【防务观察】中国再试高超音速武器，中、美、俄三国武器大PK | 附高超声速武器专题文章集锦
中俄正加快推进先进的高超音速滑翔载具项目，是为了应对美国计划将一种反导系统部署到韩国，同时推动军队向集约但更强大的方向前进。华盛顿自由灯塔网站报道，一位五角大楼消息人士称，北京29日进行了第7次DF-ZF滑翔器的试飞，并取得成功。报道说，这款滑翔器安放在一枚弹道导弹上面，从山西省五寨发射中心点火升空。那么，高超音速武器的意义在哪？有什么决定性的意义呢？今天小编给大家说道说道。
参考消息网4月29日报道 外媒称，中国日前又一次成功测试了处在研发阶段的DF-ZF（以前称为WU-14）高超音速滑翔飞行器。
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据日本《外交学者》网站4月28日报道，这种高速机动性弹头的试验是在中国山西省的五寨导弹测试中心完成的，距离北京西南约250英里（400公里）。
华盛顿自由灯塔网站称：“这种时速达几千英里的灵活机动的滑翔器被卫星跟踪到，沿大气层边缘飞行，最后到达中国西部地区的撞击区。”
报道称，中国现在已经对这种新武器进行了总共7次测试。上一次发射DF-ZF（一种据说可穿透美国防空系统的超高速导弹）是在2015年11月。
DF-ZF高超音速滑翔飞行器据说速度可达5马赫到10马赫，即每小时6173公里到12359公里。《外交学者》曾对发射DF-ZF高超音速滑翔飞行器的过程进行过解释：DF-ZF弹头被一枚大型弹道导弹助推器带到太空和地球大气层的边缘，高出地面约100公里。达到该高度后，它便开始执行上拉动作并加速到10马赫，并沿相对平坦的轨道滑翔。滑翔阶段不仅能使飞行器完成空气动力学的机动动作（如躲避拦截），还可增加导弹射程。
根据美国媒体汇总消息称，中国在2014年到2015年这2年中，一共进行了5次为成为WU-14的高超音速武器的测试，全部取得了成功，根据中国实际测试次数都要被比美国少，而实际效果都要比美国好的特性。美国媒体认为，如果到了2016年的年中仍然不见中国进行类似的试射活动，只能说明WU-14这种超高音速武器已经取得了实质上的成功，并进入部队服役。这让屡战屡败的美国人不仅眼红不已，更让全球都在卯足劲发展高超音速武器的国家全部都红了眼，他们还没试验成功，中国竟然都服役了！
不过中国为什么成功率会这么的高？肯定不是幸运，是中国在这方面的理论前置研究太早了，早到连美国人还在摸索是扔个核弹到苏联还是扔个铁饼上太空再砸到苏联上的时候，中国已经有神人在研究反导和高超音速突防的问题了，这话得从上个世纪50年代中期说起。
在上个世纪50年初的时候，中国物理科学家郭永怀先生当时正在美国的康乃尔大学任教授，当时美国人正在论证未来洲际导弹的可行性。郭永怀先生跨音速流体理论中的萧楚，所以美国人也想请他帮忙论证。不过当时郭先生已经应钱学森先生之邀，准备返回中国。所以他只是论证了高超音速条件下弹头可能会受到的多重阻碍，也就在这时有了高超音速武器理论的最初想法。不过郭永怀先生在回国前已经把这部分草稿全部焚毁，所以美国人并没有获得郭先生的任何研究成果。
回国后郭永怀先生就开始逐步完善他的“高超音速飞行器粒子影响理论”。他提出，在大气层边缘飞行速度超过5马赫之后，此时动能转换的能量足以让材料分子发生奇异的变化，比如会发生分子层面的震动和松弛，电离和符合等等化学物理效应，他把这个速度范围称为“高超音速流动”。这是我国最早关于高超音速武器可行性和攻关方向的制导性理论，要知道这是在上个世纪50年代末期！
