高超音速飞行器——临近空间飞行领域的霸主

　　“高超音速飞行器”在未来国家安全中起着重要作用，是各国竞相发展的一项顶尖技术。那么高超音速飞行器是什么样的国之重器，它在军事和民用领域都有哪些魅力，它的技术难点有哪些，让各国不仅争相发展还相互合作？为此，本期学姐采访了浙江大学航空航天学院副教授荣臻。

　　快——从北京到纽约不超过2小时

　　高超音（声）速称为“hypersonic”，这个词是我国著名科学家钱学森在1945年首次提出的。高超音（声）速一般指的是速度超过5倍（5马赫，即至少每小时6120公里）音速。

　　高超音（声）速飞行器是指飞行速度超过5倍音速的飞机、导弹、炮弹等有翼或无翼飞行器。这种飞行器在临近空间（距离地面20～100km的空域）执行飞行任务，既有航空技术的优势，又有航天器不可比拟的优点，既能在大气层内以高超音速进行巡航飞行，又能穿越大气层做再入轨道运行。它所采用的超音速冲压发动机被认为是继螺旋桨和喷气推进之后的第三次动力革命。

　　与传统的亚音速或超音速飞行器相比，该飞行器飞行速度更快、突防能力更强，具有很高的军事和民用价值，是未来进入临近空间并控制临近空间、保证控制优势的关键支柱，同时也是对临近空间进行大规模开发的载体，是一种具有广阔开发前景的新型未来飞行器。

　　高超音速飞行器之所以受人关注，其主要有以下三个优势：一是飞行速度快，如果军用的话，2小时内可以打击全球任何目标；若用于民用的话，从北京飞到纽约用不了2个小时。二是探测难度大、突防能力强，由于高超音速飞行器速度快、通过时间短，导致防御雷达累积回波数量较少，从而不易被发现,而且即使被发现，地面防空武器系统也难以实现有效瞄准，因此突防概率极高。三是射程远、威力大，目前正在研究的高超音速导弹，其射程都在几百甚至上千公里以上；另外，根据动能公式E=MV2（物体的动能与其速度的平方成正比）可知，高超音速飞行器在进行高超音速飞行时，其动能非常大，与传统的亚音速飞行器相比，在同样质量的情况下，威力也将增大很多。

　　根据公开出版的《临近空间高超音速飞行器发展研究》（中国宇航出版社，2012），临近空间高超音速飞行器的可根据功能分为三类：1、快速打击时间敏感性目标的临近空间高超音速飞行器（如美国X-51A、AHW等）；2、全球快速到达的临近空间高超音速飞行器（如美国HTV-2）；3、以快速进出空间为背景的临近空间高超音速飞行器——空天飞行器（如美国NASP、X-33等）。

　　其中技术难度相对较低的第一类飞行器，是目前各国重点研究的对象，而后两类飞行器还处于探索阶段。

　　尖——军事强国竞相发展的顶尖技术

　　高超音速技术发展始于20世纪50年代，世界上主要的航天大国都在涉及这一研究领域，尤其是近几年来，以美国、俄罗斯为代表的世界主要航天大国和军事强国十分重视高超音速技术的研究和投入，英国、德国、印度、日本、澳大利亚和法国等国也在同步积极推进。

　　美国作为军事科技强国，在高超音速飞行器的研究最早，也进行过多次试验。其中，基于吸热式超燃冲压发动机的X-51（后改名为X-51A）高超音速飞行器试验最为充分，结果也令人满意。

　　图1美国X-51A高超音速飞行器

　　X-51A高超音速飞行器长7.62m，宽0.58m，飞行高度大于21.3km，最大射程可达740km，最大速度可达马赫数6，发动机采用的是SJY61型碳氢燃料主动冷却超燃冲压发动机。

　　美国于20世纪90年代提出的全球快速打击计划是美国国家空天飞机计划的延续，X-51A高超音速飞行器是该计划的一大重要产物，由美国空军研究实验室、美国国防高级研究计划局（DARPA）、波音公司与普惠公司联合研制，代号为waverider（乘波者）。

　　X-51A高超音速飞行器于2010年5月26日首飞并取得了成功；然而第二次试飞与第三次试飞皆以失败告终，分别于2011年6月13日与2012年8月14日进行；第四次试飞于2013年5月3日进行并取得成功，虽然此次飞行仅维持了300秒，但飞行距离达数百公里，飞行高度超过2.4万米，飞行速度超过5马赫，成功验证了吸气式超燃冲压发动机推进飞行的可行性，此次试飞也是X-51A高超音速无人飞行器最后一次试飞，试飞的成功为X-51A计划画上了一个圆满的句号。

　　其他军事强国诸如俄罗斯、英国、德国等国也相继开展了高超音速飞行器的研制工作。

　　俄罗斯正在研发名为Yu-71的新型高超声速滑翔飞行器，2015年2月进行了飞行试验。该飞行器由SS-19匕首洲际弹道导弹搭载发射，从俄东部的杜巴罗夫斯基导弹基地升空，不过试验未取得成功。今年4月，俄罗斯实现了8倍声速的锆石高超声速巡航导弹的飞行试验。

