高超聲速與空天飛行器技術(shù)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(yuǎn)的追求，“空天一體”戰(zhàn)略的提出將使傳統(tǒng)的空天之間的界限不復(fù)存在，更使先進(jìn)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(duì)象，更被認(rèn)為是“繼作戰(zhàn)飛機(jī)和核武器后又一個(gè)改變戰(zhàn)爭游戲規(guī)則的革命性產(chǎn)物”。本文對(duì)高超聲速飛行技術(shù)多年來的發(fā)展探索及未來發(fā)展進(jìn)行了介紹和分析。

關(guān)鍵詞：高超聲速 空天飛行器 空天一體

中圖分類號(hào)：TJ760 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）11（a）-0076-03

高超聲速飛行器是指大氣層內(nèi)飛行馬赫數(shù)在5以上的飛行器。20世紀(jì)50年代末以來，以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的高超聲速技術(shù)已廣泛用于各種戰(zhàn)術(shù)和戰(zhàn)略導(dǎo)彈、航天器等。受限于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)較低的比沖，這類飛行器飛行時(shí)間有限且很不穩(wěn)定，現(xiàn)在各國均著力于研制新型的以吸氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)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(nèi)的各軍事與航天強(qiáng)國均在高超聲速方面有較大投入和成果，高超聲速技術(shù)可能將成為下一次技術(shù)革命的主角。

1 各國高超聲速與空天飛行器技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 美國

美國是最早開始發(fā)展高超聲速飛行器技術(shù)的國家之一。早在1950年，美國軍方就啟動(dòng)了旨在研制出高超聲速轟炸機(jī)和偵察機(jī)的“超級(jí)盜賊”項(xiàng)目，后演變?yōu)橹腟R-71“黑鳥”超聲速偵察機(jī)。同期進(jìn)行的還有X-15高超聲速驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目等。1985年美國啟動(dòng)國家空天飛機(jī)（NASP）計(jì)劃，獲得了Ma>8情況下的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，建立了高超聲速氣動(dòng)數(shù)據(jù)庫[1]；后啟動(dòng)了Hyper-X計(jì)劃，于2004年成功試飛X-43A高超聲速飛行器，實(shí)現(xiàn)了Ma9.68的噴氣式飛機(jī)速度紀(jì)錄；2010年又成功試飛X-51高超聲速飛行器，實(shí)現(xiàn)了在18288m高度以Ma5.1連續(xù)動(dòng)力穩(wěn)定飛行200s的目標(biāo)；還與包括前蘇聯(lián)在內(nèi)的多國合作開展高超聲速相關(guān)研究。其擁有多個(gè)先進(jìn)的高超聲速研發(fā)和試驗(yàn)設(shè)施，可進(jìn)行高速下的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和空氣動(dòng)力試驗(yàn)。在相關(guān)的工程實(shí)踐、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)積累等方面處于世界前列。

1.2 前蘇聯(lián)/俄羅斯

前蘇聯(lián)的高超聲速技術(shù)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(xiàng)目包括米格-105“螺旋”空天戰(zhàn)斗機(jī)計(jì)劃和著名的“暴風(fēng)雪”航天飛機(jī)等。蘇聯(lián)解體后，俄羅斯除與美國合作進(jìn)行“冷”項(xiàng)目之外，還獨(dú)立進(jìn)行了“彩虹”“針”和“射手”等高超聲速飛行器項(xiàng)目并多次在航展上展出概念設(shè)計(jì)。試驗(yàn)設(shè)施方面，中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院有一臺(tái)具備Ma7氣流速度下模擬試驗(yàn)?zāi)芰Φ拇笮驮囓嚺_(tái)，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(shù)用于軍事方面，但仍較為重視其在民用方面的應(yīng)用。其研究起源于20世紀(jì)80年代末，目前正計(jì)劃與美國或歐洲合作研制6馬赫級(jí)別的高超聲速客機(jī)，其國內(nèi)的研究設(shè)施包括一座Ma4-8的大型高超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)和大型高溫激波風(fēng)洞。

