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2019年国外高超声速飞行器技术发展综述
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来源：海鹰资讯
作者：张灿 林旭斌 刘都群 胡冬冬 叶蕾
2019年，国外高超声速飞行器发展呈现出武器化竞争扩散态势。美俄持续大力推进高超声速导弹演示验证和型号研制，法国和英国相继启动高超声速导弹研制项目，日本和印度积极开展技术储备。从发展应用方向来看，一次性使用高超声速导弹成为大国军事竞争的热点，并引发国际军控组织关注；可重复使用高超声速飞行器仍处于技术储备阶段，以动力为代表的核心关键技术取得重大突破。同时围绕加快技术成熟和武器装备需求，加大高超声速试验能力投入，持续推进基础科研技术发展。
01、美国显著加速高超声速导弹研制，体系化推进作战能力形成
延续2018年型号研制和预先研究并行的发展思路，美国在2019年显著加快高超声速导弹武器化进程，从工业基础、作战编队等方面全面推进高超声速打击能力形成，预计最早于2022年实现早期作战能力。美国国防部在2019年表示，未来4年计划安排40次飞行试验，其中约10次是采用超燃冲压发动机的吸气式高超声速飞行器，相关飞行试验数据将作为制定高超声速导弹发展路线图的基础输入，并计划未来五年（2020财年~2024财年）持续投入112亿美元。
型号研制方面，继2018年达成开发“通用高超声速滑翔体”（C-HGB）的合作协议后，美国海军、陆军、空军在2019年大力推进各自基于C-HGB弹头的高超声速导弹型号研制项目。其中，美国海军在2019年2月授予洛克希德·马丁航天公司8.46亿美元的导弹助推器研制合同，为“中远程常规快速打击”（IR-CPS）项目制造和集成大直径火箭发动机，计划在2024年1月完成IR-CPS项目全部科研工作；美国陆军在2019年正式启动“陆基高超声速导弹”（LRHW）项目，8月授出首批20枚C-HGB滑翔弹头生产合同和LRHW导弹系统集成研制合同，明确将与海军IR-CPS项目采用相同的助推器系统；美国空军依托“高超声速常规打击武器”（HCSW）项目，正在由洛克希德·马丁公司开展C-HGB改型的研制工作，以适应空投条件和B-52载机平台。此外，美国空军的另一导弹快速原型项目——“空射快速响应武器”（ARRW）在2019年6月成功开展首次B-52挂载飞行试验，并在12月授予洛克希德·马丁导弹与火控公司9.89亿美元的正式研制合同，预计2022年12月完成导弹原型样机研制工作。
图1 通用高超声速滑翔体（C-HGB）概念图
预研方面，美军按既定框架推进“高超声速吸气式武器方案”（HAWC）和“战术助推滑翔”（TBG）两个演示验证项目，计划2020年开展首次飞行试验。继2016年成为HAWC项目主承包商之一后，美国雷声公司在2019年2月新获得6330万美元的TBG项目合同，与洛克希德·马丁公司在HAWC和TBG项目上形成有力竞争。雷声公司在6月巴黎航展期间公开表示与诺格公司达成合作协议，将共同推进HAWC项目，在未来的高超声速巡航导弹型号研制生产上长期合作，并透露HAWC项目已成功完成关键地面试验；7月宣布与DARPA共同完成TBG项目的基线设计评审。此外，DARPA主导的“作战火力”（OpFires）项目在2019年10月完成第一阶段的助推器初始设计工作，将并行开展助推器方案深化研究和武器系统集成研制，计划在2022~2023年期间开展三次全系统飞行试验。
图2 美国雷声公司2019年公布的高超声速武器概念图
在技术和装备双向并进的同时，美国在2019年着手制定提升高超声速工业基础能力的战略计划，指派国防部合同管理机构的工业分析小组从2019年2月开始调研当前美国工业基础生产高超声速武器的能力，以鉴定潜在的薄弱环节，重点关注领域包括产能、工业基础瓶颈、技术劳动力、材料、制造、研发支持、投资需求和原型设计以及将技术过渡至生产状态的能力。
此外，为加速催化高超声速作战能力生成，美国陆军已着手建立首个高超声速武器部队，在陆军新成立的多域特遣部队战略火力营下设高超声速导弹连，采用陆军现有的高级野战炮兵战术数据系统，装配一辆指挥控制车及四辆升级版运输起竖发射车，每车装载2枚LRHW导弹，预计2021年完成组建，以期提前开展培训和演练，为更快形成作战能力奠定基础。
图3 陆军高超声速导弹连
02、俄罗斯同步推进多型高超声速导弹研制和部署列装
