【重磅】2016年世界高超声速飞行器技术发展态势

Original 2017-01-03 胡冬冬等 海鹰资讯

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高超声速飞行器技术作为未来航空航天领域的战略制高点，因其巨大的军事价值和潜在的商用价值受到世界航空航天强国的广泛重视和深入研究。2016年，世界主要大国在高超声速技术领域的竞争愈发激烈，在高超声速打击武器、高超声速飞机以及空天往返飞行器等多个应用方向均呈现加速发展态势。

一

全面加速推进高超声速打击武器实用化发展进程

美国全面加速推进高超声速打击武器实用化发展，加快关键技术攻关

在美国常规快速全球打击（CPGS）体系需求框架下，近年来美国将战术级射程的高速打击武器（HSSW）（射程1000公里左右）和战略级射程的先进高超声速武器（AHW）（射程超过6000公里）作为发展重点，并加大经费投入。

在战术射程的高超声速打击武器方面，HSSW的两个子项目（包含吸气式高超声速武器方案（HAWC）和战术助推滑翔武器（TBG））均已完成初始设计评审，顺利进展到第二阶段。2016年9-10月，美国国防高级研究计划局（DARPA）授予美国洛马公司1.47亿美元的TBG项目合同，并分别授予洛马公司和雷声公司1.71亿美元和1.75亿美元的HAWC项目第二阶段合同。三笔巨额合同的授予表明美国两型战术射程的高超声速打击武器演示验证项目正在按原计划稳步推进。在关键技术攻关方面，为满足全系统关键技术2020年达到技术成熟度（TRL）6的目标，空军研究实验室（AFRL）正在加大导引头、引战等共性分系统领域的研发力度，同时联合雷声公司、轨道ATK公司等积极引入增材制造工艺，着力解决高超声速武器在某些复杂核心部件方面的加工难题。此外，AFRL针对两型高超声速导弹方案的不同技术路线特点，正在加快各自核心关键技术的工程化、实战化步伐。针对吸气式高超声速巡航导弹的实用化需求，由于之前X-51A 验证的超燃冲压发动机采用热起动方式，不适合战术应用，目前AFRL正联合Taitech有限公司、Systima技术有限公司、联合技术公司（UTC）等企业加快超燃冲压发动机冷起动的攻关，以提升高超声速巡航导弹战术使用的鲁棒性。针对战术级助推滑翔型高超声速导弹热防护材料及工艺的技术成熟度（TRL）尚不足5的现状，AFRL 2016年1月以来通过发布“高超声速导弹武器材料和工艺”招标公告，广泛征集相关技术方案，力求加快技术成熟、满足工程化成本约束和大规模制造需求。

HAWC与TBG打击效果图

在战略射程的高超声速打击武器方面，美国海军正联合陆军大力推进AHW项目，发展可装备弗吉尼亚潜艇载荷模块（VPM）的海基AHW。在前期陆基AHW的技术成果基础上，海军已在2015年与国家CPGS团队合作完成了海基AHW首个试飞器FE-1的初始设计评审，2016年将完成关键设计评审，并开始对FE-1进行组装以及系统级试验与评估。计划2017年和2020年分别完成海基AHW第一次和第二次试飞。在关键技术攻关方面，美国国家CPGS团队正在持续加紧开展助推器、载荷投送飞行器、非核战斗部、热防护系统、制导系统以及任务规划等关键分系统的技术成熟和风险降低。

美国先进高超声速武器（AHW）效果图

俄罗斯成功开展多次高超声速导弹试射，高超声速打击体系初露端倪

近年来，俄罗斯采取“吸气式巡航+助推滑翔”两种技术方案并举、核常兼备的总体思路，大力发展高超声速打击武器。2016年，俄持续高调推进战术射程的锆石吸气式高超声速巡航导弹（射程400~600公里）和战略射程的4202助推滑翔武器（含YU-71、YU-74等多个飞行器）（射程超过5500公里，可配装核战斗部）发展，并成功完成多次飞行试验。

在战术射程的高超声速打击武器方面，2016年3月，俄罗斯首次完成海军锆石新型高超声速巡航导弹的陆基试射，并披露后续还将发展潜射型和空射型。该导弹预计将于2020年后进入批产阶段，未来将配装俄“彼得大帝”号核动力巡洋舰及基洛夫级“纳克西莫夫海军上将”号核动力导弹巡洋舰。

