【空天“廖”望】美国空军SBIR/STTR计划透露未来高超声速飞机若干战技指标
《空天防务观察》此前已先后推出2期我中心青年学者、知名空天研究专家廖孟豪先生的独家专栏文章，即“美国空军高超声速飞机发展进展与展望”（3月2日）和“美军未来高超声速导弹武器体系初露端倪”（3月16日），引起极大的关注和反响。本期，廖孟豪先生将为我们解读从美国空军“小企业创新研究计划/小企业技术转让计划”（SBIR/STTR）分析得出的未来高超声速若干战技指标构想。
2015年1月21日，美国C4ISRNET网站报道称，根据美国空军发布的“小企业创新研究”（SBIR）计划2015年项目指南文件，美国空军希望发展一种专门为高超声速飞机设计的合成孔径雷达/地面动目标指示器（SAR/GMTI）雷达，其主要指标包括：在25到30千米高度以马赫数5到7巡航时，该雷达可以1米的分辨力覆盖70千米的地面幅宽。除了完成新型SAR/GMTI雷达的设计外，指南还要求研发和交付一套用于评估不同高超声速飞机构型和飞行剖面下该型雷达性能的仿真工具。
美国《大众科学》2016年6月号中提供的一张洛马公司SR-72高超声速察打一体飞机想象图，详见《空天防务观察》5月29日相关内容（美国《大众科学》杂志图片）
一、美国空军SBIR/STTR计划概况
为鼓励有创新能力的高新技术小企业（在美国境内、由美国公民独立经营且500人以下）参与联邦政府研发工作，上世纪八九十年代美国国会批准实施“小企业创新研究计划”（SBIR）和“小企业技术转让计划”（STTR），要求研发经费较多的联邦部门，需拨出部分资金作为小企业研发项目基金。单个SBIR/STTR项目通常包括三个阶段的合同，其中Ⅰ、Ⅱ阶段总经费通常为90万美元，总周期不超过35个月，主要开展设计和验证研究。Ⅲ阶段为转化应用阶段，经费主要来源于SBIR/STTR之外的渠道，没有固定数额。美国联邦政府每年投入SBIR/STTR计划的经费超过20亿美元，其中国防部是参与该计划最大的联邦部门，而空军则是国防部内SBIR/STTR计划最大的投资者，投入资金约占国防部的30%。美国空军SBIR/STTR计划是一项由空军未来需求牵引的“面向任务”的计划，其主管部门是负责空军装备预研的空军研究实验室（AFRL），该计划对应开展的科研内容被国防部限定在“基础研究”和“应用研究”范畴，研究对象主要集中在前沿技术领域。
二、 2015年度项目指南透露的高超声速飞机若干指标
美国空军SBIR/STTR计划2015年度项目指南于2014年12月由空军提交，并于2015年1月15日获得国防部批准和公开发布。根据公开的指南文件，美国空军在2015年度共发布了193个SBIR专题和40个STTR专题，其中以“高速/高超声速技术”为核心内容的专题数量达10个，为历年最多。
表1 美国空军SBIR/STTR计划2015年度项目指南中高超技术相关专题简介
专题名称 | 主要指标 | 备注 |
高超声速飞行平台用新型SAR/GMTI雷达 | 速度马赫数5-7，高度25-30千米，SAR/GMTI以1米的精度覆盖70千米地面幅宽 | 研发雷达技术，开发和交付用于评估不同高超声速飞行平台和飞行轨迹下SAR/GMTI性能的仿真工具 |
高超声速飞机的电力生成 | 速度马赫数5-6；高度50kft以上；巡航30-60分钟；功率不小于1MW；兼顾冷却和热沉问题 | 开发满足上述指标的新颖的电力生成解决方案 |
高超声速飞行环境对光电/红外传感器的影响 | 速度马赫数5-7，高度25-30千米，EO/IR系统以NIIRS 7级的分辨力覆盖50千米地面幅宽，视场达到50°以上 | 分析高超声速飞行环境对光电/红外传感器的影响，开发消除其中不利影响的策略 |
高超声速系统的新型材料概念 | 适用于高超声速飞行器，可放大尺寸，低成本，可重复使用；包括结构、蒙皮、隔热绝缘、密封、胶接、连接、涂层等材料 | 开发的新型材料技术可在2025年用于高超声速打击武器和在2030-2035年用于高超声速飞机 |
注：其余6个专题分别是：高超声速无人试验飞行器的回收方法、高速结构复合材料的物理损伤建模、高超声速材料选型与集成工具、超燃冲压发动机主动控制、高超声速环境下复杂多物理现象的诊断与测试技术、高速飞行器用环境传感器。
2014年3月美国洛马公司发布的视频截图中的SR-72飞机概念图（洛马公司图片）
（1）高超声速飞行平台用新型SAR/GMTI雷达
本专题研究目标如前所述。SAR/GMTI雷达要在高超声速飞行器上应用将遇到很多难题，包括：高超声速飞行会产生多普勒干扰；过高的入射余角会增加地面干扰；细长的机身限制了天线的尺寸和形状；高速飞行对实时数据处理能力提出了更高要求；雷达信号频率和波形选择需满足天气、孔径、距离等复杂因素；严峻的气动加热会产生天线噪声从而降低信噪比，等等。本专题要求Ⅰ阶段完成雷达系统的初步设计；Ⅱ阶段要求完成雷达系统设计，并开发、交付和验证用于评估不同高超声速飞行平台和飞行轨迹下SAR/GMTI性能的仿真工具；Ⅲ阶段要求开发实用的SAR/GMTI雷达。
（2）高超声速飞机的电力生成
