近二十年来年美军高超声速领域科研投入分析

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转自：海鹰资讯（ hiwing_news）

本文将刊载于《飞航导弹》2019年第8期

作者：北京海鹰科技情报研究所 苑桂萍 胡冬冬

美国国防部预算申请文件是美国政府公布的权威公文，是研究美军高超技术领域科研布局和经费投入的重要参考资料。通过“高速/高超声速”（high speed/hypersonic）关键词，对2001—2019财年（美国财年为当年10月1日至次年9月30日，1999—2017财年为实际执行预算，2018财年为批复预算，2019财年为申请预算）美国空军、海军、DARPA和OSD公布的RDT&E预算文件进行梳理，系统筛选出1999—2019财年高超声速技术相关的科目、计划及项目，经不完全统计（有些预算科目的研究内容涵盖范畴宽泛，部分涉及高超声速技术，无法进行剥离）来研究美国在高超声速技术领域的投资情况和变化趋势。

近二十年的整体投入从2001—2019财年美国国防部预算申请文件编列的与高超声速技术领域相关的经费投入额度看，近二十年（1999—2019财年）美国高超声速技术领域经费投入整体呈上升态势，1999—2005财年为平缓上升期，2006—2015财年为稳定投入期，2016—2019财年为迅速增长期，如图1所示。从支持的项目（本文统计的项目是指预算文件中科目下所列的项目）数量来看，2005财年前后，美国高超声速技术领域相关项目数量较多，表明其处于技术广泛探索时期，随后项目数量相对收敛。 图1  1999—2019财年美军高超声速技术经费投入分布
1平缓上升时期（1999—2005财年）在国家空天飞机计划（NASP）终结后，美国高超声速技术的发展进入低谷期。2001年，以国防部和美国国家航空航天局（NASA）联合发布的国家航空航天计划（NAI）为标志，美国启动了新一轮高超声速技术的研究热潮。2003年，美国国防部正式提出快速全球打击（PGS）能力任务概念，以发展能快速打击任何目标的战略级高超声速武器所需的技术。在NAI计划和PGS需求牵引下，自2001财年起，美国高超声速技术领域经费投入开始逐年增长，至2005财年超过4亿美元。2稳定投入期（2006—2015财年）21世纪初期，朝鲜、伊朗核试验接连取得重大进展，其它大国军事能力不断增长，使得美国对发展高超声速武器必要性的认识越来越明晰。随着重振高超声速技术研究活动的开展和现实需求的牵引，美国国防部、军兵种以及其它科研机构纷纷加快高超声速武器研制和相关规划制定。2007年初，美国国防部成立了高超声速联合技术办公室（JTOH），次年发布了《国防部高超声速计划路线图》，针对安全威胁环境变化和未来军事应用需求，专门规划了高超声速技术发展。这一时期的高超科研经费投入较为稳定，年均投入规模约为3.8亿美元。3迅速增长期（2016—2019财年）随着中俄大国崛起以及反介入/区域拒止（A2/AD）能力的增长，为谋求新一轮战略竞争优势，2014年底，美国防部发起第三次抵消战略，并将高超作为第三次抵消战略下重点发展的颠覆性技术之一。尤其是进入2016年以来，俄罗斯高调推进锆石、先锋等高超声速武器发展，美国危机感日益加重，进一步加大对高超领域的投入，试图抢占武器化先机。2018年4月，国防部长马蒂斯表示，高超声速技术已成为最高优先级领域之一。近几年，美军多型高超声速武器从预研转入型号研制，高超声速领域科研预算创历史新高，呈现暴增现象，2017财年高达6.9亿美元，2018财年增长至8.2亿美元，是之前稳定的十年期间平均值的2倍以上，2019财年又进一步增长至12亿美元以上。按科研阶段对应的研发类别美国国防科研内涵是RDT&E，包括基础研究（BA6.1）、应用研究（BA6.2）、先期技术发展（BA6.3）、先期部件研制与样机开发（BA6.4）、系统开发与演示验证（BA6.5）、RDT&E管理支持（BA6.6）和现有系统改进（BA6.7），其中BA6.1~6.3为预研，BA6.4~6.7为型号研制。从科研活动类目的预算经费投入结构来看，1999—2019财年美国国防部高超技术领域BA6.3和BA6.2类目预算经费投入总额居高，两者占科研活动类目总额超3/5，各经费投入规模高达20亿美元以上；其次BA6.5类目超过15亿美元，占近20%；而BA6.1、BA6.6和BA6.4类目投入总额相当，约为4~6亿美元，占比较低。因目前高超声速飞行器还处于研制阶段未实现部署，故BA6.7类目没有投入。 图2  1999—2019财年美军高超领域科研活动类目的经费投入变化其中，1999—2019财年高超技术领域BA6.1类目的预算经费投入稳定，年均投入额基本维持在0.1~0.3亿美元；BA6.2类目自2003财年起有明显投入且较为稳定，年均投入规模在1.2亿美元左右；BA6.3类目的经费投入呈现先增后减而后又迅速增长的趋势，近几年投入出现剧增，规模最大；BA6.4类目投入一直处于较低的水平，2004—2007财年有少量投入（主要CAV贡献），而从2017年开始有明显经费投入；2008财年起美国开始进行高超领域BA6.5类目的预算经费投入，呈现波动增长趋势；BA6.6类目投入也较低，2018—2019财年为零投入。 图3  1999—2019财年美军高超领域科研活动类目的经费投入可以看出，在高超领域，美国一直重视高超声速基础研究，对BA6.1类目长期保持较稳定的投入；BA6.2和BA6.3类目是重点投入对象，投入额多且占比高；2008财年开始进行BA6.5类目投资，投入额呈明显增长趋势；BA6.6类目主要集中在如AEDC等高超试验设施方面，近几年投入减少。近几年对BA6.3、BA6.4和BA6.5类目加大投入，增幅较大，尤其是BA6.3。各部门科研投入从不同军种部门经费执行情况来看，空军占据主导地位，其1999—2019财年高超领域科研预算经费总投入为44亿美元，占期间各军种部门总经费的半壁江山，其次为OSD和DARPA，经费总投入为分别为19亿美元和13亿美元，占比20%左右；海军经费总投入最低，不到6亿美元。 图4  1999—2019财年美国各机构高超领域科研预算经费总投入及占比其中，1999—2019财年空军和OSD高超领域科研预算经费投入整体呈现增长态势，空军自2003财年起一直保持较稳定的投入，OSD则从2006财年开始进行经费投入；DARPA经费投入波动较明显，而海军占比最低且经费投入下降。