在战略射程的高超声速打击武器方面，2016年4月和10月，俄罗斯成功完成了两次高超声速助推滑翔飞行器YU-71的试射（速度可达马赫15以上）。Yu-71计划于2020～2025年间服役，并部署在俄罗斯和哈萨克斯坦边界的栋巴罗夫斯基导弹基地。此外，俄罗斯于2016年6月披露了4202项目下的另一飞行器YU-74。YU-74飞行速度可达马赫10，一枚RS-28萨尔玛特战略导弹可携带24枚YU-74。目前，俄机械制造科研生产联合体正在开展制造和试验基地的结构性改造招标活动，为4202项目的系列化生产做准备。

俄罗斯YU-71高超声速助推滑翔飞行器

印度借力国际力量，稳步推进高超声速巡航导弹发展和关键技术储备

为打造南亚军事强国，印度联合俄罗斯继续推动高超声速巡航导弹布拉莫斯-2项目的进展。作为俄锆石导弹的出口型，布拉莫斯-2设计射程约为300km，速度马赫6。据布拉莫斯航宇公司2016年6月透露，该弹将在2022年启动工程研制，预计2024年完成样弹研制。

此外，为加强关键技术储备，印度国防研究与发展局（DRDO）联合以色列飞机工业公司、英国Cranfield大学等正在推进以碳氢燃料超燃冲压发动机为动力的高超声速技术验证器（HSTDV）项目。2016年3月，DRDO称计划在2016年12月进行HSTDV试飞器的飞行试验，实现在32.5千米高空、速度达马赫6.5的飞行，其中超燃冲压发动机计划工作时间为20~22秒。

二

积极推进高超声速飞机的总体方案论证和先期技术储备

美国加快推进高超声速飞机研发进程，加强关键技术储备

美国试图进一步加快高超声速飞机的研发进度。2016年8月，AFRL发布招标公告，将启动“用于高速作战系统的使能实现技术（ETHOS）”项目，开展包括高速试验科学、高速推进系统、气动结构、建模仿真、飞行器设计和集成五个技术领域的研究。目标是在2025~2028年前实现经整修部分可重复使用的高超声速ISR/打击平台技术成熟度达到6，2035年前实现可快速转场的完全可重复使用的高超声速平台技术成熟度达到6。这两个时间节点相比2014年AFRL高超声速技术发展规划中提出的2030年和2040年提前了5年。该高速平台的飞行速度大于马赫3，巡航速度可达马赫6。早期的验证系统将采用空射方案，用火箭动力达到高超声速巡航速度；未来将采用组合动力，并可实现水平起降。

英国佩刀发动机及其用于云霄塔空天飞机的构想图

除新启动ETHOS项目、以系统性地提升高超声速飞机的技术成熟度以外，美国还在同步加紧高超声速飞机核心关键技术储备。在动力技术方面，美国持续探索涡轮基组合循环发动机（TBCC）、协同吸气式火箭发动机（SABRE，通常音译为“佩刀”）等动力方案工程应用的可行性。鉴于前期宽速域双模冲压发动机技术取得重要突破，2016年2月，DARPA披露将在2017财年正式启动先进全速域发动机（AFRE）项目。该项目将采取“现货涡轮发动机+宽速域双模冲压发动机”方案，开发一种可重复使用的、可在马赫0到5+全速域范围实现连续无缝运行的全尺寸碳氢燃料推进系统，旨在研究确立高超声速飞机TBCC推进系统工程化的可行性。此外，继英国反应发动机公司2016年9月披露了佩刀发动机1/4缩比验证机详细规划后，美国AFRL再次表示，未来或将考虑基于佩刀发动机技术开展高超声速ISR飞机/战斗机的研发。在其他技术方面，美国空军研究实验室（AFRL）2016年授予Allcomp有限公司、应用薄膜有限公司等多个小企业创新研究（SBIR）合同，针对高超声速平台应用开展创新材料方案、长时增强型热防护涂层等领域的研究。

英国披露佩刀发动机的详细规划，发布高超声速快速响应飞机概念

继2015年10月英国反应发动机有限公司公布佩刀发动机改进方案并获得美军评估认可以来，佩刀发动机吸引了更加广泛深入的关注，并在2016年7月获得欧空局（ESA）1000多万美元的资助。