　　英国长期开展和推进的高超音速飞行器“云霄塔”（如图2）及其发动机“佩刀”项目于2015年获得可行性验证，并于美国NASA联合对“云霄塔”的气动特性以及“佩刀”发动机进行仿真试验，并计划未来几年开展地面试验。

　　图2云霄塔

　　德国高超声速导弹的主要性能指标为:飞行马赫数6.5,采用高能、高密度的吸热型碳氢燃料超燃冲压发动机,惯性加全球定位系统复合制导,射程为1000km左右,命中精度在15m以内。

　　高超声速飞行器技术难度之大，其高回报背后是高投资、高风险。因此，采用国际合作方式，可以获得资金成本、风险降低、获得先进技术等诸多好处，无疑是高超声速技术研究领域的一个有效途径。

　　近日据外媒报道，美国和澳大利亚成功在澳大利亚南部武麦拉试验场进行了一次HiFire-4高超声速飞行试验，其飞行速度达到1.2万公里/小时。高超声速技术领域的国际合作最早可追溯到俄罗斯邀请美国、法国参与的冷计划，俄罗斯通过国际合作实现了世界上首次高超飞行试验，之后又催生了美国的Hyper-X高超声速计划，大大推动了美国高超声速技术发展。

　　正因国际合作的巨大收益，随之产生了美澳联合的HyCAUSE；澳、英、美、法、德、韩、日联合的HyShot；印俄联合研制的布拉莫斯系列导弹；英美联合的Skylon等大量在高超声速技术领域的国际合作项目。

　　世界军事大国高度重视高超声速技术研制的背后，均因其广阔的应用前景。兵法云“得先机者得天下”，目前美国在高超声速武器研制领域最广泛、最深入，并且率先开始空射高超声速巡航导弹工程武器化研制，已经抢占“军事先机”，需要世界各国提高警惕。

　　难——如何给武器安上一双冲天的翅膀

　　新时期战争不再是以军事战斗人员的数量取胜的时代了，而是建立在新型军事科技基础之上的军事力量对拼。作为新型高科技武器装备之一的高超音速飞行器将给战争的胜败带来深远的影响。新的装备必定要求有新的技术来支撑，必定会遇到重重困难。

　　高超音速飞行器涉及发动机、结构外形设计、材料研制、气动受力分析、控制算法开发、优化和计算机等众多技术，是集航空、航天、材料、气动、控制、优化和计算机于一体的多学科交叉研究领域，是航空航天技术的战略制高点，技术难度可见一斑。

　　首先是高超音速推进技术。高超音速飞行器的发展以“动力先行”为重要指导思想。目前各国发展高超音速技术，主要选用超燃冲压发动机（如图3）作为推进系统。

　　图3超燃冲压发动机原理结构图

　　不同于常见的航空涡轮发动机，超燃冲压发动机的一个技术困难是飞行器必须达到一定速度才能启动，所以要有助推器提供初速才行。在高速飞行过程中，超燃冲压发动机燃烧室在没有压气机的条件下，要实现高速气体减速增压以及和燃料充分混合并瞬时点火成功，有人以“在飓风里点燃一根火柴并保持燃烧”来形容超燃冲压发动机起动成功。难度可想而知。

　　二是一体化总体设计技术。飞行器一体化总体设计技术指的是通过飞行器与推进器两者相互作用获得尽可能高的飞行器气动和推进性能、稳定性与控制特性。飞行器机体和推进系统的一体化设计，是整个飞行器性能的关键，而且马赫数越高，问题越突出。由于试验结果非常有限，也没有成熟的设计方法参考，高超声速飞行器一体化总体设计技术主要还得依赖大量的高速风洞试验、计算机模拟，更需要进行实际飞行测试，技术难度和研制风险都很大。

　　以美国HTV-2高超音速飞行器为例，其飞行速度要经历从22倍音速再入，16倍音速以上速度开始滑翔，最后减速到4倍音速的过程；飞行高度也从60公里左右开始，最后降低到20～30公里，飞行距离长达5500公里，其横向机动（侧向飞行）能力也有2000公里。HTV-2项目经理曾经很无奈地说：我们知道如何将飞行器送入近空间，也知道如何再入大气层进行高超音速飞行，但我们不知道如何在高超音速飞行下进行气动控制。

　　三是高超音速空气动力学。飞行器在以高超音速飞行时，空气的粘性作用致使飞行器表面产生强烈的气动热，能使附着气体产生分解和电离，形成复杂的混合气体，飞行器前缘驻点温度将高达10000℃左右，如图4所示。

　　图4高超音速飞行器飞行时的温度分布图

　　高温会对飞行器造成不可恢复的损伤，致使飞行器结构外形发生烧蚀、结构强度以及刚度发生改变，对飞行器的正常飞行以及安全带来极为严重的影响。这要求必须综合解决真实飞行环境下气动力与热特性的难题。目前，各国正积极发展与高超声速空气动力与热力学相关的基础理论、建模计算及试验验证手段。

