高超动态｜详解美澳马赫数7+乘波体高超声速飞行试验
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据美国《航空周刊》透露，2017年7月，美国和澳大利亚合作的高超声速国际飞行研究试验（Hypersonic International Flight Research Experimentation, HIFiRE）项目在武麦拉靶场完成了一次飞行试验。此次飞行试验编号为HIFiRE 4，是HIFiRE项目9次飞行试验中的第8次。试验中采取的乘波体飞行器飞行速度达到Ma 7以上。虽然本次试验总体上取得成功，但助推火箭携带的两架试飞器中有一架在分离后很快与地面失去联系，未能按计划完成其预定飞行任务。
图1 HIFiRE 4助推火箭点火瞬间
HIFiRE项目背景
HIFiRE项目是美澳合作开展的一项高超声速基础技术研究计划，由美国空军研究实验室（AFRL）和澳大利亚国防科学技术组织（DSTO）共同牵头，波音公司、昆士兰大学、BAE系统公司、德国DLR等参与。该计划于2006 年11 月10 日正式启动，迄今已实施10余年。
HIFiRE 项目主要通过开展低成本的飞行试验来研究基本的高超声速现象，开发并验证用于下一代高超声速系统的基础技术。研究的技术领域涵盖推进、气动力、气动热、耐高温度材料和结构、热管理策略、制导、导航与控制、传感器和武器系统部件。HIFiRE项目研究成果将有助于完善航空航天飞行器的设计数据库，同时加快提升全球快速打击和快速响应空间进入能力所需的关键技术成熟度。
图2 HIFiRE计划试验安排及弹道示意图
HIFiRE 4基本情况
飞行器基本方案
与以往几次飞行试验不同的是，HIFiRE 4试验共有两个乘波体试飞器，均搭载VSB-30两级探空火箭进行发射。两架试飞器以背靠背的方式安装在VSB-30火箭头部直径750mm的整流罩内。如图3所示。
图3 两架HIFiRE-4试飞器以背靠背的方式安装在VSB-30火箭头部的整流罩内
图4 HIFiRE 4试飞器三视图（采用吻切锥乘波外形）
试飞器长约2.1米，质量约100千克，采用了吻切锥乘波体构型，如图4所示。试飞器上表面附有圆柱型机身以装载子系统，乘波体机翼的弦外部分截短以适应载荷遮板内部空间。垂直稳定翼安装在截短的翼尖上来保持水平稳定，同时使乘波体压力水平保持在机翼下表面上。两架试飞器在大气层外均采用低温气体推进器进行机动控制，再入大气层时转为使用升降舵进行大气层内控制。此阶段采用了不同的控制算法，分别由波音公司和DSTO/BAE系统澳大利亚公司开发。HIFiRE 4试飞器总体布局如图5所示。
图5 HIFiRE 4试飞器等体积视图（表示外部特征）
试验目标及需求
HIFiRE 4试验从科学探索、试验技术本身以及高超声速飞行器系统的验证等方面设定了一系列试验需求，包括收集先进乘波体构型的气动、稳定性和控制等方面的相关数据，开发和验证高超声速助推-滑翔飞行器的助推器分离和姿态控制解决方案，开发和验证大气层内外的飞行器控制等。HIFiRE 4是后续飞行试验HIFiRE 8的前奏，后者将集成HIFiRE 4的机身以及HIFiRE 7的超燃冲压发动机。
HIFiRE 4飞行试验任务规划及实际试验情况
飞行试验过程描述
HIFiRE 4飞行试验的主要任务是演示大气层外分离、高度控制和大气层内高超声速助推-滑翔飞行器的控制方案。试验任务包括发射两个试飞器，一个由波音公司研制，另一个由DSTO和BAE系统公司联合研制。任务场景见图6。火箭外筒稳定地旋转，高度为100km时，yo-yo 旋转降速系统展开，外筒旋转速度降低。高度为120km时，释放两个飞行器。发射大约70s后大气层外控制机动开始启动。在此阶段，使用相同的控制策略分别控制两个飞行器。再入前，低温气体推进器通过滚转、俯仰和偏航使飞行器改变方向。在从大气层外到大气层内控制的交接点，两个飞行器攻角为25°，拉起过程中控制系统将在此高度修正飞行器，主要试验在约28km高度处结束。随后DSTO飞行器降落到武麦拉试验靶场。而波音飞行器在28km高度开始次要试验，飞行器将进行完整的拉起至水平飞行，持续控制使之以低亚音速，以较低地下降速度撞击地面。
