国外典型高超声速飞行器研究计划

来源：高端装备发展研究中心

导读

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。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、俄罗斯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。

NASP计划

NASP计划是国家级多学科项目，由美国国防部与NASA共同组织，目的是研制X-30试验性单级入轨飞行器。NASP的关键技术是氢燃料超燃冲压发动机，能在马赫数4.0～15.0范围内工作。

NASP计划研究的内容较以前开展的高超声速技术计划更深入，不仅包括理论研究、概念性探索，还开展了试验研究。之前很长一段时间，美国一直在探索研究超燃冲压发动机，但开展的工作有限，有些只限于理论研究。直到NASP计划的提出，给美国的超燃冲压发动机发展注入了新的动力。

该计划对发动机的几种不同模块进行了试验；在马赫数4.0～7.0范围内进行了大量的发动机试验，包括基础发动机试验及缩尺发动机模型试验，其中在模拟马赫数5.0～8.0时进行了三种模型布局试验，在概念验证发动机模型上进行了模拟马赫数6.3和7.0的试验。此外还设计了一种新的二维反向后掠进气道。后期，由于政治、经济和技术三方面原因，NASP计划被迫终止，没有完成既定目标。NASP计划结束后，美国政府总结了教训，主要有：

Hy Tech计划

NASP计划结束之后，美国政府于1995年启动了高超声速技术（Hy Tech）计划，该计划是由美国空军研究实验室牵头的。Hy Tech计划的目标是发展和演示在马赫数为4至8的条件下，碳氢燃料超燃冲压发动机推进系统的运行能力、性能以及结构的可行性。Hy Tech是一个主要发展技术的计划，研究工作重点是发动机的研制，以一次性使用的导弹为应用背景。该计划为之后研制马赫数更高、并且可以重复使用的超燃冲压发动机打下坚实的基础。

Hy Tech 是一个比较成功的计划，首先解决各部件的核心技术问题，然后进行各个部件的试验研究，最后对发动机进行相关技术验证。采用这种层层推进、步步为营的方法，避免了进展太快而导致的各种问题。该计划的研究成果，之后应用到了很多后续的高超声速计划之中，使该计划研制的超燃冲压发动机技术从试验阶段逐步走向了工程实践阶段。Hy Tech计划研制的发动机之后还陆续应用在Hyper-X，X-51A，ARRMD 等美国其他高超声速计划之中。

Hyper-X计划

Hyper-X计划采用超燃冲压发动机进行飞行测试，飞行器和发动机的设计都要以地面试验和理论分析为基础，只有这些试验结果可行，高超声速技术才能从实验室研究阶段转入到实际飞行试验阶段。在Hyper-X计划可行性得到证实后，需要制定具体的研发和试验计划，如飞行器是在地面发射还是采用空中助推发射、需要做多少次飞行试验、飞行器的尺寸设计等都需要考虑并做出决定。

Hyper-X的第一个无人高超声速验证机是X-43A，用于验证小型氢燃料超燃冲压发动机。在这一系列中，还有X-43B/C/D型等几种衍生版本。X-43A形似滑板，长约3.7米，重约1.3吨，使用独特的超音速燃烧冲压发动机（Scramjet）作为动力。X-43A共进行了三次试飞：2001年6月2日，第一次试飞由于飞马座助推火箭出现故障导致失败；2004年3月27日，第二次试飞取得了成功，超燃冲压发动机在27km高空实现超声速燃烧10s，飞行速度马赫数达到7；2004年11月16日，第三次试飞试验成功，在35km高空实现飞行速度马赫数9.8。

X-43A的飞行试验虽然成功，但其飞行速度是固定不变的（马赫数7或10）。由于其技术水平仍与实现空天飞机的距离甚大，NASA放弃了后续以空天飞机为目标的X-43B/C/D等计划。

ARRMD计划

1998年，DARPA提出了“快速响应导弹演示”（ARRMD）计划，ARRMD计划的目的是进行远程高超声速巡航导弹的飞行试验，以检验其性能。该计划最初对成本的要求是要把成本控制在单价20万美元，并且要求能同时满足美国空军和海军的作战要求，既能用于多种轰炸机和战斗机，又能安装在军舰和潜艇的发射装置内，对多个平台都能兼容。

ARRMD计划最初计划分为两个阶段进行，第一阶段是发展关键技术，明确方案概念设计，并进行风险和可行性的论证，由于DARPA出于降低风险减少损失的考虑，该阶段时间长达18个月。第二阶段，则用于进行大量的飞行试验演示。这一阶段DARPA选择最优的方案进行飞行试验，预计时间为30个月，包括对选择的方案进行最终的成本评估和导弹实际能力的评定。

