[科普中国]-高超音速飞机

历程

据国外媒体报道，航空巨头表示，高超音速飞机将成为航空运输业发展的必然趋势，美国政府正寻求多方面支持和资助，希望能走在世界前沿。在上个月举行的一场研讨会上，NASA、美国空军、洛克希德马丁等航空业巨头表示，我们即将迎来空中运输的新纪元。不过，有专家表示，要真正推广这项技术，必须要有大幅度减少飞机产生的超音速音爆的措施，目前，许多公司正在努力研发解决这个问题的方法。据称，高超音速飞机的飞行速度将至少达到音速的5倍，环游世界只需要4个小时。

专家表示，高超音速飞机的研发在停滞许久后开始蓬勃发展，将先进的技术逐渐变为现实。NASA的航空项目目前正致力于研究一款试验性飞机，项目由众议院科学委员会成员Steve Knight领导。Knight表示，自从1967年以来，美国就没有再研究过高超音速飞机，尽管有两个无人驾驶超音速项目——X-51和X-43，但工作却没有继续下去。不过他希望当时研究的数据仍能用于当今的研究中。

今年二月，NASA授予洛克希德马丁公司一份设计一架试验性飞机的合同，用以检测减少音爆的技术。NASA最近也在研究混合机翼及其他能够提高功率并减少环境污染。不过，来自国会和总统对预算的管控对科学家们的进一步研究产生了一定影响。专家表示，我们时间不多了。就在几个月前，一项革命性的超高音速推进系统向地面展示推进了一大步，但大小只是最初版本的四分之一。

喷气发动机（ReactionEngines）公司将旗下Sabre引擎大小进行了相应缩减，使其成为更适合早期应用的展示模型，包括一款模拟飞行软件。该公司目前正在研发一款融合了喷气式飞机和火箭技术的涡轮发动机，以达到5倍音速的目标。在接下来的研发中，科学家们将着重研究一种更小的引擎，类似F-35联合攻击战斗机（JSF）的F135引擎。

接着，研发团队将在2020-2021年开始进行整合引擎测试，该系统还将进行海平面测试，研究者们将通过加热气流模拟高速气流，随后将在风洞里进行测试，评估流动状态。核心技术将在英国进行测试，意味着该公司需要建造一个带有氢/空气呼吸预燃室的检测设施1。

需解决的问题解决相应动力装置涡轮喷气发动机在飞机飞行马赫数大于3.5之后，性能会迅速下降。如果飞机使用火箭发动机则携带氧化剂和燃料的负担过重。虽然2冲压喷气发动机马赫数在3.5～6之间可以有较好的性能，但压力和温度会有较大的损失。马赫数大于6时，使用碳氢燃料在超音速气流中燃烧的冲压喷气发动机较为适宜。巡航马赫数大于4时，使用涡喷/冲压喷气/超燃冲压喷气混合发动机是一个较好的方案。

接受高强度激波的挑战风洞试验初步表明，马赫数为5～6时，巡航升阻比在5.5～6.0之间。采用乘波优化方案可进一步提高升阻比。

解决表面温度问题高超音速飞行会遇到恶劣的热环境。作为一级入轨的航天飞机X-30的表面温度达到840～1 840℃，除需发展能长时间耐高温的轻合金材料、非金属复合材料外，突出的难点是结构和热管，须考虑材料的热膨胀系数问题，以免翘曲或裂缝。马赫数大于5时，发动机构件需进行有效的冷却。马赫数接近15时，必须对机身结构的某些部分进行有效的冷却。

解决噪声和音爆问题高超音速飞机投入使用会遇到比超音速飞机更为严重的噪声和音爆问题，必须有效解决。

研究作用高超音速飞机的研究工作和航天飞机研究存在着紧密的联系。1994年终止的X-30飞机就是作为一级入轨的航天飞机进行研究的。德国的桑格尔(sanger)则是作为二级入轨的航天飞机的第一级被研究的。

X-30飞机X-30是由美国国防部和国家航空航天局共同组织研制的可复用空天飞机研究机，其目的是弥补地面试验设备在研究马赫数大于8以上飞行现象的不足，开发验证用于高超音速飞行的基础技术，以便制造在技术、成本及应用上更为先进的航天运输系统和军、民用飞机。它是美国"国家空天飞机计划"(NASP)有一个组成部分。3

