2018年国外高超声速飞行器技术发展综述

转自：海鹰资讯（ID: hiwing_news)

作者：北京海鹰科技情报研究所 张灿

2018年，以美俄为首的世界大国全力推进高超声速武器化发展，呈现出新的军备竞赛的态势。从国别来看，美国加强高超声速技术顶层规划与牵引，着力发展高超声速攻防两端能力；俄罗斯打破既定计划框架，高调公布新型高超声速武器；日本加大高超声速技术经费投入，启动高超声速导弹武器与关键技术攻关项目。从发展应用方向来看，高超声速导弹是重点突破和竞争方向；高超声速飞机发展迅猛；空天往返飞行器依托典型项目稳步推进；同时加大高超声速试验能力建设，推进基础科研技术发展。

大力推进高超声速武器实战化发展

01美国全力发展高超声速打击攻防两端能力，计划最快在2020年形成早期作战能力

进入2018年，随着美军高超声速导弹科研从以技术集成演示验证为目标的预先研究阶段逐渐转入以形成作战能力为目标的型号研制阶段，美国在战略规划、组织管理、经费保障和项目实施上均进行了较大的调整，以加快高超声速打击武器作战能力形成。

一方面，美国在国防部层面谋划推动一项名为“国家高超声速倡议”（NHI）的国家级战略规划文件，从顶层加强牵引；同时筹划成立一个新的实体性质的、针对高超声速导弹的联合项目办公室，打破当前多机构各自牵头、分散实施的局面，加强技术项目之间的合作与整合；并在2019财年为高超声速导弹科研项目申请8亿美元以上预算，相比上一财年增长近一倍，从经费资源上充分保障技术向武器转化。

另一方面，美国在2018年新披露或启动多项高超声速导弹预研/工程研制项目，形成战术级高超声速导弹空/海/陆多型全面发展的态势。型号研制方面，继2017年公布“空射型高超声速常规打击武器”（HCSW）项目后，美国在2018年新披露“空射快速响应武器”（ARRW）项目。这两个原型样机项目均采用快速采办模式，由空军部长直接指导，旨在为后续导弹型号生产部署的战略决策和资源分配提供关键依据。美国空军在2018年4月和8月分别授予洛克希德•马丁公司9.28亿美元的HCSW项目研制生产合同以及不超过4.8亿美元的ARRW项目研制生产合同，并授予ARRW武器正式编号AGM-183A。预研方面，在持续推进原有“高超声速吸气式武器方案”（HAWC）和“战术助推滑翔”（TBG）两个空射型演示验证项目的同时，DARPA在2018年新启动“作战火力”（OpFires）项目，计划利用TBG项目成果，与陆军联合开展陆射型高超声速导弹的演示验证，并选定航空喷气-洛克达因、Exquadrum和内华达山脉（SNC）三家公司共同开发和演示验证用于高超声速导弹的地面发射推进系统；同时在2019财年增加海基型TBG的演示验证路线，并考虑与海军联合开展海基型HAWC研究。HAWC和TBG项目均预计在2019年开展首飞。

为在短期内尽快形成高超声速打击能力，美国计划基于20世纪70年代“桑迪亚有翼能量再入飞行器实验”（SWERVE）项目中使用的双锥体飞行器，开发通用高超声速滑翔体（C-HGB），搭配不同助推器，发展陆/海/空基高超声速导弹。其中，美国海军负责设计通用滑翔体，开发适合海基发射的助推器，并在“常规快速打击”（CPS）计划下发展相应打击武器；美国陆军负责开展通用滑翔体演示验证试验，并依托早前的陆基“先进高超声速武器”（AHW）项目发展陆射型高超声速打击武器；美国空军在通用滑翔体的基础上通过HCSW项目发展空射型高超声速打击武器，希望在2020年具备早期作战能力。

在全力加速发展高超声速打击能力的同时，为应对潜在对手的高超声速武器威胁，美国在2018年高度关注高超声速防御能力建设。继2017年首次启动高超声速威胁防御项目后，导弹防御局（MDA）计划在未来6年（2018财年-2023财年）对该项目投入7.36亿美元，并在2018年9月授出21份“高超声速防御武器系统概念定义”研究合同，涵盖激光和电磁武器等非动能拦截、天基拦截和动能拦截等多种防御方案。作为MDA在高超声速威胁防御能力发展方面的补充，DARPA在2018年新启动“滑翔破坏者”项目，旨在开发针对高超声速武器威胁的硬性杀伤拦截武器的部件技术，并在11月6日发布项目预招标公告征集竞标方案。