　　四是结构材料技术。长寿命、耐高温、抗腐蚀、高强度、低密度结构材料，对研制高超音速飞行器至关重要，要求材料和结构技术必须取得重大突破。新一代空天飞行器热防护问题具有不同的特点——复杂的升力体外形、长时间热流。为了获得良好的气动特性，一般需采用保持飞行器外形不变的非烧蚀热防护技术，还要解决长时间持续飞行的内部隔热问题，需要发展新的热流预测技术和热防护技术。

　　高超音速技术一旦取得突破，其军事应用将十分广泛。比如利用高超音速技术对现有的导弹、炮弹、作战飞机等武器进行超速化改造后，这些武器就会像长了一飞冲天的翅膀，作战效能将会产生质的飞跃。

　　强——我国拥有世界领先水平的风洞

　　我国很早就意识到高超音速飞行器的重要意义，但是直到20世纪90年代后才开始进行深入的研究。到了21世纪初，高超音速飞行器及其相关技术在863计划（国家高技术研究发展计划）和973计划（国家重点基础研究发展计划）等研究专项的支持下，获得了令人瞩目的成就。

　　国家“十二五”建设期间，由航天科工集团公司和航天科技集团公司抓总研制，分别成立了“高超音速飞行器科技工程”和“临近空间无人飞行器”两个重大科技专项。中国运载火箭技术研究院于2008年10月成立了“北京临近空间飞行器系统工程研究所”（一院10所）。另外，北京大学、浙江大学和上海交通大学等高校也相继成立临近空间飞行器研究机构。

　　此外，航天科技集团成立了高超音速飞行器防隔热技术中心，重点研究高超音速飞行器防隔热前沿技术。国防科技大学研究团队在超燃冲压发动机及其地面试验、飞行试验技术等方面进行了开拓性研究，实现了技术水平的跨越。航天科工三院31所研发的首台联合循环高超音速发动机，将涡喷发动机、火箭和超燃冲压发动机组合在一起，利用三种发动机不同的性能实现飞行器从起飞到亚音速飞行、再到高速飞行、再实现高超音速巡航，最后还能减速降落。

　　风洞实际上是先进飞行器的摇篮，飞行器在风洞中进行模拟实验——飞行器不动，在风洞中产生与它飞行速度相等的气流速度来模拟飞行环境。中国科学院力学所设计建造的JF12复现高超声速激波风洞（如图5、图6所示），其整体性能优于国外同类设备，可复现25至40公里高空、5到10倍音速的高超音速飞行条件；高超音速发动机需要的实验时间至少需要60到70毫秒，我国的风洞实验时间能够做到100毫秒，而国外的相关风洞大约为30毫秒；中国的喷管直径可达2.5米，实验舱直径3.5米，都明显优于国外同类风洞，真可以说是个“超级风洞”，达到了世界领先水平，而且美国对我国这个风洞非常关注。

　　图5JF12复现高超声速激波风洞外观

　　图6 JF12复现高超声速激波风洞实验段

　　变——全球快速到达改变你我生活

　　高超音速飞行器技术作为21世纪各国竞相发展的一项顶尖技术，必将在未来各国军事抗衡、战略布局中占据一席之地，具有很高的军事和民用价值，是未来进入空间并控制空间、保证控制优势的关键支柱，同时也是对空间进行大规模开发的载体，是一种具有广阔开发前景的飞行器。

　　在军事上，高超音速飞行器的开发，将带领快速精确打击武器时代的到来。全球可达、远距离精确打击将是高超音速武器的重大优势。由于其可以在大气层内自行加速至5马赫以上，所以可以具有更快的飞行速度和更高的机动性。

　　高超音速武器在打击目标上具有传统武器难以比拟的优势，是一把快、准、狠的尖刀，拦截难度高，破坏力强，是临近空间飞行领域的霸主，具有很大的战略意义。

　　在民用上，一方面高超声速飞行技术将成为快速运输的里程碑式成果，全球快速到达可以大大拉近不同地域之间的人员和物资距离，提升运输效率，为全球经济发展提供新的增长点，并改善人类的生活方式及生活水平。由于其速度上无可比拟的优势，高超声速飞行器在民用运载上将带来极大的经济效益。另一方面，高超声速飞行器的开发，将使得高效率、低成本的空间利用成为可能。

　　高超声速飞行器具有对地球高层大气和外层空间进行探测的能力，为将来的星球探测、星球之间的运输提供服务。高超声速飞行器在空间开发上具有强劲的实力，可以为深空探测提供更加可靠、可控性更强的工具，同时使得空间移民、开辟地球外新家园成为可能。

　　高超音速技术是21世纪航空航天领域战略制高点，具有快速打击和远程投送能力，成为当今世界强国关注的战略发展方向，也必将会带来新一轮高技术和新型产业的发展。