正是因为郭永怀先生的理论，才让中国意识到未来高超音速武器要面临的难点。需要展开“高超音速流动”的理论研究和实验，才有了后来航天十七院研发的5马赫以上超高声速风洞。这是研究高超声速武器的最核心的设备，没有它进行试验，什么都是纸上谈兵。
郭永怀先生还是一位涉猎广泛的大家，曾经主导我国研制的人造卫星，运载火箭，核武器的研制和制造工作。可以说他是唯一一位为中国的核弹、氢弹、卫星实验工作都做出巨大贡献的科学家。就连美国最近热炒的超级核武器-能钻地的B61-12钻地核弹，郭老就组织过人进行过相应的公关，这样的眼界开拓的大家别说在中国，你就是在全世界也找不到第二个！
中国高超音速武器被指世界第1 俄为何严重不服中国和美国的高超音速武器试验一次次在世界上掀起波澜。美国声称中国已接近部署高超音速武器，试验频次和技术甚至已经超过美国；而中国声称美国的高超音速武器世界领先，多种型号已经实战部署。据俄新社4月27日报道称，俄罗斯近日第四次测试了它的Yu-71高超音速飞行器，飞行速度超过每小时1.1万公里，这令美国十分担忧。俄军事专家认为，这种担忧是可以解释的，美国和中国也在研究高超音速飞行器。但从美国的反应来看，莫斯科在这方面取得的成果最大，至少有两个事实可以证明俄罗斯在该领域的领先地位。
俄罗斯专家所谓的高超音速飞行器技术领先中国和美国，主要有两个事实：首先，俄罗斯前不久试射了RS-28“萨尔马特”井式部署的液体燃料洲际弹道导弹，并测试了能在飞行轨道中以高超音速进行机动的弹头，这种叫做Yu-71的高超音速弹头能让美国现在乃至未来的所有反导系统形同虚设。其次，俄罗斯正在研究3K-22“锆石”高超音速导弹系统，它将装备在“纳希莫夫海军上将”号和“彼得大帝”号导弹巡洋舰上，由此将让俄军拥有重大优势。
由RS-18B“萨尔马特”井式部署的液体燃料洲际弹道导弹携带的Yu-71的高超音速弹头，在2011年12月首次试射，第二和第三次试射分别在2013年9月和2014年，第四次试验是在2015年7月，4月19日的试验是其第五次发射，据称也是唯一的一次完全成功的试验。据俄罗斯专家分析，Yu-71的速度超过每小时1.1万公里，它被称为航空弹道飞行器，这意味着其飞行轨道无法预测。也就是说，Yu-71既可以携带核弹，也可以携带常规弹药，在飞行过程中可以任意机动，让当今世界现有的防空和反导系统无法拦截，甚至能应对使用常规弹头的美国“全球快速打击系统”。此外，Yu-71不仅可以用作RS-28“萨尔马特”导弹的弹头，还可以装备在未来的PAK-DA远程战略轰炸机上，其用途似乎比中美的同类弹头要广泛。如果一切顺利，携载Yu-71的高超音速弹头的RS-28“萨尔马特”洲际弹道导弹应该还将进行1-3次试验，预计会在2018年进入实战部署阶段。
而作为高超音速反舰导弹研制的3K-22“锆石”高超音速导弹，能够以5-6马赫的高速飞行，射程达到400公里。如果说Yu-71的高超音速弹头是在大气层外进行的，那么，3K-22“锆石”高超音速导弹则是大气层内的娇儿，是俄罗斯一高一低两种高超音速飞行器的低空反舰型号。该导弹使用的发射装置型号为3S-14-11442M型八联装通用垂直发射装置，该发射装置不但可以发射发射“锆石”导弹，还能发射“口径-NK”巡航导弹，也能发射3M-55超音速反舰导弹——P-800“缟玛瑙”导弹。根据俄罗斯军工部门的规划，3K-22“锆石”高超音速导弹及其3S-14-11442M型八联装通用垂直发射装置将首先配备在全世界最强的“彼得大帝”号和“纳希莫夫海军上将”核动力巡洋舰上，预计在2020年之后其空射和潜射版本还将配备在俄罗斯第五代攻击核潜艇“赫斯基”级上，现有的常规潜艇和核潜艇也将在一定升级后能够配备这种武器。此外，俄罗斯还可能在最新改进型图-160M2和未来的PAK-DA战略轰炸机上配备3K-22“锆石”，这种由远程轰炸机和高超音速巡航导弹的结合将对美国及其盟友构成严重威胁。
