2022高超聲速技術進展

2022年，世界各國都加大了高超聲速技術的研究投入。美國持續(xù)推進高超聲速技術頂層規(guī)劃與牽引，著力發(fā)展高超聲速攻防兩端能力，成功試飛多個型號的高超聲速導彈，高超聲速飛機的研究順利推進；俄羅斯首次將高超聲速導彈用于實戰(zhàn)；英國、澳大利亞和日本等多個國家也在積極開展高超聲速技術研究。

高超聲速技術是指飛行馬赫數(shù)（Ma）大于5、以吸氣式發(fā)動機或其組合發(fā)動機為主要動力、能在大氣層和跨大氣層中遠程飛行的飛行器所涉及的技術，其應用形式包括高超聲速導彈、高超聲速有人/無人飛機和空間運載器等多種飛行器。在商業(yè)領域，相同的運輸距離，高超聲速飛機使得旅行所需的時間大大縮短；在軍事領域，高超聲速武器的作戰(zhàn)效能與攻擊能力大大提升。高超聲速技術自問世以來，因其在軍民用領域同時蘊含巨大的價值，一直備受世界各國重視。隨著國際競爭形勢的日趨激烈，以及存在爆發(fā)更大沖突的潛在可能，世界各國在2022年都加大了高超聲速技術的研究，并取得了進展。

美國力爭重回優(yōu)勢地位

美國國防部自認為在高超聲速領域，尤其是軍事應用上，已不處于領先地位，自2022年伊始便在頂層規(guī)劃上強調了高超聲速技術對保持軍事優(yōu)勢的重要性，并加大了對高超聲速飛機、導彈和試驗平臺發(fā)展的引導和支持力度。

頂層規(guī)劃

波音公司新型“女武神”高超聲速飛機模型

2022年2月，美國國防部與多家美國軍工企業(yè)開展線上對話，探討如何加速發(fā)展高超聲速作戰(zhàn)概念。會上，美國國防部一方面強調將與行業(yè)持續(xù)交流，以滿足美國國防部對進攻性和防御性高超聲速武器的需求；另一方面還強調有必要擴大獲取建模能力和試驗設施的途徑，采用“經(jīng)常試驗、快速失敗和學習經(jīng)驗”的方法，加快高超聲速系統(tǒng)和高超聲速防御系統(tǒng)的部署。

2022年7月，美國國防部高超聲速領域負責人邁克·懷特（Mike White）在高超聲速論壇透露，國防部已在制定名為“國家高超聲速倡議2.0”（NHI2.0）的頂層戰(zhàn)略，旨在創(chuàng)造一個更強大的能力通道和采辦生態(tài)環(huán)境，以負擔得起、負責任和穩(wěn)健的方式大幅加快美國高超聲速技術發(fā)展，獲得破壞性和先進的作戰(zhàn)能力。NHI2.0是美國最新的國家級戰(zhàn)略規(guī)劃，系統(tǒng)性布局了高超聲速能力與支撐領域的發(fā)展方向，以謀求軍事能力的長久優(yōu)勢。

高超聲速飛機研究

繼2018年首次公布高超聲速飛機方案之后，波音公司在2022年1月的美國航空航天學會上展示了新型“女武神”高超聲速無人機設計效果圖。與2018年展示的模型相比，新版本顯示出更多的“乘波體”外形，中央機體更為平坦，機翼和雙尾翼更短，兩臺發(fā)動機被安置在兩個不同的整流罩中，進氣口呈圓形且分開。兩個方案的共同點是都選擇了渦輪基組合循環(huán)（TBCC）發(fā)動機為動力。為了應對高超聲速時遇到的高溫，波音公司可能采用了“熱結構”設計，即結構材料本身可以抵抗高溫，這樣也更適合維護。此外，新型“女武神”高超聲速無人機的扁平狀機頭有助于提高飛機的隱身性。

同時，赫爾墨斯公司的高超聲速飛機研究開展順利。2022年6月，赫爾墨斯公司宣布已完成“夸特馬”（Quarterhorse）高超聲速飛機發(fā)動機“奇美拉”（Chimera）的地面試驗。2022年12月，赫爾墨斯公司宣布選定了普惠公司的F100-229渦扇發(fā)動機作為“奇美拉”II組合循環(huán)發(fā)動機的渦輪基，此舉可節(jié)省數(shù)十億美元的研發(fā)成本，并縮短數(shù)年研制周期。

