2023年高超聲速技術進展

■ 李茜 / 中國航發四川燃氣渦輪研究院

鑒于高超聲速技術在未來大國對抗中作為有力籌碼的重要地位，其依舊是2023年各國在裝備科技領域博弈的焦點之一。

各國在2023年持續推進高超聲速技術的研究。從發展應用方向來看：高超聲速導彈仍是各國發展重點，競爭范疇擴大至技術攻關、裝備研制和實戰部署等多個層面；而可重復使用高超聲速飛機進展披露則相對較少，且主要處于以動力為核心的關鍵技術攻關階段。

美國加速高超聲速技術應用步伐

美國在高超聲速武器推進方面未達預期，且至今未形成任何產品，由于高超聲速助推滑翔導彈的試飛屢次不順，美國空軍后續或將側重高超聲速巡航導彈；可重復使用高超聲速飛機方面，赫爾墨斯（Hermeus）公司根據規劃節點穩步推進“夸特馬”（Quarterhorse）高超聲速無人機及其動力的研究，計劃在2024年開展首飛；高超聲速動力方面，GE公司成功開展了世界上首次旋轉爆震渦輪/雙模態沖壓組合發動機驗證，在超聲速氣流下完成了旋轉爆震燃燒試驗。

高超聲速導彈

洛馬公司選擇洛克達因公司開發高超聲速反艦導彈發動機 2023年3月，美國海軍航空系統司令部（NAVAIR）向雷神導彈與防御公司和洛克希德-馬丁（洛馬）公司授出了價值1.16億美元的合同，用于初步開發一種高速反艦導彈。2023年10月，洛馬公司宣布，在美國海軍高超聲速空射進攻性反水面作戰武器（HALO）計劃下選擇洛克達因公司為其高超聲速反艦導彈開發動力系統。

高超聲速導彈概念

ARRW項目的飛行測試表現不盡人意 作為美國空軍重點研究的高超聲速助推滑翔項目，空射快速反應武器（ARRW）原計劃在2023年形成初始作戰能力并實現早期部署，但該項目的未來前景不明。除在2022年12月成功完成一次測試外，2023年3月和8月的兩次飛行測試均失敗。美國空軍官員表示不打算繼續采購該彈，但仍會繼續完成剩下的飛行試驗，為未來高超聲速項目提供數據。

DARPA開啟高超聲速巡航導彈研究項目后續研究計劃 2023年7月，美國國防預先研究計劃局（DARPA）授予美國雷神技術公司一份總額8100萬美元的合同，用于開展高超聲速吸氣式武器概念帶來的更多機遇（MoHAWC）計劃研發工作，預計2026年1月前完成。在MoHAWC項目中，雷神/諾斯羅普-格魯門（諾格）團隊將充分利用此前在高超聲速空射武器概念（HAWC）項目中積累的數據與經驗，重點圍繞原型制造改進開展導彈設計與飛行試驗，擴大超燃沖壓發動機工作范圍，驗證系統性能模型，使武器系統設計繼續成熟。

諾格公司啟用新的高超聲速推進系統工廠 2023年8月，諾格公司宣布在馬里蘭州啟用高超聲速推進系統工廠——高超聲速能力中心（HCC），將主要用于為空軍高超聲速攻擊巡航導彈（HACM）生產超燃沖壓發動機，以及未來高超聲速系統適配的沖壓發動機、戰斗部及其他組件。該工廠于2021年動工，目前雇員50人，采用數字工程技術和數字化生產方式，在設計上可根據HACM及其他高超聲速項目的需要迅速擴展和重構布局，從而提升產能，滿足諾格公司“規模化”生產高超聲速系統的愿景。

空軍為HAWC項目增投大額資金 2023年12月，美國空軍生命周期管理中心HAWC項目辦公室授予雷神技術公司一份價值4億美元的合同，資助其高超聲速巡航導彈相關研發工作。HAWC項目中高超聲速巡航導彈最大射程預計為1600km，以諾格公司的超燃沖壓發動機為動力裝置。美國空軍希望該型導彈在2027年形成作戰能力。