正是因为在国家极端困难的情况下，俄罗斯拿出大把经费来跟踪世界先进技术，并且还取得了不小的成功，因此俄自认为在高超音速武器项目上并不比中美落后。显而易见，中美俄三国都在加紧研发各自的高超音速武器，认为其是打破战场僵局的“革命性武器”，其中美国公开的主要项目有X-51A“驭波者”和HTV-2“猎鹰”，俄罗斯为Yu-71高超音速飞行器/4202项目，中国则为DF-ZF/WU-14高超音速飞行器。如果说在前几年，几乎是美国的独家表演，并且取得了令人瞩目的成绩，而中国紧随其后，至今在不到两年里已取得了七次试验成功，现在俄罗斯似乎也在迎头赶上来，中美俄几成并驾齐驱之势。
从用途来看，美国发展高超音速武器是为了继续维护其世界霸权，是为了发展“全球快速打击系统”，更是为了继续对中俄构成战略压力；而中俄发展高超音速武器是为了同美国平起平坐，是为了打破美国部署到家门口的反导系统，可谓以其人之道还治其人之身。尽管三国的试验有先后，但是各自的起点和侧重方向不同，因此单纯从试射次数上很难推断究竟谁先谁后。不过，中美都在说对方世界第一，并且各自都进行了多次成功试射，而俄罗斯竟说自己才是世界第一，也只有最近的一次才算真正成功，三国之间弹着不同的调子，这里面究竟隐藏着什么样的战略考量，想必大家也不难猜出一二。
WU-14、YU-71和AHW都被认为属于第一代实用化高超音速滑翔武器，即使用弹道导弹发射的双锥体气动外形的高超音速滑翔弹头，可能主要用于投射核武器。
可以说，中国在高超音速滑翔弹头实用化方面，已经取得了相对有利的地位，很可能首先实现这种武器实际装备。
不过，高超音速滑翔飞行器也不是没有缺点，首先是体型较大，重量较重，而实际能够携带的有效载荷却较少。至少可以推断，东风-41是无法携带两个高超音速滑翔器执行作战任务的。
那么，WU-14会怎样投入实用呢？鉴于迄今为止WU-14飞行器都是以长征2号火箭发射，笔者在此做一个大胆的推测：
中国可能将研制与俄罗斯“萨尔马特”概念相似的新一代液体燃料洲际导弹。
我们可能以现有东风-5导弹为基础，结合长征7号运载火箭技术，研制一款弹体直径3.35米，携带一个或多个高超音速滑翔核弹头的新型洲际导弹。新导弹可继续使用现有东风-5导弹的发射井和加注系统，同时具备突破美国现有和研制中的中、末段反导拦截之能力。
目前，我国现役的东风-5A导弹已经落后。外界根据长征-2号丙火箭数据推测，现役的东风-5A导弹重量180吨左右，投掷重量3.1吨。而俄罗斯SS-18“撒旦”的起飞重量209吨，投掷重量高达7.5吨。从这个投掷重量和自重的比例来看，现役的东风-5可能只相当于美国的“宇宙神”到“大力神”之间的水平。
事实上，我国东风-5导弹的弹体部分实际上与长征2号丙火箭的第一、第二级没有重大区别。但现在长征2号火箭的发展已经进入了全新的时代——长征7号运载火箭（研制阶段曾被称为“长征2号F换发型”，可见长7和长2的继承关系）即将在今年首飞。这种火箭继承了长征2号的3.35米直径箭体，但从结构材料到发动机都已经是全新的设计，各方面性能有了长足的进步。利用长征7号的技术“反哺”东风5号导弹是完全可行的。
当然，我国运载火箭技术早已与东风导弹“分道扬镳”，将长征7号直接当做洲际导弹是不现实的。例如，长征7号的YF100火箭发动机采用了液氧煤油燃料，这显然不符合洲际导弹的要求。如果将YF100的部分技术用于研制一种使用四氧化二氮/偏二甲肼燃料的新型发动机，并不会需要花费太多的资金和时间，而发动机的性能却可以比东风-5现役发动机有巨大的提高。