2014财年以来空军、OSD和DARPA加大投入，经费增幅显著。 图5  1999—2019财年美国各机构高超领域科研预算经费投入分布1空军美国空军在高超技术领域布局全面，侧重工程型号样机和关键技术预研，对核心关键技术预研的投入保持稳定延续性。20世纪末期，受国家战略层面如NASP计划终结的影响，1999—2002财年空军高超声速技术科研经费投入较低。进入21世纪，在NAI和常规全球快速打击（CPGS）需求牵引下，2003—2013财年空军保持着年均2亿美元的稳定投入规模，而受部分项目（如HTV-3X）的影响，2008财年减少了投资。2013年，X-51A成功试飞让空军信心倍增。从2014财年起，空军高超声速技术发展进入快速发展期，经费投入激增，年均投入规模高达近4亿美元，2017财年已到历史高点（3.5亿美元），而2018财年和2019财年又逐年激增，2019财年竟达6亿多美元。二十多年空军主要开展了HyTech、HySET、猎鹰（与DARPA联合）、CAV、高速打击武器(HSSW)、空射快速响应武器 (ARRW)、高超声速常规打击武器(HCSW)、高超声速国际飞行研究试验（HIFiRE）等多个项目。2DARPA在高超技术领域，DARPA侧重于高风险的技术创新预研，一般项目持续时间短（3~5年）。同样受国家战略层面影响，1999—2001财年，DARPA高超声速技术领域研究处于低谷状态，仅有微量经费投入。在2001年发布的NAI指导下，DARPA开始加大高超科研步伐，项目数量和经费投入明显增加，至2006年达到峰值（超1亿美元）。但随着某些高超声速演示验证项目（如HiSTED、SED等）接近尾声，以及部分飞行试验（如猎鹰项目下HTV-2和HTV-3X）失败，DARPA减缓了高超声速研究和投入，至2012财年跌入最低点（零投入）。近年来DARPA加快高超声速技术发展，开始聚焦高超声速技术作战能力演示验证，推动高超技术向实战武器转化。在X-51A成功完成四次飞行试验的影响下，2013—2019财年，DARPA新增若干高超科研项目，经费投入剧增，2019财年申请额高达3亿多美元（据DARPA局长沃克表示，其2019财年申请的高超声速科研经费比2018财年增加了136%）。二十多年DARPA主要开展了ARRMD、HyFly（与海军联合）、Vulcan、MoTr、AFRE、IH、吸气式高超声速武器方案(HAWC)与战术助推滑翔(TBG)（与空军联合）、XSP以及2019财年新启动的作战火力（OpFires）等项目。3OSD在高超技术领域，OSD侧重于三军通用装备技术的研发与试验鉴定，同时统筹投资跨军种的试验设施与基础能力建设，包括常规CPGS、试验与鉴定/科学技术（T&E/S&T）计划下的高速系统试验（HSST）、国防部核心试验与鉴定投资计划（CTEIP）等。其中，2006年，CPGS统一纳入到OSD下，开启了OSD对高超技术领域的投资。随着美国高超声速科研试验活动的不断深化，为解决新的试验技术问题和需求，美国国防部开始将高超飞行器涉及的试验技术纳入其中。2009年，OSD继续推动2002年启动的高速/高超声速试验（HSHT）项目，并将其更名为先进推进试验技术（APTT），2012年更名为HSST），旨在研发高超试验技术。从经费投入来看，2006—2013财年期间，OSD对高超技术领域的投资整体呈增加趋势。主要受猎鹰项目后续开展不利影响，2014财年的经费投入减少，之后随着新项目的增加和延续项目的深入开展，2014—2019财年经费投入又呈明显增长态势。值得一提的是，2006财年至今的CTEIP预算金额较大（年约1.8亿美元），涵盖高超声速试验能力建设、赛博/电子战试验能力建设等多个领域的项目，故未将CTEIP计入OSD的项目数中。4海军在高超技术领域，美国海军投入较少，主要侧重于高超声速打击武器技术，投资主要集中在1999—2008财年，这期间开展了高速导弹技术（原HWT）、IHAT、精确打击技术等项目。而2009财年至今的经费投入微乎其微。2019财年海军新设CPS项目，计划从2020财年承接来至OSD海基型PGS项目的科研工作，包括HTV-2和AHW，启动战略级潜射型高超声速助推滑翔武器的型号研制工作。在高超声速细分技术领域的科研投入经进一步统计（剔除掉了BA6.1基础研究和某些投资高的试验实施项目；高超技术具有高耦合性，某些技术领域投入会有交叉很难进行剥离），1999—2019财年飞行器总体技术领域（包括方案预研、论证研发、演示验证、气动与一体化集成等）经费投入及占比最高，近40亿美元，占不同高超技术领域经费总投入的半数多；推进技术领域（包括高速涡扇/涡喷发动机技术、超燃冲压发动机技术、组合发动机技术、碳氢燃料技术等）经费投入超20亿美元，约占30%；试验设施与试验技术经费投入不到10亿美元，占比12%；其它领域（如材料与结构、制导导航与控制（GNC）、引战技术等）投入较少，占比不足10%。从时间维度看，近20财年高超总体技术领域科研预算经费投入呈现先持续稳定投入后急剧激增的态势。其中，2002—2016财年年均1.4亿美元，而2019财年比2016财年增幅7亿多美元。推进技术领域自2003财年起至2019财年一直保持惊人稳定的投入（年均1.2亿美元）。试验设施与试验技术领域自2005财年后有明显投入且呈现较大起伏变化。材料与结构、GNC和引战技术等领域投入量低，变化小且无规律。 图6  1999—2019财年美军不同高超领域科研预算经费总投入及占比1总体技术领域1999—2001财年高超总体技术领域投入规模较低，年均0.2亿美元。2002—2016财年投入较为稳定，且有缓慢增长，年均1.35亿美元，分为2003—2008财年和2009—2016财年两个缓慢增长期，其中受部分项目飞行试验失败的影响，如2007—2010年HyFly的三次飞行试验和2010年HTV-2的两次飞行试验，这期间经费投入有小幅波动。2017—2019财年HSCW、ARRW等多个型号样机的启动以及部分前期预研项目的经费增加，投入总额出现激增，增加了5亿多美元，增幅近130%。 图7  1999—2019财年美军不同高超技术领域科研预算经费投入分布表1  美军高超领域总体技术主要项目