继去年高调公布多型高超声速导弹后，俄罗斯在2019年大力推进“锆石”的研制、“匕首”和“先锋”的部署，并披露新的改型研制计划。
“锆石”高超声速导弹研制进展顺利，预计将于2023年装备俄海军。俄总统普京在2月发表国情咨文时表示，“锆石”高超声速导弹将按时完成研制工作，飞行速度可达Ma9，射程将超过1000千米，未来可装备俄海军新型现代化的水面舰艇和潜艇。俄媒披露，俄罗斯国防部还将研发小型化的“锆石”高超声速反舰导弹，目前已明确对该新型导弹的技术要求，可能采用同样尺寸的发动机，但战斗部会更小，燃料储量、结构组件将简化，助推器也将做改进。
“匕首”高超声速空射弹道导弹继2018年高调亮相后，2019年11月中旬在北极地区搭载米格-31K成功完成一次实弹试射，测试了其在高纬度高寒地区的实战能力。12月27日，俄罗斯国防部长宣布，“先锋”高超声速导弹已于当天进入部队，开始执行战斗值班任务。
03、法国全面布局高超声速导弹武器研制
法国在2019年加紧高超声速导弹武器研制布局，意图依托高超声速技术推动其核武库升级。法国国防部部长在1月发表声明，已启动一型高超声速滑翔飞行器技术验证项目，预计2021年底进行首次试飞，将带动法国诸多技术和能力发展；另一方面，法国“武器装备总署”（DGA）在3月披露，“第四代空地核巡航导弹”（ASN4G）项目将发展一型采用超燃冲压发动机的高超声速导弹，目前正在由欧洲导弹集团（MBDA）公司开展初始设计研究。ASN4G项目于2014年启动，旨在替代现役超声速核巡航导弹ASMP-A，维持法国长期可靠的空基核威慑力量。
04、英国披露高超声速导弹研制信息
2019年7月，英国国防部高层在伦敦举办的空天力量会议上表示，英国皇家空军快速能力办公室正致力发展一型速度可达马赫数5的空射导弹，计划2023年前实现列装。该高层在会上展示了一型外观与美国洛克希德·马丁公司HAWC项目相似的导弹图片，但其未透露该弹到底是弹道导弹、巡航导弹还是助推滑翔导弹。
05、日本公布高超声速导弹装备计划
继2018年同时启动高速滑翔导弹和高超声速巡航导弹关键技术研究，日本防卫省在2019年11月发布文件，计划在2030年左右实现高超声速巡航导弹部署，在2030年中期实现改进型高超声速巡航导弹和助推滑翔系统装备。日本防卫省希望快速开展四个重点技术领域研究，包括火控技术、制导技术、超燃冲压推进技术和高超声速飞行器机体和弹头技术，以尽快应用到武器系统，开展渐进式改进和演示验证。
06、印度完成高超声速技术验证机首次试射
2019年6月，印度国防和发展组织（DRDO）自主研发的“高超声速技术验证机”（HSTDV）项目完成首次试射。此次试验旨在验证超燃冲压发动机技术验证机的短时自主飞行和导航、热防护等关键技术，设计指标是实现Ma6带动力飞行速度，并在20秒内升至32.5千米高度。尽管印度官方未公布结果，但据印度多家媒体报道，此次试验未达到预期的技术验证目标。
01、美国加紧高超声速可重复使用飞行器关键技术攻关
继去年洛克希德·马丁、波音多家公司披露高超声速飞机研制计划后，美国在2019年加紧推进以动力为代表的高超声速可重复使用飞行器关键技术研究，并取得一定进展。同时新的高超声速飞机研发项目涌现，高超声速飞行试验平台X-60A项目研发团队成立初创公司，在2019年5月获得种子轮融资，致力于发展高超声速飞机。
美国空军研究实验室同步开展多个动力技术攻关项目，一方面依托“高速作战系统使能支撑技术”（ETHOS）项目，于2019年4月授予美国轨道ATK公司和Innoveering公司一份不超过1000万美元的双模态超燃冲压发动机设计制造合同，要求在2023年1月前分别完成一型双模态超燃冲压发动机的方案设计、样机制造、直连以及整机自由射流试验工作；另一方面在“中等尺寸超燃冲压发动机关键部件”（MSCC）项目下，利用阿诺德工程发展综合体（AEDC）“气动与推进试验单元”（APTU）设施，完成了一型碳氢燃料超燃冲压发动机的地面直连试验。该发动机由诺格公司研制，长约5.5米，空气流量是X-51A所用碳氢燃料超燃冲压发动机的10倍，在Ma4+的测试条件下获得了约5.9吨的推力，并在9个月的测试期内累计运行了30分钟，创下了美国空军碳氢燃料超燃冲压动力地面试验的最大推力记录。
图4 美国中等尺寸超燃冲压发动机地面试验
02、英国高超声速动力技术取得重大突破