图1 美国陆军AHW项目飞行器概念图

02俄罗斯高调公布新型高超声速武器，率先实现高超声速导弹部署

俄罗斯近年来加紧了高超声速飞行器的研发工作，不断披露多个高超声速打击武器预研/型号研制项目。进入2018年后，俄罗斯高调公布完成“匕首”、“先锋”两型高超声速打击武器的研制并达到初期入役或准备入役阶段，成为世界上最早部署高超声速武器的国家。

“匕首”（Kinzhal）高超声速导弹，代号Kh-47M2，主要为俄罗斯空天军研制，是一型具有精确制导打击能力的高超声速航空弹道（aero-ballistic）导弹，飞行速度高达Ma10，搭载米格-31K射程达2000公里，可携带常规或核战斗部，突破所有现役或在研的防空反导系统，摧毁地面及水面多种固定或移动目标。俄罗斯披露“匕首”从2017年12月开始在俄罗斯南部军区进行试验性战斗值勤，并在5月的胜利日阅兵仪式上首次公开亮相。俄罗斯透露，考虑使用图-22M3轰炸机作为“匕首”的新载机平台。

图2 俄罗斯“匕首”高超声速导弹

“先锋”（Avangard）战略级高超声速导弹系统由洲际导弹助推器和高超声速助推-滑翔弹头组成，可实现最高速度20马赫的洲际飞行，并通过大幅度机动突破现有防御系统。“先锋”已被列入俄罗斯《2018-2027国家武备计划》。俄罗斯国防部在7月公开表示，“先锋”高超声速导弹系统已经完成全部研制工作并转入系列化生产阶段，即将进入俄罗斯战略导弹部队服役。

图3 俄罗斯“先锋”弹头动画图像

03日本积极发展高超声速打击武器

日本在2018年同时启动了高速滑翔导弹和高超声速巡航导弹关键技术研究项目，并大幅增加了高超声速技术经费投入。其中，高速滑翔导弹项目，全称“岛屿防卫用高速滑翔导弹研究”，是2017年“岛屿防卫用高速滑翔导弹技术研究”项目的延续，计划分两个阶段发展助推滑翔导弹，第1阶段采用圆锥形弹头，预计2026财年投入使用，第2阶段采用升阻比更高的较平坦的“爪形”弹头，预计2028财年服役。该导弹定位为岛屿间攻击，射程300~500公里，作战概念图显示其采用陆基发射，以此推算若将其部署在冲绳主岛，则火力范围可覆盖钓鱼岛（约420公里距离）；高超声速巡航导弹关键技术研究项目于2018年首次披露，旨在研发可长时间运行的弹用超燃冲压发动机技术、集成先进部件技术、兼顾包含发动机进气道在内的飞发外形设计技术，以及长时巡航所需弹体局部耐热材料结构技术等，并为之制定了为期7年（2019~2025年）的关键技术开发及验证工作规划。日本在2019财年防务预算文件中分别为高速滑翔导弹项目和高超声速巡航导弹关键技术研究项目各投入1.2亿美元和5600万美元。

图4 日本高速助推滑翔导弹两步走规划

积极推进高超声速飞机方案探索和技术储备

01美国积极探索多种高超声速飞机方案

继2017年公开表示具备研制SR-72高超声速飞机验证机的技术条件后，美国洛克希德·马丁公司臭鼬工厂在2018年1月透露其利用数字化转型技术成功完成了一型高超声速飞机的研制，并表示其在近五年采用数字化建模和仿真技术开展高超声速飞机和发动机的设计、试验、制造工作，极大提高了研发能力和效率，尤其在攻克超燃冲压发动机三维进气道启动、复杂主动冷却结构设计、制造技术上发挥了重大作用。

