廖孟豪 ¦ 美国企业公布高超声速飞行试验平台概念方案及研制计划
2018年9月19日，美国平流层发射系统公司在美国佛罗里达州举行的第22届美国航空航天学会（AIAA）国际航天飞机与高超声速系统及技术会议上公布了两型高超声速飞行试验平台的概念方案与研制计划。这两型平台均可从公司研制的超大型双机身载机上发射，无动力自主水平着陆，可重复使用，其中之一是世界上尺寸最大、性能最高的高超声速飞行试验平台。该计划顺应了当前美国高超声速技术高速发展的强劲需求，一旦实施，将显著加速美国高超声速飞机和可重复使用航天运载飞行器的发展。
一、背景与目的
1.美国防部正以最高优先级大力发展高超声速装备和技术
美国历来重视高超声速技术，近年来多次将其列入国防部或军种战略文件，作为最重大的数个技术方向进行重点发展。2018年3月，新任美国防部负责研究与工程的副部长格里芬宣称，高超声速将是其任期内要推动的最高优先事务。目前，美国在高超声速装备和技术领域的年度国防预算投入已经超过10亿美元，并且还在快速大幅增长。系统级重大科研项目包括6个高超声速导弹型号和演示验证项目、3个高超声速飞机技术验证项目和1个可重复使用航天运载飞行器演示验证项目，全面覆盖了导弹、飞机和航天运载器等三大高超声速技术分支方向。按照当前计划，2020年要完成导弹原型机研制、飞机发动机地面验证和可重复使用航天运载飞行器飞行验证。
2.美空军正新建高超声速飞行试验能力以加速高超声速技术发展
飞行试验是开展高超声速装备技术攻关不可或缺的关键手段。同时，当前高超声速基础理论和地面试验手段的欠缺，又进一步突显了对飞行试验的依赖性和重要性。美国对此有充分认识和深刻体会。早在上世纪六十年代就通过成功实施X-15验证机项目，获得了大量高超声速飞行试验数据，为当时大批高超声速风洞校准和后续航天飞机成功研制奠定了坚实基础。2016年，美空军发布“高频次低成本高超声速飞行试验平台”（HyRAX）项目，旨在通过研制试飞一型可重复使用的高超声速试飞平台，用于开展高频次、低成本、航时较长的高超声速飞行试验，以全面提升高超声速气动、自主控制、材料、推进、结构和机载系统等技术的技术成熟度。项目计划制造3架试飞平台，要求每架寿命达到200～400架次，计划2020年前实现平台首飞，用于支撑2025年前完成各类飞行试验。
3.美企飞行试验平台旨在满足公司自身发展和外部市场两大需求
美国平流层发射系统公司此次提出高超声速飞行试验平台计划当然是看到了美军对这类平台的急迫急需。公司在文件中明确指出，将与工业部门合作开发可用于美国政府各类高超声速科研项目的飞行试验平台，具体包括气动力／热、高温材料、飞行控制、设计工具验证，以及吸气式高超声速推进技术（进气道／流道、超声速燃烧、后机身／尾喷管、组合发动机、等离子控制等）和火箭发动机技术（液体火箭发动机、低温油箱、低温推进剂管理等）。除此之外，更为重要的是，美国平流层发射系统公司首要定位是航天运载供应商，正在研制系列航天发射运载器，包括多型小至中等载荷的空射运载火箭以及一型完全可重复使用的航天飞机。而此次新公布的两型飞行试验平台可作为一个重要的垫脚石，为这些运载器提供宝贵的技术储备和运行经验，降低其研制风险。
二、方案与计划
美国平流层发射系统公司公布的两型高超声速飞行试验平台是缩比关系，其中小型平台命名为“高超-A”（Hyper-A），大型平台为“高超-Z”（Hyper-Z），二者外形、动力等均相似，分别定位于马赫数6级和马赫数10级飞行试验平台。相比而言，“高超-Z”大型平台是公司的发展重心。
●图1 “高超-A/Z”高超声速飞行试验平台构想图（平流层发射系统公司图片）
1.概念方案设计