经过两年研究论证，DARPA认为DCR发动机有很多关键技术的难点不易解决，更看好双模态超燃冲压发动机设计，最终选择了空军的方案。但是最终由于发动机在超声速气流中无法燃烧这一困难无法得到有效地解决，导致计划一再拖延，最终于2001年结束。虽然ARRMD计划最终并没有开展预计中的飞行试验。但是在其第一阶段所提出的两个方案都得到延续，DCR发动机方案在后续的Hy Fly计划中得以继续。

Hy Fly 计划

2002年，NRL和DARPA共同出资发起了Hy Fly计划，主要承包商是波音公司，各方面共同完成项目的设计、试验和研制工作。Hy Fly计划的主要目标是研究并验证可用于高超声速导弹的关键技术。项目需要最终验证以常规碳氢燃料的双燃烧室冲压发动机能够完成马赫数为6的巡航飞行，并能承受在此状态下所产生的高温影响。

Hy Fly计划的几次飞行试验均以失败告终，表明双燃烧室冲压发动机（DCR）技术要想走出实验室，成功应用到工程研制当中，还有很长的一段路要走。在Hy Fly计划中，美国重新启用了在之前ARRMD计划中被放弃的双燃烧室冲压发动机（DCR）方案。这表明美国在高超声速飞行器技术的发展过程中，能根据各个项目的具体发展情况，及时的调整研究方案，使发展轨道不偏离预定目标。

FALCON计划——HTV-1/2/3、HGV

美国空军和DARPA在2003年启动了“从本土实施武力发送与应用”技术验证计划，即FALCON计划，简称为“猎鹰”计划。这项联合方案以发展和演示高超声速飞行技术和开发新的低成本太空发射系统为双重目标，这是美国实施的快速全球打击计划的一部分。猎鹰计划分为近期和远期两个研究阶段，两个阶段有不同的任务。第一阶段的目标是在2010年之前提供对全球范围内目标实施快速打击的能力，第二阶段的最终目标是发展并演示一种可重复使用的高超声速巡航飞行器（HCV）。

在第一阶段中，小型运载火箭（SLV）验证可负担起的快速响应发射技术，SLV将CAV（一种无动力的通用飞行器）发射至亚轨道处，然后SLV与CAV分离后进入大气层，从而达到对全球任意地点的目标实施快速打击。在第二阶段发展过程中，由于美国国会认为该计划在实战中可能造成核误解，最终决定将其改为非武器验证计划，FALCON联合项目办公室最终决定发展一系列高超声速技术飞行器（HTVs）来开展飞行试验用来演示验证所需的关键技术，主要有HTV-1、HTV-2和HTV-3（后来发展为HTV-3X）三种验证机，各验证机主要数据如下表所示：

类型	HTV-1	HTV-2	HTV-3	HTV-3X
长度/m	约3.5	约3.05	－	约14
升阻比	2.0～2.5	3.5～4	4～5	6～7
巡航速度（Ma）	10～20	10～20	－	大于6
能否重复使用	一次性	一次性	可重复使用	可重复使用
有无动力	无	无	有	组合涡轮发动机、冲压式喷气发动机
结构设计	高升阻比构型	高升阻比构型	升力体	－
进展情况	技术不够成熟，被放弃	进行过2次试验，均失败	－	预算不足，被放弃

X-51A飞行器

X-51A项目由美国空军和国防高级研究计划局（DARPA）联合开展，主要目标是通过飞行试验，验证碳氢燃料-主动冷却型超燃冲压发动机的可行性；检验飞行器从Ma=4.5加速到Ma=6的飞行性能；验证热防护材料、机身与发动机的一体化设计以及高速飞行条件下验证机的稳定性与控制技术。

X-51A项目的顺利开展得益于完善的组织管理、周密的计划安排和国家级研究团队的大力协同。X-51A项目由空军研究实验室推进委员会管理，普惠公司负责研制超燃冲压发动机，波音公司鬼怪工厂负责验证机的总体设计以及各分系统的组装和测试，空军飞行测试中心承担飞行试验的具体工作，NASA也为该项目提供技术支持并承担发动机地面试验任务。

X-51A项目充分体现了美军积极发展常规全球快速打击能力和快速响应进入空间能力的战略思想。美空军计划通过X-51A项目将超燃冲压发动机的技术成熟度提高到6级水平，进而发展更大尺寸的中型超燃冲压发动机、大型超燃冲压发动机，甚至组合循环发动机；对应的装备型号将从中近程高超声速巡航导弹、远程高超声速巡航导弹，发展到可重复使用的高超声速巡航飞行器，甚至空天飞机。