1.4 中國

中國是這方面的后起之秀。具體研發(fā)項(xiàng)目公開資料很少，但在高超聲速技術(shù)應(yīng)用方面處于世界前列，是世界上唯一公開確認(rèn)組合式渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入原型機(jī)試飛階段[2]的國家。中國也有研發(fā)使用高超聲速技術(shù)的空天飛機(jī)計(jì)劃，并計(jì)劃在2025—2030年進(jìn)行飛行試驗(yàn)。還有連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)等先進(jìn)技術(shù)，在試驗(yàn)設(shè)施方面具備多座大型如JF12、FD21和M4-7等高超聲速風(fēng)洞?？傮w水平與美俄并駕齊驅(qū)。

2 高超聲速與空天飛行器發(fā)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(shù)的彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈等和一次性使用的驗(yàn)證機(jī)，飛行方式有助推滑翔式和動(dòng)力滑翔式等，是目前各國試驗(yàn)和使用最多的高超聲速飛行器/武器。

（1）美國。

美國試驗(yàn)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(jì)劃和空軍HyTECH計(jì)劃中的吸氣式動(dòng)力驗(yàn)證機(jī)X-43A和X-51A，以及國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的HTV-2助推滑翔試驗(yàn)飛行器。

（2）俄羅斯。

已知的項(xiàng)目包括類似美國X-43和X-51的“針”“彩虹”項(xiàng)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(fā)“布拉莫斯”II高超聲速巡航導(dǎo)彈。

（3）中國。

項(xiàng)目保密程度較高。2014年1月，美國防部探測到中國進(jìn)行類似于HTV-2的高超聲速助推滑翔飛行器飛行試驗(yàn)并稱之為WU-14，中國官方隨后予以承認(rèn)。根據(jù)美方監(jiān)測數(shù)據(jù)，共進(jìn)行過7次試飛，全部取得圓滿成功，且已有實(shí)際應(yīng)用案例，據(jù)稱東風(fēng)-26反艦導(dǎo)彈就裝備了類似WU-14的助推滑翔機(jī)動(dòng)彈頭，具備Ma7速度下40°大攻角的極強(qiáng)高超聲速機(jī)動(dòng)能力。中國還進(jìn)行過類似于“冷”項(xiàng)目的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。

（4）歐盟各國。

歐盟各主要發(fā)達(dá)國家均較重視高超聲速技術(shù)，尤以航空工業(yè)實(shí)力雄厚的法國最突出。其研究計(jì)劃制定于1992年，主要項(xiàng)目包括“淺黃”超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和“普羅米修斯”高超聲速巡航導(dǎo)彈。還與美國SR-72同期研制類似的無人高超聲速偵察機(jī)。實(shí)用成果包括ASMP空射核巡航導(dǎo)彈。英國則側(cè)重于空天飛機(jī)，先后提出過布里斯托爾188、霍托爾號(hào)、桑格爾號(hào)和正在研制中的云霄塔等多個(gè)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(shù)的飛機(jī)等可在完成任務(wù)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(fā)的只有美國的SR-72無人高超聲速偵察機(jī)。中國也在研制被稱為“騰云工程”的兩級(jí)高超聲速空天飛機(jī)，并有公開論文稱發(fā)動(dòng)機(jī)將于年內(nèi)開始試車。英國則在研發(fā)“云霄塔”空天飛機(jī)以及衍生型A2高超聲速客機(jī)。日本也在與歐洲合作設(shè)計(jì)高超聲速客機(jī)并計(jì)劃在此基礎(chǔ)上研發(fā)空天飛機(jī)。

3 高超聲速與空天飛行器的應(yīng)用及技術(shù)難點(diǎn)

3.1 高超聲速與空天飛行器的應(yīng)用價(jià)值與前景

高超聲速飛行器最大的價(jià)值在其高速。Ma5以上的飛行速度是普通噴氣式民航客機(jī)的6倍，大多數(shù)戰(zhàn)斗機(jī)的兩倍，可在2h內(nèi)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(nèi)到達(dá)全球任何地點(diǎn)。