桑格尔于1999年进行样机的飞行验证工作 。桑格尔航天飞机是可重复使用的两级空间运输系统。 MBB公司领导研究小组进行第一阶段的方案论证研究。第一阶段的研究在今年2月开始，为期4年， 投资2.2 亿马克 。西德工业界 提供3000万马克 ，其中有一半是MBB公司提供的。 第二阶段技术研究计划在1993年进行，1996年进行可行性验证。 桑格尔航天飞机的研制可能在1996年开始，阿里安一5 型运载火箭的研制工作业已完成。桑格尔第一次飞行 在2006年 。 桑格尔航天飞机第一阶段研究管理人员说， 为了实现真正的欧洲自主，也就是说要达到能在欧洲发射的目的 (考虑到安全的原因) ，只有水平发射是可行的。 欧洲要求桑格尔航天飞机完成的主要任务是 :飞经自由号空间站和飞往以哥伦布为基地的自主载人平台，并发射到静止轨道上 。要完成这些任务，需要航天飞机具备 3500公里的巡航能力， 桑格尔航天飞机只有装上 5 台第一级 吸气式涡轮冲压发动机才能达到这一 能力。 与英国霍托尔 (H oto1) 航天飞机等单级入轨方案不同的是，桑格尔航天飞机的两级入轨方案是把吸气推进系统与火箭发动机分开。

MBB公司的空间通信与推进系统部副总裁兼总经理说 : “ 这样可避免因极复杂的复合推进系统带来的技术风险，而且不会将任何不必要的重量带入轨道。推进技术是桑格尔航天飞机成败的关键。” 凯尔勒说，桑格尔航天飞机有翼第一级飞行器的涡轮冲压发动机，推力为 300 千牛，它和未来潜在的高超音速客机的通用性最大。 凯尔勒认为，过去的经验证明，载人空间飞行应与不载人飞行严格分开，桑格尔航天飞机就是这样的。因为它有两个不同的上面级:一个是可重复使用的HORUS， 它是用于载人的高超音速轨道上面级， 可以把 4 吨有效载荷送入轨道;另一个是一次性的CARGUS，这是不载人的货运上面级，可载 14 吨有效载荷。 凯尔勒说，研制桑格尔航天飞机在技术上不需要任何突破。他还争辩道，桑格尔航天飞机是阿里安~5型运载火箭与赫尔墨斯载人航天飞机顺理成章的下一代航天器。4

桑格尔航天飞机每年可进行 6 次载人飞行 ，每次费用为1 500~ 2 000万美元。与此相比，赫尔墨斯航天飞机的发射费用为 2 亿美元，每年只能进行 2 次发射。桑格尔航天飞机每年可为欧洲节省1亿美元。 桑格尔航天飞机的飞行过程是这样的:开始时由第一级涡轮喷气发动机推动，将桑格尔送到10公里的高度 ，然后在加力燃烧室的全 力推动下超过声速。在速度达到马赫 3.5， 高度为 19.54 里 时，冲压发动机起动，使桑格尔加速到马赫 4.4 ，此时高度28公里。在居住区上空以马赫 4.4 速度向南飞行 3 500公里，然后适时向东，直到桑格尔加速到马赫 6.6，高度为 37 公里时，其第一级便与第二级分离。5

X-41空天轰炸飞行器验证机X-41从2005年开始进行试验，它在9月份取得的成功使臭鼬工厂不必再制造HTV-1初级技术原型机。洛·马公司将开始制造第二阶段原型机HTV-2，HTV-3原型机于2009年升空，真正的“黑雨燕”HTV-3X空天轰炸机的首次试飞于2012年。6HTV- 3X项目在2008年被削减大量经费，最后该项目被取消，但DARPA通过该项目对高超音速飞行器及其动力系统进行了研究，除了洛·马公司外，GenCorp Inc公司旗下的Rocketdyne公司也会加入该项目中，后者以研制发动机见长，高超音速动力系统将与组合循环动力有关。SR -72项目基于HTV- 3X，后者的经费由国防高级研究计划局（DARPA）承担，但在2008年就被砍掉，HTV- 3X项目的动力系统并没符合设计要求。7