2016年9月，反应发动机有限公司披露了佩刀发动机1/4缩比验证机详细发展规划。该缩比验证机尺寸与F-35战斗机的发动机F135相当，工作速度范围为马赫0~5，地面推力约为20吨，目前仍处于初始设计阶段。规划分为三个阶段，计划于2020-2025年间集成至X-Plane概念机并进行飞行验证，完成发动机可维护性、可靠性等测试以及一体化机身结构方案、高温材料等评估。

英国BAE系统公司继2015年11月购买反应发动机有限公司20%股份后，于2016年7月发布了基于佩刀发动机的高超声速快速响应飞机概念设计方案及作战应用设想。该机采用鸭式布局，飞行速度可达马赫5，主要执行快速物资补给、载荷（无人机）投送以及精确侦察和信息支援等任务。

英国BAE系统公司高超声速快速响应飞机效果图

俄罗斯正在着手开展高超声速六代机和高超声速轰炸机概念设计和论证

2016年6月，俄罗斯联合飞机公司透露，目前已完成高超声速六代机的概念方案设计，预计将在2025年前完成首飞。该机将具备有人和无人可选驾驶能力，并配装远程高超声速导弹。

2016年7月，俄战略导弹部队军事学院阿列克谢·索洛多斯尼科夫中校透露，俄罗斯正在研发高超声速隐身战略轰炸机PAK-DA，该机具备水平起降能力，能在1~2小时内到达全球任何位置，并号称能在100公里亚轨道投放高超声速核导弹。目前该轰炸机的发动机模型已建成并成功进行了测试。

三

持续开展空天飞行器概念论证和先期技术探索

美国持续推动基于可重复使用火箭的太空飞机项目，积极探索基于吸气式组合动力的空天飞行器概念

针对长期以来低成本“快速空间进入”的能力需求，美国近年来两手并重，一方面针对近期应用需求，稳步推动基于可重复使用火箭的空间进入方案的研究；一方面瞄准远期应用目标，积极探索基于吸气式动力的水平起降式空天飞行器概念。

在基于可重复使用火箭的空间进入方案方面，美国DARPA正在推动基于“可重复使用一级运载器+上面级太空飞机”方案的试验性太空飞机（XS-1）项目的发展。目前DARPA已完成XS-1项目第一阶段工作，并于2016年4月发布了第二、三阶段招标通告，计划在2020年前完成可重复使用一级运载器的研制和试飞。XS-1项目的最终目标是验证可重复使用一级运载器按需、快速在10天内完成10次飞行的能力，同时将一个质量约400千克的试验载荷送入轨道，并将单次发射成本控制在500万美元以内。

美国DARPA XS-1效果图

在水平起降式空天飞行器方面，美国在持续开展基于RBCC等动力形式的空天飞行器方案探索的同时，也在积极开展其它技术途径的探索。美国AFRL自2014年与英国反应发动机有限公司签署合作研发协议以来，开始着手论证基于佩刀发动机的空天飞行器方案，并于2016年9月披露了两型基于佩刀发动机的两级入轨空天飞行器概念方案，旨在对云霄塔以外的空天飞行器方案的运载能力和风险进行综合评估。其中一型为第一级可重复使用，起飞总重159吨，有效载荷2.3吨；第二型的第一级和第二级均可重复使用，起飞总重约590吨，有效载荷约9吨。

美国AFRL基于佩刀发动机设计的部分可重复使用空天飞行器方案示意图

印度先后完成可重复使用运载器飞行试验和氢燃料超燃冲压发动机带飞点火试验

印度早在“十一五”规划（2008－2012年）中即明确提出要完成两级入轨可重复使用运载器的技术验证。2016年5月23日，印度空间研究局（IRSO）首次开展了可重复使用运载器技术验证机（RLV-TD）的飞行试验，成功验证了自主导航制导与控制、热防护和飞行任务管理系统。2016年8月28日，IRSO完成了首次超燃冲压发动机带飞点火试验，试验中两台氢燃料超燃冲压发动机成功点火并且获得了正推力，持续工作时间达5秒。两次试验的成功标志着印度在可重复使用运载技术领域迈进了重要一步。