按照理论计算，如果以长征7号芯一级、二级为基础，并按照相关公式换算成与YF100技术水平相当的四氧化二氮/偏二甲肼发动机，那么新导弹的性能完全可能大大超过被称为“撒旦”的SS-18洲际导弹。而研制周期，粗略推测有望控制在5年以内。
鉴于我国每年要进行数十次航天发射，其中主要运载工具就是长征2号和未来的长征7号，一旦新导弹定型，很快就可以全部替换现役所有东风-5A和B型导弹。而这些换下来的老弹也完全不必浪费，作为长征2号火箭用来发射卫星即可。
新型洲际导弹——我们姑且称之为DF-5H（东风5换发）型——可能面临的另一个问题是是否要采用可储式燃料技术。中国完全可能通过俄罗斯和乌克兰获得这方面技术，自行研发也完全可能。只不过，如果要在最短时间内要完成DF-5H导弹研制的话，或许不必强求采用苏俄那样高水平的可储式燃料。
现役的东-5导弹在局势紧张时，加注后可以存放数个星期随时待命，这样的技术水平对于我国所奉行的核战略其实也够了——当然，如果能做到苏联导弹那种加注后“十年不用管”的水平就更好了。
研制这种导弹还有一个重要的好处，就是可以充分利用现有的发射设施。现有东风-5导弹的发射井是我国80-90年代建造的，造价十分昂贵，弃之可惜。
DF-5H将是WU-14高超音速滑翔弹头的“最佳搭档”。它将有可能携带2-3个高超音速滑翔弹头（由于滑翔器重量较大，即使DF-5H性能大有提高，但携带弹头的数量肯定还是要下降），射程则可能达到14000-16000公里，甚至更远，实现当年我国规划中的东风-6“环球导弹”（部分轨道轰炸）的梦想。
再强调一次，上述的种种，是根据传闻、消息和逻辑演绎的推测，如果与现实中的中国核战略系统发展方向对了号的话，那绝对是巧合。
相信看到这里有不少读者已经觉得我国核力量的未来是一片光明。但不要忘记即使上面说的新三弹，DF-5H、DF-41和JL-3都顺利在未来10年内服役，我国面对美国依然处于守势地位。我国将依然奉行防御性核政策，不会像美苏当年那样，以对方的核导弹为目标，企图赢得核战争——这是一种疯狂的行为。
美国的军费依然是我国的两倍以上，美国的核力量仍对我们有很大优势，美国的科技实力仍然让我们只能说是“望其项背”。不能否认，中国近年来的高速进步让我们已经跟到了美国身后，但要说全面超越，那不是一朝一夕的事情，在军事层面也是如此——革命尚未成功，同志任需努力。
（来源：新浪军事，参考消息，中国青年网，机械加工交流；材料+编辑整理）
美或十年内拥有高超音速武器
专家回应中国试验
【环球网军事5月1日报道】美国《国家利益》双月刊网站4月27日刊发题为《美国空军首席科学家说高超音速武器将在本世纪20年代就绪》的署名文章，作者“侦察勇士”网站总编辑克里斯·奥斯本在文章中称，空军将很可能在本世纪20年代拥有高速、远程和杀伤力强的高超音速武器，从而提供能够以5倍音速奇袭数千英里外敌方目标的动能破坏力量。
空军首席科学家格雷格·扎卡里亚斯在接受美国《国家利益》双月刊采访时说：“空速使它们的生存能力大大增强，想击落它们的难度大得多。如果给它们装上足够的燃料，它们就能飞越很远的距离。它们的速度大致为每秒1英里(1英里约合1.6公里)，因此如果装填够用1000秒的燃料，那它们就能飞越1000英里，这样一来就拥有很强的远射能力。”
文章称，尽管空军和五角大楼的科学家迄今已经取得相当大的进展，但在高超音速飞机和武器做好参加实战的技术准备之前，仍有很多工作要做。
扎卡里亚斯补充说：“现在我们正把注意力集中在完善技术上，涉及所有零部件、导航控制、材料学、弹药、热传递以及其他所有问题。”