英国反应发动机公司（REL）稳步推进“佩刀”（SABRE）发动机科研工作，2019年不断取得新进展。3月，“佩刀”发动机1/4缩比验证机项目成功通过核心部件的初始设计评审，计划在2020年完成核心部件的制造和测试。与此同时，英国反应发动机公司与美国DARPA合作的“佩刀”发动机全尺寸预冷却器样机（HTX）项目，在3月~10月期间成功通过Ma3.3和Ma5条件下的地面高温考核试验。其中，预冷却器样机在Ma5条件下，成功地在0.05秒内将高达1000℃的高温气流冷却到100℃。
基于“佩刀”发动机取得的进展，英国在2019年7月授予罗尔斯-罗伊斯公司、英国BAE系统公司和英国反应发动机公司一份为期两年、总额1000万英镑的先进高马赫数推进系统研发合同。该合同旨在探索将“佩刀”发动机预冷技术应用到当前的超声速涡轮发动机，如EJ-200涡扇发动机，使其包线更宽、效率更高，并评估英国下一代飞机平台与高超声速的关系，在解决动力问题的基础上研究新技术能够带来的应用潜力。
03、欧洲深化开展Ma8级高超声速民用飞机技术研究
欧洲持续推进面向民用高速运输的飞行器技术研究。基于欧空局“长期先进推进概念和技术-II”（LAPCAT II）项目MR2.4方案，欧洲多个研究机构联合启动“高速推进概念的平流层飞行应用”（StratoFly）项目，计划在2035年前将300座级高超声速民用飞机的技术成熟度提高到6级，并在2019年6月巴黎航展上展出其飞行器缩比模型。StratoFly飞行器拟采用6台涡轮冲压发动机，将飞机加速到Ma4.5后，转换启动双模态超燃冲压发动机，先在亚燃模态下继续加速到Ma5以上，然后转换到超燃模态最终加速到Ma8。项目研究团队目前正在开发MR3型乘波体布局方案，计划在2019年下半年至2020年9月期间利用德国宇航局（DLR）的高焓风洞进行全机模拟试验，以评估MR3方案的气动特性。
01、美国多举并行提升高超声速试验能力
为加速高超声速武器研发和技术成熟，美国在2019年多举措并行，显著加快推进试验能力提升。在地面试验设施方面，美国新建和升级改造多座高超声速风洞。其中，冯卡门气动试验中心（VKF）的D风洞在2019年6月重新投入使用，现可产生Ma1.5~5范围内的高速流场，持续运行时间最长可达5分钟；AEDC 9号风洞在7月完成从马赫数14扩展到马赫数18升级后的初步调试；美国陆军未来司令部联合德克萨斯州农机大学，计划在德克萨斯州新建一座长达1千米、直径约1.8米的Ma10级高超声速风洞。在飞行试验平台方面，美国空军X-60A高超声速飞行试验平台完成关键设计评审，计划未来一年内进行首次飞行试验。在试验技术方面，桑迪亚国家实验室（SNL）在4月披露正研发人工智能技术在高超声速飞行试验中的应用。此外，为支撑即将密集开展的高超声速导弹飞行试验，美军重启位于加利福尼亚州的中国湖发射试验综合设施，采购3架RQ-4“全球鹰”无人机，以构建空中遥测数据收集与传输试验系统，并获得澳大利亚伍默拉试验场、挪威安岛火箭靶场两处基础设施的使用授权。
02、俄罗斯展示新型高超声速飞行试验平台，加大热防护和材料技术投入
为保障高超声速武器研发和后续批量部署需求，俄罗斯推动高超声速飞行试验平台和热防护平台建设，大力投入高超声速飞行器材料及技术研发。
在试验平台建设方面，俄罗斯在9月莫斯科航展上展示了一型高超声速飞行试验平台。该试验平台是一架长6米、重达3吨的无人飞行器，与通用助推器连接后，搭载伊尔-76运输机发射，试验数据可传输至载机或地面控制站进行处理分析。此外，俄罗斯联邦航天局在10月发布招标公告，计划斥资7.3亿卢布建造高超声速武器热防护试验台，将开发具备24个可自动控制的独立加热区、功率达100MW的试验台，探索在2500K高温地面试验环境下，对高超声速飞行器的耐热性、绝热性以及热防护进行测试的技术。
在基础科研技术方面，俄罗斯国家航天集团在9月发布招标公告，计划基于耐热连续纤维编织体，研发电磁波可穿透的高超声速飞行器整流罩隔热材料，预计投入3.469亿卢布，在2020年9月底完成相关研究。
随着大国间竞争的对抗性上升，高超声速武器这类兼具高度战术实用与战略威慑的先进武器正引发世界范围内的关注，并扩散为攻防两端能力建设以及潜在军控层面的全方位博弈。从技术和装备角度来看，一次性使用高超声速导弹预计在2023~2025年迎来井喷式部署列装；可重复使用高超声速飞行器正在加紧技术攻关布局，但尚处于地面验证阶段。相关动向值得密切关注和高度重视。
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