印度可重复使用运载器技术验证机（RLV-TD）效果图

英国转向渐进式途径发展水平起降的空天飞行器

基于佩刀发动机的技术进展，英国启动了“英国未来小型载荷运载器”（FSPL-UK）项目。该项目由英国轨道进入有限公司（OAL）牵头，并联合了BAE系统公司、反应发动机有限公司、流体引力工程公司、格拉斯哥大学等多家企业和机构。项目目标是2020年实现部分可重复使用的两级入轨商业发射系统，2030年实现完全可重复使用的两级入轨发射系统，并为远期单级入轨的云霄塔空天飞行器研制奠定基础。此外，英国仍在同步探索单级入轨的空天飞行器概念。2016年9月，反应发动机有限公司披露正与英国思克莱德大学联合开展具备小规模运载能力的单级入轨空天飞行器的研究，目标是将1吨有效载荷运送到200千米的轨道上。目前已对其飞行轨迹开展了初步分析。

“英国未来小型载荷运载器”（FSPL-UK）示意图

四

加大高超声速基础研究力度，支撑长远可持续发展

美国规划高超声速基础研究下一步工作方向，夯实技术验证条件建设

当前，在美国高超声速打击武器即将步入工程研制的背景下，美国仍将高超声速的基础研究放在重要地位，以支撑后续高超声速飞机和空天飞行器的技术开发，实现高超声速技术更广泛的应用。近两年来，美国三个国家高超声速科学中心正在全面总结第一阶段基础研究的成果以及新发现的现象和问题，以期为确定下一阶段基础研究开展的重点方向提供依据。在新一轮高超声速技术热潮的推动下，2016年4月，美国国家航空航天局（NASA）提出将设立“高超技术专项”，与国防部联合制定“高超声速战略”，为高超声速基础研究领域加大投入，以支撑国防部的相关科研工作，确保美国在高超声速领域的优势。

此外，针对现有高超声速飞行试验手段成本高、准备周期长等不足，2016年5月美国AFRL发布了“经济可承受的高超声速常规实验”（HyRAX）项目的招标通告。项目瞄准2020年后对高超声速飞行器大量密集的飞行试验与鉴定需求，旨在开发一款可重复使用200次的高超声速飞行试验平台，以促进气动、自主控制、传感器、推进、材料和结构等技术的成熟并获取相应科学测量方法。

俄罗斯正在全面推进高超声速技术基础研究，部分领域取得突破

在全面加速高超声速打击武器实战化的同时，俄罗斯正在瞄准未来高超声速运输和空天往返等能力需求，依托2012年新成立的国防预研管理机构——先期研究基金会（FPI），为攻克可重复使用高超声速飞行器关键技术挑战全面开展预先研究。据FPI 2016年10月披露，目前俄科学家正在着力解决热防护材料、控制方法、推进系统、能源供应与维护系统以及通信黑障等多项高超声速技术挑战。

截至目前，已在材料、动力等部分基础研究领域取得重要进展。据FPI 2016年10月透露，当前俄在高超声速飞机材料领域取得突破性进展，其研发的可耐受1500 摄氏度以上高温的碳纤维复合材料领域居于世界领先水平。在高超声速推进技术领域，2016年7月至9月，FPI对世界首台全尺寸液氧-煤油旋转爆震发动机样机进行33次点火试验，利用自适应技术实现了连续爆震，产生稳定推力，工作频率达20千赫兹，成功验证了旋转爆震发动机的技术可行性。

美澳稳步推进HIFiRE计划，持续探索高超声速飞行的基础性问题

作为美、澳在高超声速基础研究领域的重要尝试，过去10年来，“高超声速国际飞行研究实验”（HIFiRE）计划至少己进行了7次飞行试验，在气动、热防护、超燃冲压发动机等领域获得了大量真实高超声速环境下的科研数据和技术成果。2016年5月，澳大利亚国防科学与技术组织（DST）与美国AFRL在澳大利亚南部联合完成了HIFiRE计划第5b轮次的飞行试验。试飞器最大高度达278千米，最大速度马赫7.5，完成了三维流场边界层转捩测量、碳/碳化硅材料性能评估和高性能测温设备验证等多项研究任务。

作者：北京海鹰科技情报研究所胡冬冬刘晓明张绍芳李文杰叶蕾

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