图6 HIFiRE 4飞行任务示意图（2011年计划）
实际飞行试验情况
HIFiRE 4 原计划2012年10月开展飞行试验。但由于技术、试验靶场等方面的原因，导致进度延误，直到2017年7月才完成飞行试验，其中一架成功，另一架未实现试验目标。
试验中，两架HIFiRE 4试飞器以背靠背的方式搭载在助推火箭的头部。到达120km高度时，飞行器与助推火箭分离，继续爬升至300km高度并随后开始无动力滑翔。两架飞行器结构相同，但采用了不同的飞行控制系统。按照计划，两架飞行器在100km高度再入大气层时，都将执行一个飞行攻角为25°的拉起机动。在28km高度时，主要试验完成。随后DSTO和BAE研制的试飞器完成一些机动动作以提供额外的稳定性信息，而波音研制的试飞器拉起至水平飞行，最终以低速度和低下降率着陆。据《航空周刊》信息透露，试验中有一架飞行器在与助推火箭分离后很快与地面失去联系，未能按照计划完成其预定航程。但目前尚不清楚哪架飞行器成功完成了飞行试验。
据此次试验的工业合作方BAE系统澳大利亚公司宣称，HIFiRE 4是目前为止HIFiRE计划系列飞行试验中最复杂的一次。试验完成后，美澳两国政府均表示此次飞行试验取得巨大成功。澳大利亚和美国目前正在制定下一阶段飞行试验计划，计划于2018年完成HIFiRE 8的试验。
（1）根据两家工业界参与方在试验完成后的表态差异推断，极有可能波音公司的试飞器失败
本次试验中搭载的两架试飞器中有一架失败。目前尚不清楚哪架飞行器成功完成了飞行试验。美澳两国政府均表示此次飞行试验取得巨大成功，但是，从两家工业界参与方的表态看，波音公司拒绝对此次试验做出任何评论，而BAE系统澳大利亚公司则发表声明，宣称“很高兴能够对这次成功的飞行试验给予支持”。从两者的表态差异推测，很有可能失败的那架飞行器是波音研制的。
（2）从此次HIFiRE 4试飞信息保密程度及与后续计划的关联推断，此次试验对美国当前开展的高超声速武器演示验证项目起着非常重要的支撑作用
整个HIFiRE计划定位于高超声速物理现象的研究和基础技术的验证，因此以往飞行试验的报道透明度相对较高。但在本次试验中，多家外媒表示HIFiRE 4是一次秘密的飞行试验，对于飞行数据及技术细节鲜少提及。当前，美国空军正在加紧推动两型空射型高超声速武器演示验证项目——吸气式高超声速武器HAWC和助推滑翔高超声速武器TBG，以实现2020年左右转入武器工程研制阶段，2025~2030年形成装备。前期已通过X-51A、HTV-2以及HIFiRE计划下的系列飞行试验验证了超燃冲压发动机、发动机与机体一体化等关键技术。HIFiRE计划作为连接高超声速技术领域基础科研与工程应用的桥梁，尤其此次试验主要验证飞行器控制并取得成功，标志着其技术上取得了一定突破，高超声速武器化不再仅仅停留在概念层面，而是朝着应用层面更近一步。
（3）从HIFiRE 4的飞行任务规划及后续HIFiRE 8的方案推断，采用“助推滑翔+超燃冲压动力”的复合方案可能为后续美国高超声速武器的潜在技术方案之一。
此次飞行试验中，HIFiRE 4试飞器在再入大气层降至28km时，其中一架试飞器执行拉起机动并保持一段水平飞行。在后续HIFiRE 8方案中，将在HIFiRE 4试飞器的基础上再集成超燃冲压发动机。虽然公开渠道显示，目前美国高超声速武器并行的主要有两种方案——助推滑翔武器和吸气声动力方案，但结合6月20日雷声公司先进导弹系统分布副总裁披露的信息——美国当前除了公开的高超武器项目外，还有诸多保密的高超声速武器研发项目。综合上述几条线索可以推测，采用“助推滑翔+超燃冲压动力”的复合方案也有可能成为后续美国高超声速武器的潜在技术方案之一。
作者：北京海鹰科技情报研究所 张灿 胡冬冬
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