Gambit項目將動力合同授予雷神技術公司 2023年10月，雷神技術公司獲得DARPA授予的合同，開發Gambit遠程打擊導彈。該導彈采用新型吸氣式旋轉爆震發動機，較傳統動力更為緊湊和高效，并具備降低成本的潛力。通過該合同，雷神技術公司成為美國第一家將旋轉爆震發動機技術應用于實際測試系統的公司。

高超聲速飛機

赫爾墨斯公司順利推進“夸特馬” 及動力裝置的研制 2023年，赫爾墨斯公司持續開發4架“夸特馬”高超聲速驗證飛行器，以降低研制風險，加速技術迭代，實現產品快速開發。11月，赫爾墨斯公司獲得國防創新單元（DIU）授予的一份合同，旨在利用“夸特馬”作為驗證平臺，進一步成熟與高超聲速飛機子系統和任務系統相關的技術。除了推進試驗平臺的研究，赫爾墨斯公司還重點發展推進系統。繼在2022年12月宣布選定了普惠公司的F100-229渦扇發動機作為 “奇美拉”II渦輪基組合循環（TBCC）發動機的渦輪部分,赫爾墨斯公司2023年3月確定了F100發動機的基準性能，對“奇美拉”II發動機的進氣道、涵道系統、預冷器、沖壓燃燒室和排氣噴管等部件進行了改造。6月，赫爾墨斯公司接收了首臺F100發動機，F100能夠將飛機從靜止狀態加速到馬赫數（Ma）2.8，然后 “奇美拉”II過渡到沖壓模態，進而將飛機加速到Ma5的目標速度。赫爾墨斯公司計劃在2024年進行“奇美拉”II發動機測試。

金星航空航天公司獲空客風投等公司投資 2023年6月，美國初創公司金星航空航天公司獲空客風投等公司數千萬美元的融資。該公司對外宣布正在利用旋轉爆震發動機技術，將該公司的“觀星者”高超聲速客機從科幻概念轉變為Ma9的公務機。“觀星者”機長45.72m、翼展30.48m，可搭載十幾名乘客以Ma9的速度飛行。

密歇根大學加入Mayhem 項目美國空軍研究實驗室（AFRL）的消耗性高超聲速吸氣式演示器（Mayhem）項目旨在設計研制一型大尺寸吸氣式高超聲速系統，由超燃沖壓發動機推進，飛行馬赫數超過5，將在射程、有效載荷能力等方面超越現有吸氣式高超聲速系統。繼AFRL在2022年年底將項目合同授予美國雷多斯公司后，2023年3月，雷多斯公司將密歇根大學納入其Mayhem項目合作伙伴行列。密歇根大學將在項目中采用基于模型的系統工程（MBSE），開發虛擬生態系統，并將其過渡到雷多斯公司開發的數字環境中，以提高開發效率、降低成本。

“夸特馬” MK 0原型機

GE公司成功開展首次旋轉爆震渦輪/雙模態沖壓組合循環發動機演示驗證 2023年6月，GE公司公布其正在進行TBCC發動機演示樣機的開發工作，該項目由DARPA資助，目的是為可重復使用的高超聲速飛行器提供動力，先期專注在高超聲速下開展旋轉爆震渦輪發動機（RDE）到沖壓發動機的模態轉換。11月，GE公司成功開展了世界上首次旋轉爆震渦輪/雙模沖壓組合循環發動機演示驗證，在超聲速氣流下完成了旋轉爆震燃燒試驗，為未來高速、遠程飛行提供高效率解決方法。

斯佩克特航空航天公司聚焦等離子體點火助燃技術 2023年6月，美國斯佩克特航空航天公司公布了等離子體點火助燃技術的研究進展，計劃將等離子體點火助燃應用于雙模沖壓發動機，并在2年內進行高超聲速演示器飛行驗證。