“觀星者”高超聲速飛機概念圖

2022年6月，美國維納斯航空航天公司披露了“觀星者”高超聲速飛機概念，這是一種速度達Ma9的高超聲速飛機，從美國飛往日本只需1h。“觀星者”高超聲速飛機采用新穎的外觀設計、下一代發(fā)動機技術以及先進的冷卻裝置。該公司現(xiàn)已生產了一個發(fā)動機原型，并利用高超聲速風洞和推進試驗設施進行了多次地面試驗，在休斯敦太空港也開展了一次地面試驗。按照計劃，將在2023年啟動亞聲速和超聲速縮比無人飛行器的飛行試驗。

赫爾墨斯公司完成高超聲速飛機發(fā)動機地面試驗

高超聲速導彈研究

2022年，美國國防部牽頭，國防預先研究計劃局（DARPA）、空軍研究實驗室（AFRL）、美國海軍等啟動了多項新的高超聲速導彈項目（詳見表1），并在多個高超聲速導彈飛行試驗項目中取得成功。

表1 2022年高超聲速導彈研究進展

飛行試驗平臺建設

2022年9月，美國國防創(chuàng)新小組(DIU)發(fā)布“高超聲速和高節(jié)奏機載試驗能力”（HyCAT）項目通知，謀求依托商用高超聲速飛行器技術，開發(fā)一型新的高超聲速飛行試驗平臺。HyCAT平臺要求具備以下部分或全部功能：能夠對高超聲速系統(tǒng)及其組件（包括推進系統(tǒng)、熱防護系統(tǒng)和材料）進行響應性和長壽命試驗；檢測和跟蹤傳感器；通信系統(tǒng)和組件；環(huán)境傳感器；制導、導航和控制系統(tǒng)及部件；其他高超聲速飛行器部件；操作環(huán)境中的集成的、具有代表性的高超聲速試驗飛行器。

2022年10月，美國國防部表示，由萊多斯公司控股的動力系統(tǒng)公司（Dynetics）贏得了“多軍種先進能力高超聲速試驗臺”（MACHTB）項目的合同。動力系統(tǒng)公司將領導20多個業(yè)界合作伙伴共同推進MACH-TB項目，目標是大幅增加高超飛行試驗頻率，測試包含助推滑翔飛行器和吸氣式巡航導彈在內的高超聲速技術。

2022年10月，美國平流層發(fā)射系統(tǒng)公司宣布，已成功完成高超聲速飛行器“鷹爪”-A（Talon-A）的分離試驗機（TA-0）首次系留飛行。該公司還在開展高超聲速飛行試驗機TA-1的系統(tǒng)測試以及第一架和第二架完全可重復使用的高超聲速飛行器TA-2和TA-3的制造，并計劃在2023年開始提供高超聲速飛行服務。

俄羅斯高超聲速導彈實現(xiàn)重大突破

2022年3月18日，俄羅斯聲稱在烏克蘭開展的特別軍事行動中首次使用“匕首”高超聲速導彈，摧毀了烏克蘭一處大型地下導彈和航空彈藥倉庫，這是高超聲速武器首次用于實戰(zhàn)?！柏笆住备叱曀賹椛涑坛^2000km，速度為Ma12，可在飛行的每個階段進行規(guī)避機動。俄羅斯國防部表示，在烏克蘭作戰(zhàn)的“匕首”高超聲速導彈系統(tǒng)已經(jīng)證明了對烏克蘭的防空系統(tǒng)的高效率和無懈可擊。2022年12月，俄羅斯國防部長宣布首次向俄羅斯海軍交付“鋯石”高超聲速導彈?！颁喪笔且环N艦載高超聲速巡航導彈，能夠以Ma6～8的速度飛行，采用兩級推進設計，第一級為固體火箭發(fā)動機助推器，第二級為使用液體燃料的超燃沖壓發(fā)動機。