时间	基本情况	结果
2010-5-26	助推器将验证机加速至Ma=4.85，高度17.74km 超燃冲压发动机点火高度为18.7km 开始燃烧JP-7时的速度为Ma=4.74 最大速度Ma=4.87 发动机正常工作143 s 最大加速度0.18g 总飞行距离为277.8 km，总任务时间为210s，任务结束时的高度为19km 试验提前终止，故障原因是发动机与机身喷管间的密封故障	完成90%
2011-6-13	助推器将验证机加速至Ma = 5以上 超燃冲压发动机利用乙烯点火，验证机进行了9.5 s的有动力飞行 发射后40.3s，尝试转入燃烧JP-7燃料的过程中发生进气道不启动的故障 验证机继续无动力的可控飞行，97 s后坠入太平洋	失败
2012-8-14	巡航级的右上角控制舵意外解锁，在助推结束后验证机无法维持飞行 超燃冲压发动机没有点火	失败
2013-5-1	助推器将验证机加速至Ma = 4.8，助推时间为26 s 最大速度Ma = 5.1 飞行高度为18.3 km 飞行距离为426 km 超燃冲压发动机工作时间为210 s 采集到370 s的试验数据	成功

X-51A历次飞行试验

先进高超声速武器（AHW）

AHW计划是在国防部快速全球打击办公室（OSDPGS）的资助和指导下开展的，由美国陆军航空和导弹研究发展工程中心（USAAMRDEC）和桑迪亚国家实验室（SNL）合作研究，桑迪亚国家实验室负责助推系统和滑翔飞行器，陆军航空和导弹研究发展工程中心负责飞行器的热防护系统。AHW计划是美国国防部投资6亿美元的常规快速全球打击计划（CPGS）的一个子项，CPGS目标就是使美国具备用常规攻击武器1h内打击全球任何地方的能力。AHW计划的目标是要发展一种能飞行35min、打击6000km处目标的导弹，落点打击精度10m以内。

SR-72高超声速飞机研制方案

美国空军在美国国防工业协会举办的第12届科学和工程技术会议上公布了高速飞行器和高速飞行平台发展线路。美国将在2020年前通过X-51等高超声速武器演示验证计划，验证先进制导、TBCC发动机等关键技术。美国已经把高超声速技术作为提升军事情报/监视/侦察能力的有效技术途径之一。美国空军针对未来技术发展、军事能力需求方向，进一步提出了高超声速平台马赫数4+更高速度飞行的应用需求，要求高速飞行器至少以马赫数5+进行巡航。在美国空军对高超声速飞行器应用需求背景的激励下，波音、洛马等多个公司积极参与其中，提出了各种不同研究方案，其中美国洛马公司提出了著名的SR-72高超声速飞机研制方案。

SR-72双发隐身无人机本身拥有完整的侦察系统并可在临界空间携带新型武器，集情报收集、侦察、监控、打击等诸多功能于一体。SR-72全长约为30.5m，最大起飞质量为80t，装备并联TBCC循环发动机，以马赫数6巡航飞行，飞行速度是SR-71战略侦察机的两倍。航程4800km，有效载荷约2.5t，详细技术指标见下表。

“彩虹”-D2高超音速飞行器计划

为了研发出更加接近实际应用的高超音速飞行器，俄罗斯制定了“彩虹”-D2高超音速飞行器计划，由俄罗斯彩虹设计局和巴拉诺夫中央航空发动机研究院共同开展。该飞行器由俄罗斯AS-4远程战略空对地导弹改装而成。测试和试验设备安装在弹体内中、下部和弹体下方的整流罩中。“彩虹”-D2飞行器采用机载发射方式，由图-22M3、米格-31等飞机携带升空，在15～20千米的高度加速到2马赫以上，然后与载机分离，超燃冲压发动机点火工作，开始高超声速巡航飞行。

据悉，“彩虹”-D2尽心过了大量的地面测试，但相关飞行实验没有详细报道。该计划有德国参与，在其本土的飞行试验取得了成功。“彩虹”-D2试飞器在1997年的航展上曾被公开展示，但后来的详细报道依然很少，但据说曾经达到6马赫的飞行速度和70公里的飞行高度。

