美国高超声速研究

1、美国高超声速研究纵览2012 年高超声速技术发展状态，美国、俄罗斯、德国、澳大利亚和印度等国的高超声速项目都在紧锣密鼓地进行。其中以美国最为活跃，在通过各种渠道收集到的高超声速项目进展情报中，美国占世界总量的 50%，是俄罗斯、欧洲空间局的 4倍，德国、澳大利亚等国的8 倍。可以说，美国的高超声速项目进展与趋势是世界范围内高超声速项目发展的风向标。高超声速飞行器技术是未来高速飞行器发展的主要支撑性技术，已从概念和原理探索阶段进入到以高超声速巡航导弹、高超声速飞机、跨大气层飞行器和空天飞机等为应用背景的先期技术开发阶段。高超声速飞行器技术一旦实现并应用于军事领域，将改变未来战争的作战样式，并对国

2、家安全产生重大战略性影响。21 世纪开始，美国基于全球到达，全球打击战略，提出了全方位的高超声速武器和先进航天器研制计划，相继实施 Hyper-X、HyFly、FALCON 等高超声速飞行器计划，已陆续取得了技术上的重大突破，并相继进行了地面和飞行试验，引领世界范围的高超声速飞行器技术研发热潮。本文从高超声速飞行器技术发展的视角，针对美国近期 X-51A、Hy-Fly 和 HTV-2 高超声速飞行器飞行试验相继失利的原因进行探讨和分析，给出了其失利原因和发展走向的基本判断和启示思考。高超声速飞行器的研制面临巨大的技术挑战，如燃料在超声速气流中的稳定燃烧，严重的飞行器气动加热以及飞行过程中的稳定

3、性控制等关键技术问题还需要进一步攻克。美国自 20世纪 50 年代开始研究吸气式高超声速飞行器技术。冷战期间，美国为争夺霸权和军备竞赛的需要，提出过许多超燃冲压发动机及高超声速飞行器发展计划，但由于在技术、经费和管理方面遇到了一系列的困难，这些计划均中途夭折。1986 年，美国开始进行 X-30 国家空天飞机( NASP) 计划，进一步开发超燃冲压发动机技术，但最终仍然由于技术上无法突破而最终放弃。此后，美国航空航天局( NASA) 继续执行了一项规模较小的高超声速 X 计划，其目的是扩展将来可以军用和民用的高超声速飞行的技术基础。从1996 年开始，美国对高超声速飞行器技术的发展进行了调整，

4、确立了分阶段逐步发展的思路，首先选择巡航导弹为突破口，而后转入其它飞行器与天地往返运输系统，降低了近期的发展目标。目前，美国正在全方位发展高超声速飞行器技术，美国海军、空军、国防高级研究计划局( DAR-PA) 已确提出发展高超声速巡航导弹，并正在实施相关的多项研究计划( Hyper-X、HyFly、FALCON等) 。但最近两年美国在高超声速飞行器飞行试验中屡次失败，给高超声速飞行器计划的前景蒙上了阴影。X-51AX-51A Waverider( 乘波器) 项目是由美国空军、DARPA 以及 Pratt Whitney Rocketdyne 和波音公司共同承担，继承于早期的 Hyper-X(

5、 X-43A)项目，以验证高超声速飞行能力。X-51A 设计速度在 Ma = 4 5 6 5 左右，涉及到碳氢燃料超燃冲压发动机推进系统、高温材料、机体/发动机一体化等众多关键技术。这次试验部分成功。超燃冲压发动机在马赫数 5左右工作了 140 s( 原计划 170 s，结束试验前30 s，密封圈失效，造成发动机推力减小) 。2011 年 6 月进行了第二次飞行试验，这次试验以失败告终。助推器将 X-51A 加速到马赫数 5，但超燃冲压发动机未能启动，虽然此后地面人员多次试图重新启动，但最终未成功。事后调查原因为进气道不启动，NASA 认为进气道前缘激波移动太远，引起气流偏移，最终导致超燃冲压

6、发动机启动失败。按照计划，未来预计 X-51A 还将进行两次飞行测试，但波音公司认为飞行试验次数不足，即使四次预期的飞行试验都获得成功，还应至少再增加两次飞行测试。HyFlyHypersonics Flight Demonstration ( HyFly) 项目始于 2002 年，面向美国未来海军需要，由美国海军和 DARPA 以及波音公司共同承担。HyFly 项目计划设计、建造和测试一种高超声速飞行器，为战术导弹提供技术验证，该飞行器巡航速度为Ma = 6、空射射程为 740 km、地面发射射程为1 100 km。HyFly 项目涉及到双模冲压发动机技术( DCR) 、轻质高温材料、制导控制

7、等众多关键技术。HyFly 项目原计划 2007 年 1 月进行首次飞行试验，双模冲压发动机的地面测试将之延迟到2007 年 9 月，原计划准备测试双模冲压发动机的启动、燃油控制、爬升以及加速情况，但燃油系统存在的问题导致飞行器仅加速到马赫数 3 5，飞行试验失败。2008 年 1 月，第二次飞行试验中，燃油泵出现了问题，导致双模冲压发动机未能启动，飞行试验失败。2010 年 7 月，HyFly 高超声速导弹验证机进行了第三次也是最后一次飞行试验，导弹的助推器并没能成功点火，DARPA 认为机载飞行软件发现内部电池电压过低，导致软件异常中断发动机点火。双模冲压发动机的演示验证是 HyFly 项

8、目的研发重点，但三次飞行试验出现的问题都没有涉及到需要验证的双模冲压发动机推进技术，未能对双模冲压发动机技术进行验证。HyFly 高超声速导弹模型风洞实验。HTVFalcon Hypersonic Technology Vehicle ( HTV) 演示验证项目是由美国空军和 DARPA 共同承担研制的。HTV 项目的目的是发展验证高超声速飞行器技术，以支撑快速全球到达任务，其发展的飞行器是可重复使用的类航空器外形的高超声速飞行器，能够在普通机场起飞和降落。HTV 项目始于 2003年，是美国全球快速打击计划的重要项目，计划演示验证三种飞行器: HTV-1、HTV-2 和 HTV-3 。HTV

9、-3 飞行器由于 2009 年美国国会削减财政预算而被迫搁浅，DARPA 只好转而开发 HTV-2。HTV 项目涉及到高升阻比气动外形技术、轻质高温材料技术、热管理技术、导航和自动飞行控制技术以及涡轮组合循环发动机( TBCC) 技术等众多关键技术。HTV 项目原计划于 2009 年 3 月和 8 月进行两次飞行试验，实际飞行试验分别被推迟至 2010 年和 2011 年。2010 年 4 月，HTV-2 进行了首次发射，以飞行速度马赫数 17 22 飞行了 139 s，但结果并不完美。技术数据显示，HTV-2 的起飞和与火箭分离都很顺利，但进入飞行试验 9 min 后，遥测站与HTV-2 失去联系。美国国防部称，当时由于系统侦测到飞行模式出现异常，因此，强制导引飞行器坠入海中。2011 年 8 月，HTV-2 飞行器在美国加州范登堡空军基地成功发射升空，但在太空边缘与火箭分离后，HTV-2 飞行器在独自飞行并返回地球时失去联系。总结美国已经进行了多次高超声速飞行试验，积累了大量的数据和经验，研究水平大幅领先于其它国家。即便如此，按照美国高超声速项目发展现状，从试验走向使用还须假以时日。2013 年