試驗能力

普渡大學啟用新的高超聲速試驗設施 2023年6月，普渡大學應用研究所啟用了一個新的高超聲速飛行技術設施，以支持五角大樓的高速飛行器研究和測試工作。該高超聲速應用研究設施擁有一個Ma8的靜音風洞，旨在模擬高超聲速飛行，并提供精確的系統性能數據。同時它也是高超聲速脈沖激波隧道的所在地，該隧道可以使用高溫空氣的沖擊波來模擬Ma5 ～40的各種飛行場景。

DARPA希望工業界開發可在極端溫度下工作的高超聲速傳感器2023年5月，DARPA就高工作溫度傳感器（HOTS）計劃發布了一份廣泛機構公告，希望工業界開發一種集成了傳感器和信號調節微電子技術的壓力傳感器模塊，這些傳感器可在至少800℃的極端溫度下工作，用于未來的高超聲速飛行器和噴氣發動機等的健康狀況精確監測。HOTS計劃試圖克服3個關鍵技術挑戰：耐高溫、長壽命、大帶寬晶體管；耐高溫、高靈敏度傳感器；在不降低性能的情況下集成耐高溫傳感器。

AFRL在AEDC開展高超聲速飛行器結構試驗 2023年8月，AFRL利用阿諾德工程發展中心（AEDC）的馮卡門高超聲速風洞（VKF），研究機身結構長時間在接近高超聲速的氣流中的空氣動力學特性。高超聲速飛行會產生大量的熱，機身變形，會進一步改變飛行器周圍的氣流，從而改變熱量積聚的位置。了解這些影響既可以用于改進設計，也可以提高設計的效率。

同溫層發射公司成功完成Talon-A分離試驗 2023年5月，同溫層發射（Stratolaunch）公司的空中發射平臺“大鵬”（Roc）成功完成Talon-A高超聲速飛行器分離試驗。這次飛行總共持續了4h8min，試驗證明Talon-A飛行器能夠迅速、安全地與Roc的中翼掛架分離，數據收集系統按預期運行。該試驗還確認了飛行器與范登堡基地間的遙測通信，在未來高超聲速飛行試驗中可進行備份遙測數據收集。11月，同溫層發射公司開展了Talon-A高超聲速飛行器首次滑行試驗，為即將開展的系留飛行試驗做好準備，此次試驗為Talon-A飛行器第一次高超聲速飛行奠定了基礎。

Talon-A高超聲速飛行器分離試驗

美國國防創新部門提出高超聲速試驗平臺試飛計劃 2023年6月，美國國防創新部門宣布，預計最早將于2024年夏天試飛試驗性高超聲速巡航飛行器。此次試驗將是該飛行器首次全自主飛行，也是國防部加快飛行試驗節奏的舉措之一。目前國防創新部門正在完善任務細節，包括飛行器外觀、飛行條件、發射供應商和地點。

材料工藝

美國國防部輕量化制造創新機構啟動高超聲速材料開發項目第二階段工作 2023年6月，美國國防部輕量化制造創新機構宣布啟動第二階段的高超聲速“材料加速”和“熱管理”項目。“材料加速”項目第一階段側重開發用于高溫和高超聲速組件的金屬、陶瓷材料及制造工藝，包括集成計算材料工程（ICME）數字孿生、材料性能評估等；第二階段將進一步開發并擴大高超聲速材料的先進制造，包括用于制備陶瓷基復合材料的反應熔滲工藝。“熱管理”項目第一階段推進高溫熱條件下的金屬材料和制造工藝研發，開發ICME材料數字孿生技術，并通過金屬合金進行驗證，以推動適用于高超聲速環境的合金開發；第二階段將計劃開展高超聲速材料性能預測，這些材料通過功能梯度優化設計并由直流燒結技術制造。

美國海軍提出碳-碳復合材料研發計劃 2023年6月，美國海軍提出高超聲速飛行器航空結構替代品聯合加速（JAHVAA）計劃，旨在為高超聲速飛行器的熱防護系統開發碳-碳復合材料的替代產品，其目標是大幅降低生產成本、加快工程制造速度，同時確保能夠提供與碳-碳復合材料相似的性能。