与此同时，美国波音公司在2018年1月和6月分别公布了高超声速情报监视侦察（ISR）/打击飞机和民用飞机概念方案及研制计划，并表示其已具备在10年内研制出一型高超声速军用飞机的能力，与洛克希德·马丁公司形成竞争态势。其中，高超声速ISR/打击飞机方案速度指标为Ma5+，采用大后掠双三角翼无尾加双垂尾布局，计划分两步发展，首先研制一型与F-16战斗机大小相当、采用单台发动机的技术验证机，然后再研制一型与SR-71大小相当、采用两台发动机的作战飞机，发展思路与洛克希德·马丁公司的SR-72极为相似；高超声速民用飞机方案则瞄准的是一型载客量介于远程商务机和波音737之间的客机，外形设计与ISR/打击飞机相似，巡航速度为Ma5，巡航高度为29km，采用涡轮冲压组合动力形式，并引入英国反应发动机公司正在研制的“佩刀”发动机的预冷技术，以解决涡轮冲压组合的推力陷阱问题，预计在2030年代末以后投入运营。这两型飞机方案出自波音内部同一项高速飞行器研究计划，是波音瞄准高超声速飞机军事和商业应用而制定的长远发展规划的一部分，包括计划在近期发展一型可重复使用的高超声速技术验证机，以验证军民两用的机身、推进等技术。该验证机最早可在2023年左右开展首飞。

此外，美国也在加紧高超声速飞机核心技术攻关，按计划稳步推进“先进全速域发动机”（AFRE）项目。该项目当前聚焦于发动机模态转换的可靠性验证研究。在该项目支持下，航空喷气-洛克达因公司开发的双模态超燃冲压发动机（DMSJ）正在NASA兰利研究中心的8×8英尺高温风洞进行低马赫模态转换试验，下一阶段将集中研发涡轮基组合循环（TBCC）发动机涡轮和超燃冲压流道共用进气道和喷管，并同步开展试验工作与飞行器概念设计研究。

图5 美国波音公司Ma5高超声速客机概念方案构想图

持续开展空天往返飞行器技术探索

01美国稳步推进“试验性太空飞机”（XS-1）项目

为实现低成本快速空间进入，美国在近期采用“可重复使用火箭+一次性上面级”方案，积极推进“试验性太空飞机”（XS-1）项目。在2017年获得XS-1项目研制试飞合同后，波音在2018年开展了技术验证平台“幻影快车”的液氧罐等硬件制造以及各子系统的关键设计评审工作，并计划在2019年年初开展验证机整车评审，在春季开始飞行器组装。

“幻影快车”的主发动机采用航空喷气·洛克达因公司研制的火箭发动机AR-22。AR-22推力达17.1吨，配备有铰链式机舱，便于进入和检查，保障发动机快速发射周转。AR-22发动机可重复使用55次，每10次发射任务后进行一次大修，其可重复使用特性是确保“幻影快车”快速发射周转的重要因素。航空喷气·洛克达因公司2018年在NASA斯坦尼斯太空中心完成了AR-22组装工作，并在7月成功完成10天10次连续点火试验，每次持续100秒。XS-1项目计划在2021年开展首飞。

02日本积极探索可重复使用运载飞行器

瞄准载客太空旅行市场，日本PD航空航天公司和太空漫步者（Space Walker）公司当前正在积极开展可搭载两名飞行员和六名乘客的运载飞行器探索研究。其中，PD航空航天公司同步开展飞行器和发动机研究，提出新型吸气/火箭模态可转换脉冲爆震发动机（PDE）方案，并在2017年7月成功进行单管PDE模态转换试验。其运载飞行器瞄准水平起降、可完全重复使用，计划在2019年开展无人版本技术验证机100km高度飞行试验，在2024年推出商业太空旅行服务。太空漫步者公司计划采用原型样机开展一系列亚轨道飞行试验，首先在2021年完成可飞行到100km高度、长9.5m、重6.3t的技术验证机，用于科学实验；然后在2023年完成可飞行到40km高度、长14m、重30.2t的原型样机，配备第二级，可用于小型卫星发射；最后在2027年完成长15.9m、重18.7t的最终版运载飞行器，实现亚轨道载客飞行。

