能力”項目

（1）項目背景

2022 年9 月1 日，美國國防創新小組（DIU）發布HyCAT 項目通知，謀求依托商用高超聲速飛行器技術，開發一型新的高超聲速飛行試驗平臺，緩解美國防部高超聲速試驗基礎設施壓力。該項目計劃在未來兩年內試飛。[7]

（2）項目方案

根據DIU 對HyCAT 項目的描述，HyCAT 將是一型高超聲速飛行試驗平臺。DIU 要求，HyCAT平臺須具備以下部分或全部功能：①能夠對高超聲速系統及其組件（包括推進系統、熱防護系統和材料）進行響應性和長壽命試驗；②檢測和跟蹤傳感器；③通信系統和組件；④環境傳感器；⑤制導、導航和控制系統及部件；⑥其他高超聲速飛行器部件；⑦操作環境中集成的、具有代表性的高超聲速試驗飛行器。

HyCAT 項目競爭性提案需滿足或超過以下標準：①飛行速度馬赫數5 以上，具有機動和非彈道飛行剖面；②能夠近實時收集飛行器和子系統在飛行中的性能參數，以滿足設計、研究、測試與評估需求；③具備安全、高速、多通道、加密的試驗數據下載鏈路以及相應的地面/空中/太空通信基礎設施，同時提升飛行器數據存儲能力；④至少能夠容納兩個有效載荷、至少具備飛行器外表面及內部有效載荷艙兩種放置選項；⑤在合同授予約12 ～24 個月內向國防部展示平臺能力。

除上述標準外，國防部還對以下內容感興趣：①在具有接近恒定飛行條件的相關高超聲速試驗環境中最少飛行3min，動壓至少為143kPa；②能夠根據現有的飛行試驗安全法規獲得在美國或盟軍飛行試驗靶場運行的認可；③試驗位置可遠程部署；④在60天內可完成第2 次后續試驗；⑤可恢復和可重復使用；⑥總試驗有效載荷能力至少為9kg。

（3）項目進展

2023 年3 月，美國DIU 選擇澳大利亞高超聲速公司（Hypersonix）為HyCAT 項目開發載機平臺。此外，DIU 還支持菲尼克斯空間公司（Phoenix Space）研制可重復使用拖曳發射系統，以提升HyCAT 項目的飛行試驗效率和經濟可承受性。2023年4 月，美國火箭實驗室公司推出的HASTE 新型運載火箭被美國DIU 選中,用于HyCAT 項目的高超聲速飛行試驗平臺。HASTE 將與Hypersonix 公司開發的超燃沖壓發動機驅動的飛行器集成開展飛行試驗。

MACH－TB 項目

（1）項目背景

MACH-TB 項目由位于印第安納州布盧明頓的國防部測試資源管理中心和海軍水面戰中心克蘭分部牽頭，目標是為國防機構和大學在演示和驗證高超聲速飛行器、材料和相關技術時，提供新的選擇。美國海軍高超聲速和先進能力開發測試負責人斯科特·威爾遜表示，MACH-TB 的目標是幫助國防部將飛行試驗頻率增加到每周1 次，該目標由國防部高超聲速首席主任邁克·懷特設定。[8]

（2）項目方案

MACH-TB 將通過強健、敏捷和模塊化試驗技術來支持高超聲速計劃，驗證一種經濟可承受的試驗臺原型設計。該試驗臺將利用多個商用火箭來運載高超聲速有效載荷，其獲取的數據將為美國國防部開展相關技術改進和能力驗證提供支持，以加速高超聲速武器系統發展。此外，MACH-TB 將提供一個模塊化的實驗滑翔體（EGB），以增強在相關高超聲速環境中的試驗能力，為武器系統采購決策提供信息支持。

該高超聲速飛行試驗臺將綜合多種高超聲速試驗能力，可用于美國海軍CPS 項目和陸軍“遠程高超聲速武器”（LRHW）項目，也可為美國導彈防御局（MDA）、空軍高超聲速計劃、國防部研究計劃、小型企業、工業界和學術界相關研究提供支持。

2022 年9 月，美國海軍選擇了總部位于阿拉巴馬州亨茨維爾的動力系統公司（Dynetics）作為主要集成商，同時還確定了首批約16 家公司、實驗室、小型企業和大學，與Dynetics 公司合作開展工作。早期合作伙伴包括桑迪亞國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室等研究中心，以及奎托斯（Kratos）、佩拉頓（Peraton）、旋轉發射（SpinLaunch）和平流層發射（Stratolaunch）等一系列公司。隨時間推移，合作機構名單還會增加。其合作的發射系統供應商包括：SpinLaunch 公司承擔研制利用離心力在亞軌道或軌道飛行中發射有效載荷；Kratos 安全防務公司開發低成本助推火箭；X-Bow 系統公司（X-Bow Systems）正在制造一系列新的固體火箭發動機。