“高超-A/Z”平台采用无人驾驶设计，采用大后掠三角翼加翼尖垂尾布局；动力采用公司自研、推力可调的液氢液氧火箭发动机，低温油箱采用商用货架产品；机身上表面综合应用了西亚斯－哈克（Sears-Haack）面积分布和超声速面积律等特征；机身下表面则非常平坦，主要用于安装推进系统或流道结构等载荷进行相关试验，也可安装翼状结构进行边界层转捩或其他高超声速试验；同时机身内部也有空间用于安装试验所需的相关设备和仪器等。
表1 “高超-A/Z”平台与X-15验证机的总体参数（平流层发射系统公司发布）
“高超-Z” | “高超-A” | X-15 | |
机长 | 25.5米 | 8.6米 | 15.5米 |
翼展 | 9.9米 | 3.5米 | 6.8米 |
起飞总重 | 约29.5吨 | 2.7吨 | 15.4吨 |
最大飞行速度 | 马赫数10+ | 马赫数6+ | Ma6.7 |
最大飞行高度 | 150千米 | - | 108千米 |
发动机推力 | 91吨级 | 2.8～4.5吨级 | 最大25.9吨 |
●图2 试验载荷（红色部分）通常安装在“高超-A/Z”平台平坦的机腹下方
2.运行概念构想
“高超-A/Z”平台搭载“平流层发射”载机从跑道上起飞爬升至高度10千米、马赫数0.6左右后，与载机分离，火箭发动机点火加速，按照既定计划自主飞行，最后采用无动力滑翔方式在常规跑道上水平着陆。“高超-A/Z”平台是可重复使用平台，每次飞行后仅需要开展最小程度的维护工作，包括补充推进剂、轻微修护热防护系统以及常规检查和维护。
●图3 “高超-A/Z”平台及其“平流层发射”载机（载机翼展117米，是全球翼展最大的飞机，最大起飞重量590吨，最大挂载重量高达247吨）
“高超-A/Z”平台能以水平加速模式和助推滑翔模式等两种典型方式进行飞行，以满足不同的飞行试验要求。水平加速模式可在稠密大气层内达到最大马赫数、最高温度等条件，助推滑翔模式则可爬升进入外太空／亚轨道、达到最大高度并获得滑翔再入大气层的飞行条件。
●图4 “高超-Z”平台水平加速模式的典型飞行剖面（在马赫数0.63、高度9千米与载机分离，发动机点火69秒后达到速度马赫数7.1、高度27.7千米，进入水平加速状态；发动机点火103秒后关机，达到最大速度马赫数11.0，进入无动力滑翔状态；从载机分离约300秒后在跑道上水平着陆）
3.研制进展与计划
目前，平流层发射系统公司科研团队的工作主要聚焦于“高超-A/Z”的计算流体力学（CFD）分析，以及它们与载机的挂载方案。公司已经在美国海军学院马里兰州的4英尺×4英尺（约1.22米×1.22米）亚声速风洞中完成了3.5英尺（约1.1米）缩比模型的风洞试验，为近进着陆设计提供了初始数据，计划2018年秋季在美国航空航天局（NASA）马歇尔航天飞行中心的跨声速风洞中开展部分高速和高超声速风洞试验。如果进展顺利，“高超-A”平台将最早在2020年进行首飞，“高超-Z”则最快可2025年实现首飞。其中“高超-A”的一个重要作用是为“高超-Z”降低技术风险。
此外，“平流层发射”载机目前正在加州莫哈维基地进行飞行前测试，2018年2月已完成了高速滑跑试验，计划2019年首飞。
三、前景分析
1.总体方案技术可行性高，但在技术集成上仍需开展大量工作
“高超-A/Z”平台要求飞行空域大、飞行速域宽、可重复使用，涉及大空域宽速域气动布局和飞行控制技术、变推力可重复使用液体火箭发动机技术、大热流高温热防护技术等关键技术，但这些技术美国依托X-15、航天飞机、X-37B等项目均有雄厚的积累，况且“高超-A/Z”平台没有载荷、航程或航时等要求，设计空间更大，技术可行性更高。但由于“高超-A/Z”毕竟达到了高超声速范围，气动、控制、结构、材料、动力等技术高度耦合，即使每项技术都成熟，光是技术集成就需要开展大量的设计和试验工作，因此研制“高超-A/Z”的工程难度并不小。
2.设计理念上更重视性能而不是成本，不全是市场化的考虑