BA类目	项目名称	起止时间/财年	经费总投入/百万美元	备注
6.2	ARRMD	1999—2000	11.63	马赫数6~8的高超声速导弹武器
6.3	高速导弹技术（原HWT）	1999	30.83	用于新一代海军高速攻击导弹的双燃烧冲压发动机的推进、制导和控制以及军械技术
6.2	海军精确打击作战	2001—2002	49.68	进行高超声速武器开发、吸气式高超声速推进技术研究和双燃烧冲压发动机试验等
6.3	IHAT	2001—2004	12	多学科建模分析工具
6.2	HyFly	2002—2009	89.76	高超声速导弹飞行演示验证
6.3	猎鹰	2003—2010	209.77	以碳氢燃料涡轮冲压组合循环发动机为动力、低成本、可重复使用、全球到达的高超声速巡航飞行器
6.4	CAV	2004—2008	94.84	高超声速技术飞行器
6.5	AHW	2004—2008	881	类似HTV-2的快速打击方案
6.3	IH	2013	12.54	全球射程、可机动、飞行速度不小于马赫数20的高超声速飞行器
6.3	HSSW	2010至今	417.41	马赫数5+防区外武器
6.3	HAWC	2014至今	128	马赫数5+远程防区外快速响应武器
6.3	TBG	2014至今	246	空射高超声速助推-滑翔武器
6.3	XSP	2015至今	209	可重复使用、太空进入的无人飞行器
6.4	HCSW	2019	89.33	空射高超声速常规打击武器
6.4	ARRW	2019	168.73	TBG项目的延续
6.3	OpFires	2018至今	56	基于TBG技术验证创新的地面发射系统

