【科技评论】美国吸气式高超声速技术发展分析
提要：美国吸气式高超声速技术发展处于世界领先地位，已经初步验证了超燃冲压发动机点火及稳定工作能力、高超声速飞行器一体化设计技术、耐热材料的性能及主动防护技术，但仍需进一步验证超燃冲压发动机宽马赫数工作能力，需进一步验证超燃冲压发动机的远航程能力，需进一步验证制导和控制技术，预计高超声速巡航导弹、高超声速飞机和完全可重复使用空天飞行器的关键技术将分别于2017年、2030年和2040年成熟。
2013年5月，美国X-51A超燃冲压发动机验证飞行器第四次飞行试验取得成功，超燃冲压发动机工作时间达到3.5分钟，将飞行器的速度由马赫数4.8加速到马赫数5.1，成功演示了采用吸热燃料的超燃冲压发动机在飞行状态下工作的可行性，标志着吸气式高超声速技术取得重大进展。此次飞行试验的成功必将推动美国吸气式高超声速技术发展，加快高超声速导弹的实用化步伐。
一、美国已初步验证吸气式高超声速飞行器关键技术
吸气式高超声速飞行器是指飞行速度大于5倍声速（马赫数5），以超燃冲压发动机及其组合式发动机为动力，在大气层和跨大气层中实现高速远程飞行的飞行器。其关键技术包括总体设计技术、高超声速推进技术、气动力/气动热技术、结构与热防护技术等。
从20世纪50年代提出高超声速飞行概念开始，美国吸气式高超声速飞行器技术研究经历了多次起伏，由于需求、技术和资金等因素的制约，早期的研究计划几乎全都夭折。但通过这些计划，美国对高超声速飞行的原理、技术作了较全面的探索和研究，为后续发展奠定了重要基础。20世纪90年代后期以来，美国按照分阶段、有限目标、多方案并行的工作思路，成功进行了马赫数10的飞行试验，重点开展了验证双模态超燃冲压发动机技术的X-51A、验证双燃烧室超燃冲压发动机技术的HyFly等飞行器飞行试验。吸气式高超声速技术从概念和原理探索阶段，进入到具有一定工程背景的演示验证阶段，部分关键技术取得重大突破。
（一）验证了超燃冲压发动机点火及稳定工作能力
超燃冲压发动机技术是高超声速飞行器技术的核心技术。在超声速气流中实现点火并稳定燃烧技术难度极大，有人形容其相当于“在十二级台风中点燃一根火柴”。除X-51A第一次、第四次飞行试验，2012年9月，美澳合作的“高超声速国际飞行研究和试验”计划（HIFiRE-3）成功进行飞行试验，高度为20.5～32千米，飞行器成功加速到马赫数8。这些飞行试验，多次验证了超燃冲压发动机的启动/点火、稳定燃烧以及加速能力。
（二）验证了高超声速飞行器一体化设计技术
通过一体化设计使飞行器和推进器相互作用，获得尽可能高的气动性能、推进性能、稳定性和控制特性。飞行器机体和推进系统的一体化设计是关系整个飞行器性能的关键。推进系统在高超声速飞行器中的合理布局可以减小飞行器阻力，使飞行器获得较高的升阻比；同时，飞行器外形、发动机在飞行器中的布局，也影响到发动机的性能和结构。高超声速飞行器的工作马赫数越高、范围越宽，这个问题越突出。X-51A 飞行器采用了乘波体外形设计，前段为近似楔形头部，可以形成按一定角度分布的激波系，使激波系产生的压力直接作用在机体下方，从而为飞行器提供升力。同时，头部形成的激波系还能起到压缩空气的作用，有助于X-51A 发动机的燃烧。飞行试验表明，X-51A 飞行器产生了足够升力。
（三）验证了耐热材料的性能及主动防护技术
高超声速飞行中飞行器和发动机要承受极高温度的考验。在马赫数为4、6、8时，来流空气滞止温度大约分别为860K、1640K和2580K，发动机内燃烧后的气体温度将可能分别达到2500K、2700K、3100K。因此，热防护技术是关键技术之一。X-51A验证了主被动热防护技术。在被动热防护方面，X-51A飞行器主要采用瓷瓦和泡沫材料。瓷瓦采用与航天飞机机腹类似的可重复使用隔热瓦。发动机飞行器上表面由柔性可重复使用表面隔热材料防护，其上覆盖厚度不一的轻质烧蚀层泡沫材料。在主动热防护方面，X-51A地面试验发动机SJX61-2发动机采用主动冷却技术，燃油在燃烧前先冷却壁面，通过闭环燃油系统有效实现热交换平衡，解决发动机冷却问题。