图6 日本PD航空航天公司的可完全重复使用运载飞行器概念图

加大高超声速试验能力建设，推进基础科研技术发展

01美国积极推进高超声速试验能力建设，推动增材制造技术在高超声速领域的应用发展

围绕高超声速技术快速发展和武器装备需求，美国在2018年加紧推进飞行试验平台建设和高超声速试验技术发展，积极拓展增材制造技术在高超声速领域的应用。

在高超声速试验设施建设方面，美国在2018年加紧推动高超声速飞行试验平台的建设，以提高高超声速飞行试验频率，更好促进相关关键技术成熟。一方面，美国时代轨道发射服务公司正在研制的GO1高超声速飞行试验平台被空军授予编号X-60A，成为美国空军“小企业创新研究”（SBIR）计划下首个获得X系列验证机编号的项目。GO1试验台采用液体火箭发动机，由成熟的NASA C-20飞机空中投射，旨在提供经济可承受的、常态化的Ma5~8高动压飞行试验条件。时代轨道发射服务公司在2018年6月完成了GO1试验平台助推器全尺寸样机的第一次热试车，集成验证了飞行状态下要求的发动机技术，包括邮箱、阀门、增压系统和飞行控制等部件；另一方面，美国平流层发射系统公司公布了两型为缩比关系的高超声速飞行试验平台的概念方案与研制计划，分别是小型的“Hyper-A”和大型的“Hyper-Z”。二者外形相似，均以公司自研的推力可调液氢液氧火箭发动机为动力，分别瞄准Ma6+和Ma10+飞行试验平台。“Hyper-A/Z”平台能以水平加速和助推滑翔两种典型模式飞行，以满足不同的飞行试验要求。目前，平流层发射系统公司科研团队工作主要聚焦于“Hyper-A/Z”的计算流体力学分析，以及与载机集成的方案，计划最早在2020年开展“Hyper-A”首飞，在2025年开展“Hyper-Z”首飞。

在高超声速试验技术方面，美国能源部阿贡国家实验室宣布升级了一套能够产生高亮度X射线的加速器光源设备，可用于实时捕获超燃冲压发动机内部油气混合的动态图像，在不干预或改变高速流动特性的前提下，实时测量诊断超燃冲压发动机燃烧室内部气流。阿贡国家实验室此前已经验证了X射线可用于定量测量液体火箭喷嘴的流场，目前正在与美国空军研究实验室合作，探索用类似诊断技术研究液体射流与马赫数2横向气流的掺混特性。

在基础科研方面，美国积极推动增材制造技术在高超声速飞行器领域的应用。在提升材料级产品性能层面，美国空军研究实验室与休斯研究实验室签署了合作研究与开发-材料转让协议，对后者利用增材制造技术生产的碳氧化硅材料进行了极端环境下的性能测试，以获取相关测试数据，用于指导生产符合高超声速飞行要求的增材制造陶瓷材料。在制备高超声速飞行器分系统级部件层面，美国轨道ATK公司在2018年3月对主要由增材制造技术生产的高超声速武器战斗部成功进行了爆破试验。该战斗部总重量达50lb，五个主要部件中有三个采用增材制造技术，是目前已知的首个以增材制造为主要制备方式的高超声速分系统级产品。增材制造技术使战斗部的设计研制生产周期缩短至两个月内，极大提高了研发效率。

02英国稳步推进“佩刀”发动机预冷却样机试验设施建设

继去年9月获得DARPA关于“佩刀”发动机预冷却样机（HTX）高温气流考核试验合同后，英国反应发动机公司在美国科罗拉多州沃特金斯开始搭建高温气流试验设施（编号为TF2），目前已完成第一台HTX和相关设备组装。2018年5月，英国反应发动机公司披露，其采用美国通用电气公司的J79涡喷发动机作为热源，已经启动了预冷却样机高温考核地面试验验证的相关工作。J79提供的1000℃高温燃气与加热空气混合后，可用于模拟马赫数5飞行环境下的进气条件。

结束语

高超声速技术发展至今已超过半个世纪，随着相关技术日趋成熟，高超声速武器国际竞争愈发激烈。美国和俄罗斯等大国极力推动高超声速打击武器实战化发展，预计在2020年代初形成早期作战能力；高超声速飞机研发呈现加速态势，但距离工程研制尚有差距；空天飞行器依托典型项目持续开展技术探索。预期未来会呈现新项目/型号推出或装备态势，并随着作战能力的形成激发全新的作战样式，从而改变世界军事力量格局。

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