从目前公布的方案来看，突出的性能是两型平台，特别是“高超-Z”平台的最大亮点。最大起飞总量近30吨，最大速度超过马赫数10，最大高度达150千米，这些性能指标是空前的，堪称全球最大的高超声速飞行试验平台，但这同时也带来了成本高的问题。该平台估计光研制费就需要数亿至数十亿美元，再加上运行费用，综合下来每次飞行试验的成本不会低。当然，总重仅2.7吨的“高超-A”更具成本优势，但它却采用载重高达250吨的载机来发射，同样会面临极大资源浪费的问题，进而造成成本虚高。事实上公司在文件中也只字未提成本的问题。然而，美空军最重视高超声速飞行试验的成本问题，新启动的HyRAX项目明确要求高超声速飞行试验平台必须能够低成本、高频次地使用，并要求可重复使用200～400架次。目前参与竞标的美国时代轨道公司GO1飞行试验平台也采用空射方案，总重仅1.2吨，载机为非常成熟的NASA C-20飞机（总重仅32吨）。因此分析认为，“高超-A/Z”平台更侧重于开展数量较少、但要求较高的某些大型部件的飞行试验，而不全是为了争夺高超声速飞行试验的主体市场。同时，这也印证了“高超-A/Z”平台不单是飞行试验平台，也是公司后续产品垫脚石的定位。
3.主要服务于高超声速飞机和可重复使用航天运载飞行器技术
美国平流层发射系统公司将“高超-Z”作为主打平台，而“高超-A”更多是为“高超-Z”打基础，因此公司可能更多瞄准的是支撑大型高超声速飞行器的技术攻关，包括高超声速飞机和可重复使用航天运载飞行器。目前美国在高超声速导弹方向已经临近全面突破关键技术，2021年便可形成早期作战能力；而尺寸更大、技术体系更复杂的高超声速飞机和可重复使用航天运载飞行器则仍处于技术储备阶段，需要大量开展关键技术攻关来推动相关技术成熟，例如大尺寸进气道模态转换、中等尺寸／大尺寸双模态冲压发动机、进发排一体化等需要开展较大尺寸部件飞行试验的技术。
因此综合来看，美国平流层发射系统公司“高超-A/Z”高超声速飞行试验平台技术上完全可行，但工程量较大；定位首先是为公司后续产品降风险、打基础，其次才是满足美军等外部对高超声速飞行试验平台的需求，并且更侧重于满足数量较少、但要求较高的大型部件飞行试验的特种需求。
廖孟豪先生已为《空天防务观察》提供33篇专栏文章，如下表：
序号 | 篇名 | 发表日期 |
1 | 2015年3月2日 | |
2 | 3月16日 | |
3 | 6月29日 | |
4 | 2016年4月20日 | |
5 | 8月16日 | |
6 | 9月19日 | |
7 | 9月21日 | |
8 | 9月23日 | |
9 | 9月25日 | |
10 | 9月27日 | |
11 | 12月2日 | |
12 | 12月5日 | |
13 | 2017年2月17日 | |
14 | 2月20日 | |
15 | 2月27日 | |
16 | 4月21日 | |
17 | 4月26日 | |
18 | 7月21日 | |
19 | 7月23日 | |
20 | 11月10日 | |
21 | 11月29日 | |
22 | 2018年1月11日 | |
23 | 1月15日 | |
24 | 1月31日 | |
25 | 3月6日 | |
26 | 3月8日 | |
27 | 3月23日 | |
28 | 4月12日 | |
29 | 6月12日 | |
30 | 7月18日 | |
31 | 8月15日 | |
32 | 8月16日 | |
33 | 美国企业公布高超声速飞行试验平台概念方案及研制计划（即本篇） | 9月28日 |
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（中国航空工业发展研究中心 廖孟豪）
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本篇供稿：系统工程研究所 编 辑：王 晨