空天飛行器的運(yùn)載能力也大于傳統(tǒng)航天器?！霸葡鏊弊畲笃痫w重量275t，近地軌道運(yùn)載能力12t，比相同起飛重量運(yùn)載火箭大一倍，可在普通機(jī)場起降，準(zhǔn)備時(shí)間較短，可做到快速高效向軌道大量運(yùn)輸物資。在軍事方面，除可快速部署衛(wèi)星，空天飛機(jī)若大量裝載武器，就能變成在2h內(nèi)攻擊全球任何目標(biāo)的超級(jí)轟炸機(jī)。

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

民用方面也有明顯價(jià)值。除前文提到的超高速民航運(yùn)輸之外，空天飛機(jī)能夠快速高效向軌道運(yùn)輸大量物資，大幅降低進(jìn)入太空的成本。為減小空氣阻力達(dá)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(dá)到的超高空進(jìn)行長時(shí)間飛行的能力，能夠作為超高空科研平臺(tái)。

此外，此類飛行器的研發(fā)還將帶動(dòng)一系列熱力學(xué)、材料力學(xué)、燃燒力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等方面的進(jìn)步，這不僅對(duì)高超聲速技術(shù)本身的發(fā)展起到了推動(dòng)作用，還將帶動(dòng)其他飛行器乃至其他領(lǐng)域的發(fā)展。

3.2 高超聲速與空天飛行器的技術(shù)難點(diǎn)

（1）熱防護(hù)技術(shù)。

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(huán)境極其惡劣。較低的空氣密度導(dǎo)致空氣的熱傳導(dǎo)率下降，飛行器機(jī)體表面的高熱無法有效散發(fā)到空氣中，高速飛行又導(dǎo)致空氣與機(jī)體表面高速劇烈摩擦，產(chǎn)生大量熱量。其所面臨的熱環(huán)境與傳統(tǒng)航天器迥然不同且更具挑戰(zhàn)性，傳統(tǒng)航天器僅需在經(jīng)過大氣層最稠密段時(shí)短時(shí)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(shí)間高速飛行中承受累加的高熱，必須使用可重復(fù)使用、長時(shí)間冷卻的防熱措施。目前主要采用較高熔點(diǎn)的碳纖維復(fù)合材料、鎢合金等制造機(jī)體表面蒙皮以獲得較強(qiáng)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(dòng)措施仍無法避免機(jī)體被燒毀，需要使用如燃料循環(huán)冷卻等主動(dòng)散熱技術(shù)加以配合。此外，還需要開發(fā)新的防熱材料。

（2）高超聲速空氣動(dòng)力學(xué)技術(shù)。

高超聲速環(huán)境下的空氣動(dòng)力學(xué)與正常環(huán)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(xù)性相比海平面明顯減弱，粒子性變得更加明顯，計(jì)算時(shí)已不能將空氣看作連續(xù)流體處理。同時(shí)，高超聲速下空氣受熱影響明顯，計(jì)算中必須考慮熱力學(xué)因素。由于邊界層受熱膨脹和流動(dòng)受熱力影響明顯，雷諾數(shù)已經(jīng)不能很好地描述高超聲速下的邊界層和流動(dòng)現(xiàn)象，需要開發(fā)新的計(jì)算工具和試驗(yàn)方法來實(shí)現(xiàn)高超聲速下的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。此外，高超聲速下基本無法像常規(guī)情況下那樣由機(jī)翼產(chǎn)生升力，需要由乘波體或升力體布局產(chǎn)生壓縮升力或激波升力，這讓整機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜；空氣密度低，飛行器的機(jī)動(dòng)也是一個(gè)重大難題。

（3）黑障通信技術(shù)。

高超聲速和空天飛行器的飛行速度過高，機(jī)體表面溫度會(huì)將周圍空氣加熱到等離子體狀態(tài)，形成等離子體鞘套，導(dǎo)致電磁屏蔽，未達(dá)到一定能級(jí)的電磁波無法穿透，形成“黑障”。如果使用傳統(tǒng)的通信技術(shù)，飛行器將無法實(shí)現(xiàn)與外界的通訊和收發(fā)信號(hào)，偵察、作戰(zhàn)與導(dǎo)航就無從談起。目前美國已在航天飛機(jī)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(huì)從機(jī)頭向機(jī)尾包裹，機(jī)尾會(huì)有部分空隙，從而能夠從中發(fā)送信號(hào)建立通訊。但這種方法只能實(shí)現(xiàn)通訊，無法完成導(dǎo)航等任務(wù)，并且對(duì)飛行器的姿態(tài)限制較高。