（3）項目進展

Dynetics 公司、桑迪亞國家實驗室和橡樹嶺國家實驗室等研究單位的合同總額為1650 萬美元，用以支持該計劃的第一階段，時間持續約9 個月。這一早期階段的工作重點是開發一個試驗“矩陣”，將整個國防部的高超聲速試驗需求匯集在一起。第一階段收集的信息將用于規劃MACH-TB 的試驗行動并確定其優先級，還將幫助更好地了解項目的潛在成本。威爾遜表示，在確定試驗要求之前，很難確定成本。

2023 年6 月17 日，MACH-TB 項目在美國國家航空航天局（NASA）位于弗吉尼亞州的沃洛普斯飛行設施成功開展首次飛行試驗，試驗的高超聲速載荷由美國火箭實驗室公司開發的HASTE 新型火箭發射。

4 發展趨勢

2022 年6 月，美國國會《2023 財年國防授權法案》要求國防部開展高超聲速試驗基礎設施評估，提升高超聲速試驗基礎設施能力，高超聲速飛行試驗能力是其中重要一環。發展高超聲速飛行試驗新型平臺，除加快高超聲速技術武器化進程外，對于重復使用高超聲速技術的積累也具有重要意義。

（1）新型一次性使用試驗平臺的應用將解決美軍燃眉之急

近年來，美軍在高超聲速領域迫切尋求突破，但卻被試驗能力不足而掣肘，新型一次性試驗平臺的投入使用將改變這一局面。美國海軍主導的“高超聲速快節奏飛行試驗活動”項目已正式運行，盡管該項目所使用低成本探空火箭實現的高超聲速飛行環境持續時間較短，但仍可作為一種過渡性的試驗方式解決一些急需的、部件級技術的飛行試驗要求，以支撐美海軍、陸軍通用高超聲速滑翔體導彈的如期部署。

（2）重復使用試驗平臺將成為美軍未來高超聲速飛行試驗的主要手段

重復使用飛行試驗平臺研制難度較大，但若是投入使用，可以更低成本滿足大量高頻次的高超聲速飛行試驗需求，是飛行試驗平臺的理想形態。同時，受高超聲速飛機等裝備的發展牽引，也會進一步促進重復使用飛行試驗平臺的發展。因此，盡管重復使用飛行試驗平臺在短期內難以部署運行，但仍是美軍研發的重點方向，未來投入使用后將成為美軍高超聲速飛行試驗的主要手段。

（3）美軍充分借助商業力量加速高超聲速試驗平臺開發

近幾年美軍牽頭發展的幾項高超聲速飛行試驗平臺均由商業公司承擔研發工作，部分公司在“小企業創新研究”的支持下開展工作。這表明，美軍希望通過鼓勵商業公司發揮其創新能力，幫助國防部解決高超聲速飛行試驗需求，在短時間內以少量資金高效完成方案論證和平臺開發。同時，美軍為加速高超聲速武器研制，并盡快形成大規模高超聲速供應鏈，正在積極聯絡商業力量，促使其廣泛加入高超聲速飛行試驗活動，期望與其他國防承包商一同形成完備供應鏈，支撐美國整個高超聲速武器的研制、試驗、生產、應用等任務。

5 分析

（1）美軍采取分步走的發展路線，逐步提升高超聲速飛行試驗能力

首先是為了滿足急需飛行試驗需求，先行將技術難度較小的一次性低成本試驗平臺投入使用，以支撐高超聲速武器的快速部署。第二步是著眼于未來高超聲速試驗能力的提升，在技術難度較大的重復使用試驗平臺的發展上持續發力，開展HyCAT 等一系列重復使用試驗平臺的研發。為滿足高超聲速技術試驗需求，美軍在技術難度層面實行先易后難的分步走發展路線，逐步提升高超聲速飛行試驗能力。

（2）多種類型試驗平臺同步發展，構建高低搭配的高超聲速試驗體系

一次性使用試驗平臺技術成熟、試驗成本低；重復使用試驗平臺技術先進、試驗頻次高。這兩種試驗平臺可在高超聲速技術的試驗體系中形成互補，是未來美軍高超聲速試驗體系中的重要組成部分。美軍將通過多種類型試驗平臺的同步發展與綜合運用，探索高超聲速飛行試驗的更優模式，搭建高低搭配的高超聲速飛行試驗體系，以追求高超聲速能力的快速提升。