扎卡里亚斯解释说，根据当前的进展情况，空军将很可能在本世纪20年代的某个时候拥有一些初级的高超音速武器。而在更往后的本世纪30年代，空军可能会拥有一款高超音速无人机或ISR(情报、监视和侦察)飞机。
文章称，一款超高速的无人机或ISR平台将能够更迅速地进出敌人领地，并在不被敌方雷达发现或不被敌方击落的情况下更好地传回重要影像。
但是扎卡里亚斯补充说，到本世纪40年代，空军很可能会拥有一款既可以进行监视、又可以投送武器的高超音速ISR“打击”平台。
以高超音速行进会让进攻一方发射的导弹更容易地摧毁目标，比如敌方舰只、建筑物、防空系统，甚至是无人机和固定翼或旋翼飞机。
以高超音速行进的武器的一个重要特点是，它们将给希望防御它们的敌方目标制造严重麻烦——敌方目标将仅有数秒时间来对逼近或即将到来的袭击作出反应或进行防御。
文章称，高超音速武器将很有可能被设计为“动能”打击武器，这意味着它们将不使用炸药，而是单纯依靠速度和冲击力来摧毁目标。
不同高度的音速也不同，地面的音速约为每秒1100英尺(1英尺约合0.3米)。因此，如果一件武器上装填了可用2000秒的燃料，它就能打到远至2000英里外的目标。
扎卡里亚斯说：“如果你能控制在低高度和5马赫速度，那你就能打到很远的地方。”
尽管高超音速武器、拦截导弹或飞机的潜在防御性用途也在研究范围之内，但是当前的最主要工作，是设计出可以迅速摧毁极远距离外的敌方目标的攻击性武器。
文章称，可以通过扎卡里亚斯所说的“助推滑翔”技术研发一些高超音速飞行器，这意味着这些飞行器会飞至地球大气层以外的太空，然后作为再入大气层飞行器来利用俯冲速度打击目标。
比如，扎卡里亚斯以上世纪50年代试验性的助推滑翔飞机X-15为例，该飞机旨在飞到地球上空67英里的地方，然后重返地球。
文章称，扎卡里亚斯对最近有关中国声称测试一款高超音速武器的新闻作出了回应。中国的这一举动在五角大楼领导层以及威胁分析人士中间引发了担忧。
尽管有些五角大楼官员曾说中国人在研发高超音速武器方面取得了进展，但是扎卡里亚斯强调说，中国对这一努力的许多细节都保密，因此无法获得相关的公开消息。
尽管如此，如果中国拥有远程高超音速武器，这可能会极大影响五角大楼对当前局面以及反介入/区域拒止的认知。
高超声速飞行器特点及应用前景
高超声速飞行器是一种大空域、超高速、长距离、高精度的新型飞行器。其结构特性、动力学特性、飞行特性、环境特性比一般飞行器更为复杂，且存在较大的相互耦合；机身的材料、动力、防护特性，以及外部湍流、转捩等环节都将对飞行器的飞行性能和控制性能产生很大的影响。
基本概念
高超声速飞行器是指飞行速度超过五倍声速的飞机、导弹、炮弹等有翼或无翼飞行器。该类飞行器包括高超声速导弹、空天飞机、高超声速侦察机、高超声速运输机、可重复使用天地往返飞行器等。
高超声速技术是集航空、航天、材料、气动、控制、优化和计算机于一体的多学科交叉研究领域，高超声速飞行器涉及发动机、结构外形设计、材料研制、气动受力分析、控制算法开发、优化和计算机等众多技术，是航空航天技术的战略制高点。这种飞行器在距离地面20~100km的空域执行特定任务，它既有航空技术的优势，又有航天器不可比拟的优点，既能在大气层内以高超声速进行巡航飞行，又能穿越大气层做再入轨道运行，具有很高的军事和民用价值，是未来进入空间并控制空间、保证控制优势的关键支柱，同时也是对空间进行大规模开发的载体，是一种具有广阔开发前景的飞行器。
高超声速飞行器的整体布局采用机身-发动机一体化的特殊设计结构，使得各个子系统之间具有强耦合性和强非线性；大空域、长距离的复杂飞行环境，给系统带来更多的不确定影响。因而，高超声速飞行器与传统飞行器相比，是一个带有强非线性、强耦合、快时变、不确定等特性的复杂对象。