二、高超声速技术实用化面临的挑战
目前来看，吸气式高超声速飞行器部分关键技术得到验证，但要研制出实用化的高超声速飞行器，仍需进一步验证超燃冲压发动机宽马赫数工作能力、远航程能力，以及制导与控制技术等。
（一）需进一步验证超燃冲压发动机宽马赫数工作能力
对于采用冲压发动机推进的高超声速飞行器而言，传统的亚燃冲压发动机以及超燃冲压发动机工作马赫数范围有限，需要一台既能够在低飞行马赫数（3～5）下实现传统冲压发动机亚燃模态工作，又能够由亚燃工况平稳过渡到超燃工况，实现超声速燃烧热力循环的发动机。要实现这一技术，需将超燃冲压发动机飞行马赫数的工作下限降低到3，扩大超燃冲压发动机的工作范围。直至目前，美军已经进行的相关试验仍未验证超燃烧冲压发动机宽马赫数工作能力。X-51A主要验证了超燃冲压发动机技术。从X-51A第四次飞行试验的过程看，助推器将X-51A加速到马赫数4.8，超燃冲压发动机在马赫数4.8左右点火，加速到马赫数5.1，很可能并未验证发动机从亚燃模态向超燃模态的转换，而是直接进入超燃模态。从X-51A几次试验数据看，X-51A发动机的地面试验为马赫数4.6和马赫数5的点火试验，并未进行模态转换试验。
（二）需进一步验证超燃冲压发动机的远航程能力
X-51A验证的超燃冲压发动机是小型弹用发动机，其第四次飞行试验的飞行距离约为360千米，远未达到美军高超声速巡航导弹相关发展计划对射程的要求。美军规划的“拒止环境下快速识别和打击目标”（RIPTIDE）导弹计划射程将超过1852千米，“高速打击武器”（HSSW）射程至少为805千米。提高射程将对燃料携带和结构、材料提出更高要求，燃油流动速度也必须在不同马赫数下不断调整，才能确保足够冷却、获得足够热量，从而产生最大推力。
（三）需进一步验证制导和控制技术
在高超声速条件下，现有制导与控制技术难以完全适应，高超声速飞行器必须着重解决控制变参数、实时性等问题，进一步提高导航、制导精度，更好协调高超声速飞行器快速性与稳定性之间的矛盾，提高高超声速飞行器可控性和抗干扰能力。从目前进行的相关飞行试验看，制导和控制技术未得到有效验证，其中，X-51A第三次试飞中，由于控制问题导致飞行器坠毁。制导、导航和控制技术将是下一步重点验证的技术之一。HIFiRE-4将试验飞行控制技术，首要目标是在约27千米高度以近垂直的角度下降并保持控制，第二个目标是实现水平飞行着陆。
三、美国吸气式高超声速飞行器未来发展
吸气式高超声速技术将物化为高超声速巡航导弹、高超声速飞机和快速进入空间新手段。按照美国空军2011年吸气式高速飞行器发展路线图，空军将采取平行发展方式开展高超声速武器以及高超声速飞机相关技术探索，但在实际应用上，高超声速巡航导弹将率先走向实用。
（一）高超声速巡航导弹将在2017年左右进入工程研制阶段
X-51A试飞成功验证了超燃冲压发动机的技术可行性，在此基础上，美国将进一步加快高超声速飞行器技术武器化进程，积极推进高超声速巡航导弹研制。多项计划显示，美军计划耗时4年左右研制出验证弹，2017年前后进行首次飞行试验。该验证弹将可能采用乘波体外形或全新结构，能够从B-52、B-2轰炸机或F-35战斗机上发射。
2012年8月，美国空军研究实验室公布了“高速打击武器”演示验证计划。该计划将发展空中发射高超声速巡航导弹所需技术，旨在使推进、机身布局、制导/导航/控制等领域的支撑技术成熟化，并集成到演示验证器上，使其技术成熟度达到6级。其发展目标是，2017年达到以马赫数6飞行“至少805千米”，并击中目标。