2推进技术领域1999—2002财年高超推进技术领域经费投入较少，年均0.1亿美元。这一时期主要开展了高超推进技术的应用研究和先期技术开发研究。2003—2019财年投入较为稳定且具有一定规模，年均1.24亿美元，这一时期实施的项目较多。其中，超燃冲压发动机技术方面，主要为X-51A、HyFly以及与澳大利亚联合开展的HIFiRE；在高速涡轮发动机技术方面，重点开展了高马赫数涡轮发动机部件技术（HiMaTE），高性能涡轮发动机技术研究计划（IHPTET）/多用途、经济可承受的先进涡轮发动机研究计划（VAATE），高性能涡轮发动机技术研究计划（HiSTED）等研究计划；涡轮冲压组合发动机（TBCC）技术方面，涉及MoTr、Vulcan和AFRE等。表2  美军高超领域推进技术主要项目

BA类目	项目名称	起止时间/财年	经费总投入/百万美元	备注
6.2	高超技术计划	1999—2000	31.49	计划下包含4-5个项目，开发先进的高超声速技术
6.2	高速推进和先进武器技术	2003—2007 2013至今	166.61	-
6.2	低马赫超燃冲压发动机技术演示	2003—2013 2018至今	120.67	-
6.2	高超声速超燃冲压发动机技术	2012—2017	126.72	-
6.3	超燃冲压发动机技术	2004至今	353.11	-
6.2	涡扇/涡喷发动机核心技术	2003至今	521.19	-
6.2	涡扇/涡喷发动机风扇、低压涡轮及集成技术	2003至今	262.16	-
6.2	导弹及远程遥控飞机发动机技术	2003至今	65.98	-
6.2	综合推进技术	2004—2013	6.77	-
6.2	高速/高超声速可重复使用演示	2005—2007	65.7	-
6.2	火神（Vulcan）	2008—2009	12.1	涡轮/CVC发动机研究概念
6.3	模态转换（MoTr）	2009—2011	18.58	可用于马赫数6试飞器的TBCC
6.3	先进全速域发动机（AFRE）	2017至今	101.53	演示验证TBCC涡轮转换到双模态冲压发动机的过程

3试验设施与试验技术领域试验技术方面，OSD开展了对高速系统进行试验和鉴定的高速系统试验（HSST）项目，2006—2019财年共投入2.7亿美元。近年来，随着中俄等大国在高超声速领域的战略竞争加剧，美国开始对高超声速基础设施能力建设进行重新布局和规划，未来几年内其地面试验设施数量有望得到增长，其持续了近20年的高超声速试验科学技术专项储备的试验技术也将转化到新试验设施的建设中。试验设施方面，空军开展了高超声速能力开发（又称MARIAH II高超声速风洞）和与AEDC设施现代化（包括高超设施维护与改造）相关等项目。2017财年的OSD预算文件首次在CTEIP下为高超声速飞行器试验设施建设申请了预算经费(1 600万美元)，但由于CTEIP投资额大且无法剥离，故未计入统计。近年来，项目数量大增，但无法统计。4其它领域1999—2019财年高超材料与结构领域科研经费年均不超过0.5亿美元，呈波动变化；涉及热防护材料、高速/高超声速结构、多功能材料与结构、智能材料与制动器、自适应结构技术、现场辅助烧结技（FAST）等项目。近年来美国加速弹用制导控制技术研发；2011年空军明确提出对控制技术、导引头技术等规划；2014年提出导引头和导引头集成技术具有最高优先级；自2014财年后，高超GNC领域有少量科研资金投入，年均0.3亿美元。2010财年开始对高超引战技术领域有极少经费投入。

除对预算文件进行的不完全统计外，美军还存在部分黑预算，其中美国空军科研黑预算占总科研费的40%以上。美国为当今世界高超声速技术领域战略制定最全面、技术发展最快、项目数量及试验次数居高的国家，引领着全球高超声速领域的发展方向。纵观其二十多年在高超声速技术领域的科研经费投入，可知美国注重高超声速基础科研，正在加快高超声速关键技术攻关及演示验证研究，力争尽早实现高超武器实战化应用，夺取战略制高点。

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