目前在研究的黑障通信技術(shù)包括采用電磁方法和發(fā)展激光通信。電磁方法有很多，如采用人為產(chǎn)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(diào)制波段和增加發(fā)射功率使無線電波達(dá)到能夠穿透等離子鞘套的能級(jí)。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(dòng)外形設(shè)計(jì)主動(dòng)減少等離子鞘套厚度改善通訊條件的方法。

（4）高超聲速動(dòng)力技術(shù)。

各種吸氣式高超聲速飛行器方案所采用的動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的飛行包線使得動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度極大。普通渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)由于風(fēng)扇無法在超聲速下工作，來流必須先減速到亞聲速才能進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。但當(dāng)飛行速度達(dá)到Ma3以上時(shí)，來流無法被有效減速到亞聲速，若強(qiáng)行減速，溫度將會(huì)急劇上升超過發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)需要大量燃料且效率極低，因此目前只有超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)能夠適應(yīng)高超聲速飛行，但它需要在Ma3以上才能啟動(dòng)，工程實(shí)際中需要Ma4甚至更高的速度。怎樣實(shí)現(xiàn)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的平滑轉(zhuǎn)換，是難度較高的工程問題。此外，由于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒速度極快且超聲速燃燒，很難維持穩(wěn)定工作狀態(tài)，在各種不利姿態(tài)下更難維持穩(wěn)定燃燒。目前在實(shí)際飛行中燃燒時(shí)間最長的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是X-51A的SJX61，在Ma5.1的速度下穩(wěn)定燃燒了210s。

使用組合發(fā)動(dòng)機(jī)不僅要解決單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作問題，還要解決每個(gè)分系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行和平穩(wěn)轉(zhuǎn)換問題，難度更大。

（5）高超聲速結(jié)構(gòu)技術(shù)。

由于飛行器在高超聲速下飛行會(huì)受到強(qiáng)烈的熱載荷和氣動(dòng)載荷，克服這些載荷成為高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)難題。對(duì)空天飛行器設(shè)計(jì)來說，這一難題更加困難，因?yàn)闉榱藵M足進(jìn)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(zhì)量比需達(dá)到5以上。此外，結(jié)構(gòu)還需要能夠承受強(qiáng)載荷。為滿足這一要求，需要發(fā)展新的結(jié)構(gòu)技術(shù)和新型材料。

4 結(jié)語

目前各國均在大力推進(jìn)高超聲速技術(shù)的發(fā)展。作為前沿技術(shù)的高超聲速技術(shù)，因其超高速的特性而具備了極大的軍民應(yīng)用價(jià)值。在軍事上，高超聲速技術(shù)能夠物化為具備超強(qiáng)高速遠(yuǎn)程打擊能力、克制全部現(xiàn)役武器系統(tǒng)的先進(jìn)武器和能夠“一小時(shí)打遍全球”甚至跨越空天作戰(zhàn)的先進(jìn)作戰(zhàn)平臺(tái)，具備強(qiáng)大的戰(zhàn)斗力和威懾力；在民用上，高超聲速技術(shù)能夠提供有望改變世界格局的超高速運(yùn)輸能力，有望提供人類夢(mèng)寐以求的大規(guī)模高效進(jìn)入太空能力。在未來，高超聲速技術(shù)將在軍事、政治和經(jīng)濟(jì)方面發(fā)揮不可想象的重大作用，像飛行器的發(fā)明一樣改變世界的格局和規(guī)則。同時(shí)，作為前沿技術(shù)的高超聲速技術(shù)，也需要大量新技術(shù)和新材料的出現(xiàn)，需克服巨大的工程困難和挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 韋寶禧，凌文輝，冮強(qiáng)，等.TRRE發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析及推進(jìn)性能探索研究[J].推進(jìn)技術(shù)，2017，38（2）：298-305.

[2] 牛文，李文杰.SKYLON飛行器與SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)研究[J].飛航導(dǎo)彈，2013（3）：70-75.