近半个世纪以来，由于巨大的军事价值和潜在的经济价值，高超声速飞行技术受到美国、澳大利亚、俄罗斯、德国、法国、印度、日本和英国等航空航天强国的广泛重视和深入研究,积累了大量成功和失败的经验，人类对高超声速技术的认识不断深化。
高超声速飞行器特点
高超声速飞行器的特点主要体现在模型结构非线性、模型参数非线性、约束条件非线性等引起的强非线性特性；机体发动机一体化设计、流固耦合、弹性体与刚体间的耦合、通道耦合等引起的强耦合特性；大空域飞行、高超声速流、质量变化等引起的快时变特性；未建模动态、数据稀缺、弹性变形、随机干扰等引起的不确定特性四个方面。
高超声速飞行器特征
1. 强非线性特点
（1）模型结构非线性：该类飞行器气动布局特殊，数学模型结构上表现为高阶的非线性微分方程。高超声速飞行器的速度、航迹角、高度、攻角、俯仰角速度等状态变量的导数是飞行状态的非线性函数，体现了模型结构的非线性。此外，飞行器结构弹性是两端自由的Euler-Bernoulli梁偏微分方程模型。在该模型里，飞行器前机身的形变将会影响超燃冲压发动机的进气管条件、推力、升力、阻力和转矩，且这种影响也是通过非线性的形式进行描述的。完整的飞行器横纵向模型，在纵向模型的基础上，又加上了三个横向自由度的运动，且这种横向运动也是通过微分方程的形式进行描述的，整个飞行器系统模型，相对于纵向模型，其表现出来的非线性更强。
（2）模型参数非线性：模型结构中的参数，主要是升力、阻力和推力，是依赖于飞行状态的高阶多元非线性函数。升力系数、阻力系数及发动机推力系数，是随马赫数和攻角变化的非线性函数，当攻角在小范围变化时，可以对气动力采用近似线性化的方法进行处理；当攻角在大范围变化时，只能通过非线性的方式来描述气动力系数与飞行姿态的内在联系。当考虑到高超声速飞行器机体发动机以及通道间耦合影响时，飞行器的气动力系数在与飞行器姿态相关的同时，与飞行器的控制舵面也存在着很大关系，使得飞行器在综合力学特性上表现为多个参数之间相互交叉影响的非线性关系。
（3）约束条件非线性：高超声速飞行器在飞行过程中，受到一些约束条件的影响，如飞行过程中的热流、动压约束、过载约束以及执行器饱和等，这些约束是通过飞行状态的非线性函数来进行定量描述的。鉴于高超声速飞行器的强非线性特性，很难使用传统的线性模型表述其运动规律，因此建立非线性模型是高超声速技术发展的关键。
2. 强耦合特点
（1）机体发动机一体化设计：为获取足够大的推力，提高升阻比以及减少燃料负载，高超声速飞行器采用机体/发动机一体化结构，飞行器的一体化结构使得机体与发动机间存在着强烈的耦合影响。机体对发动机的影响主要体现在机体的前体上，前体作为发动机进气道的压缩面，气流经前体初步压缩后由进气道流入发动机，当高超声速飞行器的前体发生变化时，将导致飞行器攻角的变化，而攻角变化将影响发动机燃烧动力学特性，从而对推进系统的性能产生重要影响。此外，推力和进气道的压力也受俯仰控制舵面的影响，随着俯仰角速度的改变，发动机的燃流率和扩散率也相应发生改变。发动机对机体的影响主要体现在高超声速飞行器的后体上，它包括两部分内容：第一部分是由于发动机推力不过质心而产生的额外俯仰力矩；第二部分是机体后缘作为发动机尾喷管的一部分，发动机尾喷管产生的推力气流，会影响机体后缘的流场分布，导致飞行器后体产生额外的升力，后体升力的增加进一步会造成机头向下倾斜，产生低头力矩，给机体的稳定控制带来困难。