英國繼續(xù)推進強預冷技術研究

英國” 5號方案” 高超聲速飛機技術驗證機模型

2022年7月，英國反應發(fā)動機公司（REL）宣布開始進行一項新的測試活動，旨在擴展高超聲速使能技術的性能范圍。測試活動將在早前反應預冷器測試成功的基礎上，通過顯著增加輸送的空氣流量和其他測試參數(shù)，使通過發(fā)動機換熱器的總能量傳遞增加3倍，并評估熱管理技術與最先進的噴氣式發(fā)動機的集成情況。2022年12月，反應發(fā)動機美國公司宣布在科羅拉多州的高溫試驗設施完成預冷換熱器的國外對比試驗活動，該試驗項目極大地擴展了發(fā)動機預冷器技術的演示能力，在最近的測試中，預冷器成功實現(xiàn)了從高溫氣流中轉換10MW以上熱能的目標，比之前的測試計劃高出3倍。

2022年7月，英國皇家空軍快速能力辦公室、國防部國防科學與技術實驗室、羅羅公司和REL在范堡羅航展上聯(lián)合公開展出了一個名為“5號方案”（Concept V）的軍用高超聲速飛機模型及其概念方案，引發(fā)各界高度關注。該方案最大關注點在于一種綜合集成了羅羅公司渦輪發(fā)動機技術和REL先進預冷卻器技術的高速動力?！?號方案”高超飛機驗證機關鍵指標包括：Ma5的最大速度；單臺的“預冷卻器+渦輪發(fā)動機+加力/亞燃沖壓燃燒室”的動力系統(tǒng)；水平起降、重復使用。該項目正在開展全尺寸發(fā)動試驗樣機的冷態(tài)通流試驗，并同步開展技術驗證機的方案設計，計劃在2023年完成發(fā)動機熱試車。

澳大利亞加大高超聲速技術研究投入

2022年，除了持續(xù)與美國開展高超聲速技術合作，澳大利亞還開設了高超聲速研究中心，致力于推動高超聲速技術研究。

2022年1月，澳大利亞Hypersonix發(fā)射系統(tǒng)公司與美國克雷托斯（Kratos）防務安全解決方案公司簽署協(xié)議，將聯(lián)合研制DART AE多任務高超聲速無人機技術驗證機，計劃于2023年進行無人高超系統(tǒng)發(fā)射和初始驗證試飛。DART AE將配置SPARTAN超燃沖壓發(fā)動機，航程可達500km，設計飛行速度為Ma5～12。該機將增材制造技術，并廣泛采用耐高溫材料，以應對高超聲速飛行中出現(xiàn)的高溫環(huán)境。

2022年1月，澳大利亞政府宣布開設高超聲速研究中心，耗資1400萬美元。該研究中心為澳大利亞國防部、工業(yè)界、大學和國際合作伙伴提供了一個進行高超聲速技術測試的場所。

其他國家積極跟進

2022年2月，瑞士Destinus公司獲得2900萬美元融資，計劃在3～4年時間內推出一種高超聲速貨運無人機，可在2h內將幾十噸有效載荷送到世界各地。該公司正在進行高超聲速無人運輸機原型機的開發(fā)，包括主要子系統(tǒng)與部件，如發(fā)動機、機體以及主動冷卻系統(tǒng)。

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(JAXA)與日本先進科學研究中心（ASRC）聯(lián)合開發(fā)配有雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機的高超聲速反艦巡航導彈。2022年7月，JAXA在種子島航天中心成功試飛以超燃沖壓發(fā)動機為動力的高超聲速導彈。探空火箭搭載超燃沖壓發(fā)動機到達160km的高度后，超燃沖壓發(fā)動機與火箭助推器分離，當飛行速度達到Ma5.5時，超燃沖壓發(fā)動機點火。測試團隊從中獲取氣動加熱和超聲速燃燒數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)與地面風洞測試數(shù)據(jù)進行比較。

結束語

2022年，美國和俄羅斯等大國深刻認識到高超聲速技術對改變戰(zhàn)場環(huán)境的規(guī)則的巨大作用，以盡快形成作戰(zhàn)能力為目標，不斷加大高超聲速技術武器化成果轉化的技術和資金投入力度。從美國頂層規(guī)劃的高度重視、俄羅斯的實戰(zhàn)應用積累經(jīng)驗和其他各國不斷增加的籌碼可以預見，未來幾年高超聲速領域的競爭必將更加激烈，成果或將呈井噴式爆發(fā)。