勢必銳航空系統開發公司用于高超聲速飛行的先進材料 2023年8月，勢必銳（Spirit）航空系統公司宣布與美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）合作，開發用于高超聲速飛行的先進材料，其中包括對碳-碳復合材料、陶瓷基復合材料以及增材制造合金的認證。

DARPA資助雷神技術公司研究導彈尖端“發汗” 冷卻技術 2023年10月，DARPA披露正在開展“發汗”（Sweating）冷卻技術，為解決高超聲速導彈高溫問題提供支持。其基本原理為：基于導彈尖端蒸騰冷卻通道的冷卻機制，在導彈尖端嵌入可加熱產生蒸氣的化合物，通過蒸氣擴散推進至數千個微通道，實現散發熱量的目的。目前，該技術尚處于原型階段，正使用小型楔形耐熱金屬進行進一步測試。

俄羅斯高超聲速武器應用進入新階段

俄羅斯高超聲速武器發展起步早，其高超聲速武器發展已經處于世界前列。目前俄羅斯在役和即將入役的高超聲速導彈主要有3種，包括“先鋒”“匕首”和“鋯石”等。

“先鋒”導彈為戰略級高超聲速洲際彈道導彈，由導彈運載器、空氣動力助推器和高超聲速滑翔戰斗部組成，最大飛行馬赫數為27。目前，俄羅斯戰略導彈部隊已經列裝4套“先鋒”導彈系統。首個“先鋒”高超聲速導彈團于2021年進入作戰值班狀態，第二個導彈團在2023年年底開始作戰值班。

“匕首”導彈是具有精確制導打擊能力的高超聲速空射彈道導彈，可用于打擊地面/海面固定或移動目標，最高飛行馬赫數為10。“匕首”導彈于2017 年入役，并在2022年在俄烏沖突中投入使用，是高超聲速武器的首次實戰應用。2023 年，俄羅斯使用該導彈打擊烏克蘭地下130m 的地堡、摧毀其“愛國者”防空導彈系統等高價值目標。

“鋯石”導彈是一種多用途高超聲速反艦導彈，最大飛行馬赫數為9，射程達1000km。目前，“鋯石”高超聲速導彈開始進入批量生產階段。2023年1月，俄羅斯國防部長紹伊古表示，俄羅斯海軍第一艘22350型護衛艦“戈爾什科夫海軍上將”號已經開始部署并部分裝備了該導彈。“鋯石”后續研發工作已經列入俄羅斯《2018—2027年國家武器裝備發展計劃》，包括空射型、潛射型和岸基型，以形成“鋯石”高超聲速導彈的綜合打擊能力。

除積極推進“先鋒”“匕首”和“鋯石”3型高超聲速導彈進一步提升實戰能力外，俄羅斯高度重視對現有高超聲速打擊體系的完善和發展。如對上百架空射型“匕首”高超聲速導彈專用載機米格-31K進行升級改造，并開展下一代載機米格-41的設計工作；研制可攜帶高超聲速武器的未來戰略轟炸系統（PAK DA）以取代圖-22M3、圖-95和圖-160戰略轟炸機；以及開展可重復使用火箭研究，以期作為滑翔式高超聲速飛行器載體等。

其他國家保持跟進

英國著手制定高超聲速武器發展路線圖

英國國防部于2023年7月初公布的招標文件顯示，英國政府正著手制定高超聲速武器發展路線圖，將擴大對高超聲速武器技術的研發力度。英國國防部已經建立了一個高超聲速研究團隊，計劃通過3個方面的工作尋求獲得先進的高超聲速打擊能力，包括通過美英澳三邊安全伙伴關系（AUKUS）聯合采購一種高超聲速滑翔武器、在現有的高超聲速武器項目上開展合作，以及開發一種高超聲速巡航導彈。上述工作將通過與工業界達成的高超聲速技術和能力開發框架協議開展。