（2）流固耦合：在分析高超声速飞行器的流体力学与固体力学相互交叉作用时也将体现强烈的耦合作用，这种耦合是一种流体加热和固体传热的耦合现象。当流体以高速流过机身时，流体通过压缩激波和摩擦，在机体表面形成具有较高梯度的边界层，产生很大的热流，作用在机体表面，随着机体温度的升高，会引发机身一定程度的变形，变形的机体在流体载荷的作用下又会进一步产生相应的颤振，反过来机身的变形以及机身温度的变化又影响流体的流场，从而改变流体载荷的分布和大小，进而改变气动加热，也使得流体对机身的作用力产生相应的变化，而且这种耦合影响不能通过简单的线性关系来描述，是一种非线性耦合。高温效应以及黏性效应就是由于高速流体作用在机体而产生的。
（3）弹性体与刚体间的耦合：飞行器高速飞行时，流体在流经机身时，会产生气动热，气动热本身会降低机体的刚度，导致机身发生一定程度的弹性变形，机身的弹性变形进一步导致高超声速飞行器攻角在一定范围内的扰动，引起飞行器升力、阻力以及发动机推力的变化，同时，机身弹性变形引起飞行器周围流场的变化，进一步加剧飞行器受力的改变，飞行器弹性体产生的上述影响，都将通过飞行器受力的变化影响刚体的运动。反过来，刚体运动状态的改变，如飞行速度、攻角等的变化，将直接影响飞行器的受力，飞行器受力的变化，将对弹性体的变形产生进一步的影响。
（4）通道耦合：高超声速飞行器通道间的耦合主要是指飞行器俯仰通道、偏航通道及滚转通道三通道运动模态之间的耦合。飞行器所受的作用力（主要包括气动力、发动机的推力及飞行器自身的重力），是影响每个通道的主要因素，由于这些力的存在，飞行器在不同姿态下受力情况就有很大的差异，致使高超声速飞行器的任何一个通道的运动都会影响另外两个通道的受力与运动。把这种影响强行看成很小而加以忽略只在特殊的飞行状态（巡航飞行）下才能近似成立。但是，当高超声速飞行器在做机动飞行时（如高速转弯），由于升降舵和偏航舵的偏转会导致飞行器的俯仰角、攻角、速度及相应的控制舵面发生快速的变化，而飞行器产生的滚转力矩是依赖这些状态量及控制量的函数，从而最终导致飞行器滚转通道的滚转力矩的变化，影响滚转通道的稳定性；另外，当飞行器实现滚转机动飞行时，会造成飞行器周围流场的变化，进而导致飞行器受到的气动力改变，从而对俯仰通道和偏航通道产生影响。在建模的过程中，必须深入考虑这些耦合作用的影响，将其以合适的形式反映在数学模型中，才能辅助地面试验和研究工作的开展，使得控制工作者更好地了解高超声速飞行器特性。
3. 快时变特点
（1）大空域飞行引起的时变：由于高超声速飞行器飞行过程中跨大空域、高速飞行的特点，以及飞行器高低空气动力特性的巨大差异，导致飞行器的动力学特征和模型参数在飞行中变化非常显著，体现着飞行器气动特性和模型参数的时变性。
（2）高超声速流引起的时变：高超声速飞行器在大气层内飞行时，由于高超声速气流引起的局部流场中激波与边界层的干扰，导致飞行器表面上的局部压力及热流率的变化，进一步加剧了气动力的时变特性。
（3）质量变化引起的时变：高超声速飞行器耦合产生的弹性形变，导致飞行器质量分布不断改变，再加之飞行器燃料的快速消耗，都将造成飞行器质心具有一定的时变特性，而惯性矩是飞行器质量的时变函数，因此飞行器质心的时变特性会使得整个飞行器系统体现一定的时变。传统的单一平衡点形式的高超声速飞行器数学模型很难适应这种快时变特性，因此需要研究能反映真实特性的高超声速飞行器数学模型。
4. 不确定特点
（1）未建模动态引起的不确定：主要包括高温效应及黏性效应导致的边界层增长，以及非标准大气和不稳定大气效应。边界层的变化，导致飞行器的有效气动表面不再是机体表面，而是机体表面加上边界层，而边界层的变化难以用精确的解析形式进行描述。因此，通常将边界层对控制的影响，通过气动力不确定的形式进行处理。高超声速飞行器实际飞行过程中，由于大气环境的复杂多变，将导致采用的标准大气模型并不能反映真实的大气环境，在控制上由于非标准大气和不稳定大气效应，经常被处理为升力和阻力的不确定进行描述。