（二）高超声速飞机关键技术将在2030年前后趋于成熟
高超声速飞机可在2小时内抵达全球任何地点，实现实时侦察、兵力远程投送及远程精确打击。目前，美国空军已启动名为“怪兽”的高超声速试验飞行器计划，该计划将接替X-51A计划，研制一种从空中发射的高超声速试验飞行器，用于对空气动力学、推进系统、材料和结构、热管理、控制及一体化技术需求进行评估。与X-51A一样，“怪兽”飞行器使用火箭发动机助推，飞行时间将提高到45分钟，目前还在考虑是否对其进行回收，以便重复利用。2010年7月，美国空军公布的《技术地平线：2010年—2030年空军科学与技术构想》报告中提到，美国Astrox公司正在为“怪兽”计划设计一种远程、高超声速打击与监视飞行器方案。
美国空军也将发展“高速可重复使用研究飞行器”。该飞行器具备水平起降能力，所采用的涡轮基组合循环发动机由一台高马赫数涡喷发动机与一台亚燃/超燃双模冲压发动机组合而成。该飞行器将能够以马赫数4以上的速度巡航超过15分钟，还将具备在更高马赫数速度下有效持续飞行能力。美国航空喷气公司2011年提出一种涡轮基组合循环发动机，研究一种新型的组合循环推进系统——TriJet，准备将一台涡轮发动机、一台火箭增强引射冲压发动机及一台双模超燃冲压发动机有机整合，实现从静止到马赫数6以上的无缝衔接。2013年11月，洛克希德· 马丁公司旗下的臭鼬工厂公布将研发SR-72高超声速飞行器。设想中的实用型飞行器SR-72为双发无人飞行器，机长超过30.48米，以马赫数6巡航飞行。目前已完成部件的缩比试验，下一步将进行一系列试验或关键性的演示验证，计划于2018年研制技术验证机。
从计划及技术进展看，美国高超声速飞机仍处于关键技术演示验证阶段。根据NASA吸气式高超声速技术路线图，预计2030年左右可进入工程研制阶段。
（三）完全可重复使用空天飞行器关键技术将在2040年前后趋于成熟
可重复使用空天飞行器能够快速、自由、廉价、可靠进出空间，并且可以多次使用，是航天运载技术未来发展的重要方向。2012年美国科学院报告《NASA太空技术路线及优先发展规划》认为，“火箭发动机为基础的组合循环发动机”（RBCC）在成本、性能、技术、可靠性、安全性等方面具有比较明显的综合优势，是未来进入太空的重要运输推进系统之一。从目前技术进展和发展规划来看，美国虽已积累一定技术基础，但仍有关键技术尚未突破，以组合发动机为动力的完全可重复使用飞行器仍处于方案探索和技术攻关阶段。根据NASA吸气式高超声速技术路线图，预计2040年左右技术成熟度才可能具备工程研制条件。
未来一段时间，美军将继续进行“火箭发动机为基础的组合循环发动机”（RBCC）总体设计研究。Astrox公司在RBCC两级入轨运载器研究中，提出了两种构型方案：一是运载器垂直起飞/水平着陆，第一级采用可重复使用运载火箭，第二级为以RBCC为动力的运载器；二是运载器水平起飞/水平着陆，第一级采用8个航空发动机，第二级采用2个RBCC作为动力系统。两种运载器的任务都是运送9100千克有效载荷入轨。美国阿连特技术系统公司设计的两级入轨运载器，第一级采用碳氢燃料火箭，第二级采用液氢RBCC，任务是运送18000千克有效载荷入轨。
吸气式高超声速飞行器技术具有重大的战略价值，特别是在遂行全球快速打击方面具有重要的应用前景。美国坚持不懈地长期探索，迄今已突破诸多关键技术，但毕竟由于其技术难度极大，至今仍有许多技术需要验证。
（来源：世界武器装备与军事技术年度发展报告，国防工业出版社授权发表）
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