SHEFEX 2 

SHEFEX是由德国航空航天中心（DLR）开展的高超声速飞行器计划，目标是研制一种可用于2020年后的微重力实验空间飞机。该项目的第一个试验飞行器为SHEFEX 1，但在2005年的发射中出现了问题，不过对数据的评估具有十分重要的意义。之后的SHEFEX 2是DLR吸取教训研制的第二个飞行器。SHEFEX 2的外形十分特别，其表面由多个平面组成，整体形状类似于有棱边的子弹头，但机身如六角铅笔一样有棱边。与美国通常使用有弧度绝热瓦的航天器相比，SHEFEX 2的绝热瓦外形相对简单，可以降低航天器隔热系统的维护成本，在太空中临时更换也较容易，具有制造简单、成本低廉等特点。

SHEFEX 2在设计上还使用了“泻流冷却”的表面主动冷却技术。方法是通过绝热瓦上的小气孔向外喷射氮气，从而在机身形成一层气膜，隔绝热空气。且德国研究人员认为，SHEFEX 2的空气动力学性能与航天飞机接近，但体积更小，不需要航天飞机那样的大机翼。

主要参考资料：

[1]. 陈少春、陈鄂平.  Hyper-X计划发展中的经验与教训.  《飞航导弹》，2010 (9) ：20-23

[2]. 梁晓庚、田宏亮.  临近空间高超声速飞行器发展现状及其防御问题分析.  《航空兵器》，2016 (4) ：3-10

[3]. 王巍巍，郭琦.  美国典型的高超声速技术研究计划.  《燃气涡轮试验与研究》，2013 (3) ：53-58

[4]. 李益翔.  美国高超声速飞行器发展历程研究.  《哈尔滨工业大学》，2016

[5]. 美称俄高超音速武器类似于中国 将突破美防御系统

[6]. 尤延铖、安平.  欧洲的高超声速推进项目及其项目管理.  《燃气涡轮试验与研究》，2013 (6) ：1-7

一网打尽系列文章，请回复以下关键词查看：

创新发展：习近平 | 创新中国 | 创新创业 | 科技体制改革 | 科技创新政策 | 协同创新 | 成果转化 | 新科技革命 | 基础研究 | 产学研 | 供给侧

热点专题：军民融合 | 民参军 | 工业4.0 | 商业航天 | 智库 | 国家重点研发计划 | 基金 | 装备采办 | 博士 | 摩尔定律 | 诺贝尔奖 | 国家实验室 | 国防工业 | 十三五 | 创新教育 | 军工百强 | 试验鉴定 | 影响因子 | 双一流 | 净评估

预见未来：预见2016 | 预见2020 | 预见2025 | 预见2030 | 预见2035 | 预见2045 | 预见2050 |

前沿科技：颠覆性技术 | 生物 | 仿生 | 脑科学 | 精准医学 | 基因 |  基因编辑 | 虚拟现实 | 增强现实 | 纳米 | 人工智能 |  机器人 | 3D打印 | 4D打印 | 太赫兹 | 云计算 | 物联网 | 互联网+ | 大数据 | 石墨烯 | 能源 | 电池 | 量子  | 超材料 | 超级计算机 | 卫星 | 北斗 | 智能制造 | 不依赖GPS导航 | 通信 | MIT技术评论 | 航空发动机 | 可穿戴 | 氮化镓 | 隐身 | 半导体 | 脑机接口

先进武器：中国武器 | 无人机 | 轰炸机 | 预警机 | 运输机 | 战斗机 | 六代机 |  网络武器 | 激光武器 | 电磁炮 | 高超声速武器 | 反无人机 | 防空反导 | 潜航器 |

未来战争：未来战争 | 抵消战略 | 水下战 | 网络空间战 | 分布式杀伤 | 无人机蜂群 | 太空站 |反卫星

领先国家：俄罗斯 | 英国 | 日本 | 以色列 | 印度 

前沿机构：战略能力办公室 | DARPA | Gartner | 硅谷 | 谷歌 | 华为 | 俄先期研究基金会 | 军工百强

前沿人物：钱学森 | 马斯克 | 凯文凯利 | 任正非 | 马云 | 奥巴马 | 特朗普

专家专栏：黄志澄 | 许得君 | 施一公 | 王喜文 | 贺飞 | 李萍 | 刘锋 | 王煜全 | 易本胜 | 李德毅 | 游光荣 | 刘亚威 | 赵文银 | 廖孟豪 | 谭铁牛 | 于川信 | 邬贺铨 |

全文收录：2016文章全收录 | 2015文章全收录 | 2014文章全收录 

其他主题系列陆续整理中，敬请期待……