（2）飞行试验数据稀缺引起的不确定：鉴于高超声速飞行器空气动力学现象的复杂性，除了理论分析和数值计算，大型风洞试验已经成为研究气动特性最为重要的手段之一，但是，由于地面硬件测试设备的局限，以及其他技术难题未解决使得无法真实地模拟飞行器的飞行试验，致使空气动力学试验数据稀疏，利用风洞数据建立的空气动力学数据库存在着一定程度的不确定性。
（3）弹性变形引起的不确定：高超声速飞行器由于自身的弹性结构及高超声速飞行的特点，飞行过程中势必会引起机身的弹性变形，一方面，机身的弹性变形会导致飞行器周围流场的变化，影响飞行器的受力不均匀，存在一定的扰动，在实际飞行控制中，可以将其作为不确定进行处理；另一方面，机身的弹性变形也会导致飞行器攻角在一定范围内的扰动，由于飞行器的气动力及发动机推力是与攻角相关的函数，攻角引起的扰动在控制上将间接表现为飞行器升力、阻力以及推力的不确定。
（4）随机干扰引起的不确定：诸多随机干扰因素对高超声速飞行器的飞行状态有着重大的影响。燃料的激荡性、燃料消耗所引起的飞行器的质量变化，导致飞行器的质量重新分布进而引起旋转速度干扰，影响到舵机和其他力矩。此外，飞行过程中的大动压、湍流和转捩会引起舵面颤振，以及外界的阵风干扰，进一步加重了模型和参数的不确定性以及随机干扰等控制上的问题。这些非模型因素相当复杂，且会影响高超声速飞行器的稳定性，将其作为飞行控制中的不确定是处理该影响的一种途径。如何在这些不确定情况影响下，建立安全可靠的高超声速飞行器数学模型是高超声速技术发展的关键。
高超声速飞行器应用前景
高超声速飞行器使得人类实现了高超声速飞行的梦想，大大缩减了高空长距离飞行所需的时间，将成为未来进入空间飞行的高可靠性飞行器，先进的吸气式超燃冲压发动机、独特的外形设计、高空长距离的飞行能力，使得低成本太空交通以及全球可达成为可能，该项技术的发展在进入空间、占领空间控制权，并对空间进行大规模开发起着至关重要的作用，在工业和军事领域都将受到广泛的应用。高超声速技术是21世纪航空航天领域战略制高点，具有快速打击和远程投送能力，成为当今世界强国关注的战略发展方向，其科学问题具有前瞻性、战略性和带动性。
在军事上，高超声速飞行器的开发，将带领快速精确打击武器时代的到来。全球可达、远距离精确打击将是高超声速武器的重大优势。由于其可以在大气层内自行加速至5Ma以上，所以可以具有更快的飞行速度和更高的机动性。高超声速武器在打击目标上具有传统武器难以比拟的优势，是一把快、准、狠的尖刀，拦截难度高，破坏力强，是近空间飞行领域的霸主，具有很大的战略意义。
在民用上，一方面高超声速飞行技术将成为快速运输的里程碑式成果，全球快速可达可以大大拉近不同地域之间的人员和物资距离，提升运输效率，为全球经济发展提供新的增长点，并改善人类的生活方式及生活水平。由于其速度上无可比拟的优势，高超声速飞行器在民用运载上将带来极大的经济效益。另一方面，高超声速飞行器的开发，将使得高效率、低成本的空间利用成为可能。高超声速飞行器具有对地球高层大气和外层空间所进行探测的能力，为将来的星球探测、星球之间的运输提供服务。高超声速飞行器在空间开发上具有强劲的实力，为深空探测提供了更加可靠、可控性更强的工具，同时使得空间移民、开辟地球外新家园成为可能。
（来源：科学出版社，本文由安静摘编自宗群、曾凡琳、张希彬、尤明著《高超声速飞行器建模与模型验证》第1章，内容有删减）
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