英國高超聲速研究工作的資金將來自國防部在2021年承諾用于國防研發的66億英鎊。英國國防科學技術實驗室（DSTL）自2022年以來一直在開展一個高超聲速武器計劃，旨在10年內交付高超聲速巡航導彈技術驗證機，并投資下一代高超聲速武器概念和技術。另外，DSTL正在與反應發動機公司（REL）、羅羅公司、皇家空軍快速能力辦公室和英國國家安全戰略投資基金合作，開展高超聲速飛行器試驗項目，目前正在研究關鍵高超聲速技術，包括新型吸氣式推進架構、創新的熱管理系統和先進的飛行器概念。

Hypersonix公司設計的高超聲速試驗平臺示意圖

Hypersonix公司接收首臺高溫復合材料超燃沖壓發動機

2023年8月，總部位于澳大利亞墨爾本的Hypersonix公司通過與Amiga公司合作，利用Inconel 718材料和3D打印技術制造了SPARTAN超燃沖壓發動機，其飛行速度可達Ma7。氫動力超燃沖壓發動機技術驗證機演示驗證項目將進一步完善所需的設計和技術，以提供一種在高達Ma12的速度下運行的能力，并能夠承受重復使用所面臨的挑戰。

Hypersonix公司目前正在開發DART AE，這是一種無人駕駛的高超聲速飛行驗證機，將由高溫合金3D打印而成。該公司此前已與美國國防創新小組就其主導的高超聲速和快節奏空中測試能力（HyCAT）項目達成了協議。

瑞士“少女號”原型機開展飛行演示

瑞士初創公司Destinus 正在設計一種使用氫燃料的Ma5 高超聲速客機“少女”號（Destiny-1），用于全球范圍內的超遠程運輸，該飛機以液氫燃料火箭發動機和吸氣式發動機為動力，計劃于21 世紀30年代推出。2023 年5 月，配裝了氫燃料加力燃燒室的“少女”號原型機在德國慕尼黑進行了飛行演示，標志著自2021 年首飛以來“少女”號的研制取得了重大進展。加力燃燒室由Destinus 公司自主設計，采用了增材制造技術，并在瑞士的試驗場地進行了地面測試。加力燃燒室通過燃燒額外注入的氫燃料來產生更大的推力，使飛機能夠達到更高的速度和爬升率，實現超聲速飛行。此外，這種配置可以在同一推進系統中使用兩種燃料，從而加快了平臺的開發速度。該加力燃燒室的設計與沖壓發動機有很大的相似之處，因此加力燃燒室的試驗也可以作為研制氫燃料沖壓發動機的基礎。

伊朗完成新型高超聲速導彈試驗

2023年5月，伊朗宣布完成新型高超聲速導彈試驗。伊朗軍方表示，“這一發展標志著伊朗導彈領域的巨大飛躍，高超聲速導彈飛行速度超過Ma5，可在地球大氣層內外機動，能突破所有反導防御系統。”

法國高超聲速滑翔飛行器成功首飛

2023年6月，法國國防部武器裝備總署（DGA）成功完成V-MaX高超聲速滑翔飛行器首次飛行試驗。該滑翔飛行器是V-MaX高超聲速助推滑翔導彈的彈頭驗證機，試驗中使用火箭助推發射，飛行過程中成功實現多次機動。V-maX項目是法國提出的首個高超聲速滑翔方案項目，旨在研發一型高超聲速滑翔技術驗證機。V-max滑翔飛行器長約2m，射程約3000km，主要目的是評估鑒定滑翔飛行器概念的潛在優勢和局限，并開展相關關鍵技術研究。此次V-MaX高超聲速滑翔飛行器飛行試驗成功將帶動法國諸多技術和能力發展，對法國推進高超聲速武器實用化具有重要意義。

結束語

2023年，高超聲速技術呈擴散態勢，越來越多的國家加入高超聲速技術研發行列。而高超聲速導彈仍是現階段各國發展重點；高超聲速飛機研究則體現“動力先行”的特點，除了TBCC發動機的研究穩步推進，旋轉爆震發動機技術在從概念轉化為實用方面取得了重大進展，其研究進展值得關注。