本专题要求开发可在5万英尺（约15千米）以上高度、以马赫数5-6的速度巡航30-60分钟条件下提供不小于1兆瓦功率的电力生成技术。组合发动机在速度Ma3以上时转动部件不再工作，传统的发电方式无法生效。因此当高超声速飞机进入高速巡航状态时，主要的电力生成方式包括通过高温冲压空气或引气发电；利用热电、热离子或磁流体转换等方式收集热量或者流场能量来产生电能，等等。由于高功率和长时间的需求，电池方案不予考虑，但可结合使用。同时，优先考虑能够为任务系统提供冷却或热沉的方案。本专题Ⅰ阶段要求从飞机总体开展权衡研究，识别最佳方案；Ⅱ阶段要求验证关键功能，制定风险降低计划；Ⅲ阶段要求与工业部门合作将新技术应用到飞行器或其他能源密集型的系统上。
（3）高超声速飞行环境对光电/红外传感器的影响
光电/红外传感器在高超声速平台上应用将面临诸多新的挑战：1）高超声速飞行导致的气动加热可以将传感器窗口外的温度加热到1000℃，将严重限制传感器接收信号的信噪比；2）传感器舱内温度通常需要控制在30℃左右，导致窗口需要承受巨大的热应力；3）由于大范围成像需求，光电/红外传感器的视场角要求达到50°，必须配置大尺寸光学窗口；4）振动和大过载机动会降低成像分辨力；5）激波层和附面层会对光电/红外信号产生折射和散射从而降低成像质量；等等。本专题所研究的机载光电/红外系统要求在速度Ma5-7，高度25-30千米条件下可以NIIRS（美国国家图像解译度评价标准）7级的分辨力覆盖50千米地面幅宽；要求开发一套模拟工具用于评估这些因素对传感器的影响，并提供消除其中负面影响的策略。本专题Ⅰ阶段要求集中开展影响分析，提出模拟工具的设计框架；Ⅱ阶段要求完成影响分析的深化研究，完成模拟工具的设计和性能研究，归档、交付和演示模拟工具等成果；Ⅲ阶段要求开发用于光电/红外传感器性能研究的商用工具。
2014年3月美国洛马公司发布的视频截图中的SR-72飞机概念图（洛马公司图片）
三、对美国空军高超声速飞机的简要分析
（1）巡航速度马赫数5-7、高度25-30千米，航程或达5500千米
2011年，美国空军高级官员在国防工业协会会议上透露了马赫数4＋级高速飞机的发展路线图，空军多个部门和官员在2011-2012年间引用过该路线图。但2012年《航空周刊》有报道称美国空军已将高速/高超声速飞机的速度要求提高到马赫数5以上。直到此次项目指南的发布，美国空军没有再披露过高速/高超声速飞机的任何速度指标信息。结合指南文件中多次提到的速度和高度信息，可以确信，美国空军未来高超声速飞机巡航速度和高度将集中在马赫数5-7和25-30千米。指南文件还提到高超声速飞机巡航飞行时间为30-60分钟，按照平均巡航速度马赫数6计算，巡航航程约为3240 -6480千米，取中间值4860千米，加上起飞加速和减速着陆的航程，典型航程可达5500-6000千米。
（2）主要执行对地作战任务，可满足战略和战术级侦察要求
指南文件明确提出了两种重要的任务系统需求，即SAR/GMTI雷达和光电/红外传感器系统，两者都是典型的对地观测系统。指南要求这两种任务系统对地观测幅宽达到50-70千米，单次任务可覆盖30万平方千米以上的面积，可满足战略级侦察要求。同时指南要求SAR/GMTI雷达对地观测精度达到1米的分辨力，光电/红外系统的观测精度达到NIIRS 7级（相当于地面分辨力0.2-0.4米）。根据NIIRS资料，分辨力1米的雷达图像可辨认中型直升机、中型/重型坦克、导弹发射车等目标；分辨力0.2-0.4米的光学图像可辨认战斗机的雷达罩和附件、舰艇上的炮管、地面车辆的通风口、地面发射井的铰链机构等细节；均可满足战术级侦察要求。
（3）将配装新型高能耗机载系统
指南文件提出未来高超声速飞机需要可在巡航状态下长时间提供不小于1兆瓦功率的供电系统。关于电力生成方式，指南提倡采用可兼顾热管理的全新电力生成机理。有资料表明，美国空军曾研究采用热电转换的方式通过收集冲压发动机工作时产生的废热来发电。关于电力使用方式，指南只字未提，但现有的传统机载系统无法消化这么大的供电功率，因此未来高超声速飞机很可能会配装新型高能耗机载系统，如机载定向能武器等。
特别值得说明的是，SBIR/STTR支持开展的研究内容属于基础研究和应用研究范畴，并没有特定的型号背景需求。因此指南文件并不能作为美国空军约束未来高超声速飞机战技指标的法定依据。美军高超声速飞机目前仍处于技术预研阶段，其主管部门正是美国空军SBIR/STTR计划的主管部门——空军研究实验室，因此SBIR/STTR年度指南文件一定程度上反映了美国空军对未来高超声速飞机的认识。美国空军研究实验室主任马谢洛少将2014年曾在空军协会年会和国防工业协会会议等公开场合多次提到，美国空军将在2030年代率先装备使用寿命较短的高超声速飞机。
（航空工业发展研究中心 廖孟豪）
关注本公众号有以下三种方式：
1、点击本文顶部蓝色“空天防务观察”字样，点击“关注”；
2、在微信的“通讯录”-“公众号”中，点击右上角的“＋”号，输入“AerospaceWatch”查到到本公众号之后点击，再点击“关注”；
3、利用微信的“发现”-“扫一扫”功能，扫描下面的二维码：
感谢您的关注！