国外高超声速飞行器发展现状与趋势

国外高超声速飞行器发展现状与趋势

高超声速航天器的发展历程自21世纪以来，一些国家进入了先进的高超声速武器和空天武器研究阶段，并在hyper-x、hy羽毛、hifire、hy-v、布拉莫斯-2、lea、skyla等项目和计划的实施方面取得了进展。近年来,美国在前期研究的基础上进行了大量高超声速飞行器试飞,对研究成果进行了大量验证,收获颇丰。俄罗斯在20世纪90年代前后进行了一系列试飞后,随着国力的衰退而罕有进展。直至近年来国力复苏,开始与印度合作进行高超声速武器的研发。德国、澳大利亚、英国等国家也相继完成了飞行与地面试验。此外,巴西、印度等国也纷纷提出了高超声速飞行器方案。2013年是世界高超声速较为特殊的一年,以美国X-51A高超声速飞行器第1次试飞为起点,2010—2013年是世界各国高超声速飞行器发展的一个小高潮。发展至2013年,很多项目按照规划而终止,同时又诞生了很多新的项目,因此,2013年成为了高超声速飞行器发展“承上启下”的一年,显得更为特殊、重要。1其他国家技术研究和攻关目前,美国对高超声速飞行器的研究和试验进度已经显著领先于其它国家。这一点可以从美国近年来连续进行高超声速飞行器试飞上体现出来。相比之下,其它国家目前将更多的精力放在基础技术研究和攻关上。2010—2013年世界高超声速飞行器试飞情况统计如图1所示(图中俄罗斯高超声速飞行器为20世纪90年代的GELA,仅起代表作用)。1.1澳合作的多元项目由图1可见,美国4年共完成X-51A、HTV-2和AHW共计3个项目7次试飞,若将美澳合作的HIFiRE项目计入其中,这一数字可增加至12次,加上美国此前曾开展的X-43A项目和HyFly项目,遥遥领先世界其它国家。这些试飞是美国政府、军队、科研和工程单位合力的集中体现,不论试验成功与否,均对美国技术的进步和高超声速飞行器向着实用化的发展起到了积极的推动作用。1.1.1试验4:进气道不启动问题X-51A于2010年5月26日、2011年6月13日和2012年8月14日进行了前三次试飞。其中第1次试飞不完全成功,飞行器首先在发动机切换到纯JP-7燃料工作140s后遭遇了进气道不启动问题的困扰,随后位于飞行器超燃冲压发动机和机体喷管之间的热密封发生泄漏,致使飞行器最大马赫数仅达到4.87。虽然试验结果并未达到预期,但整个试验还算“完整”。2011年和2012年的两次试飞并没有在首飞的基础上有所突破。首飞暴露的进气道不启动问题反而在第2次试飞中彻底爆发,试验提前告终。2012年8月14日的第3次试飞由于右上控制尾翼的意外解锁而失败。连续的失败并没有使整个项目走向终结,在多方支持下,项目团队重整旗鼓并终于在2013年的第四次试飞中大获成功。1.1.2ht-2试验方案HTV-2项目是美国国防高级研究计划局(DAR-PA)FALCON项目的一部分。2010年4月22日和2011年8月11日,HTV-2分别进行了两次试飞,两次试飞均采用牛头怪IVLite火箭发射,但均以失败告终。但两次失败的飞行并非一无所获,首先,研究人员成功确定了两次失败的原因。其次,HTV-2在有限的飞行时间内成功验证了气动可控的高超声速飞行、高速飞行下的GPS功能,以及大量前期地面试验和研究的结果,并且为研究人员提出了直观、明确的技术问题。因此,就HTV-2整个项目而言,其结果是喜忧参半的。由于已经完成了预定的两次试飞,该项目可能已经终止。在HTV-2项目终止之后,DARPA又于2012年7月6日发布“一体化高超声速(IntegratedHyper-sonics,IH)技术研发”公告,研究涉及总体布局、气动力/气动热、结构和热防护、导航制导与控制以及试验相关的靶场能力与仪器等多个领域,并且计划于2016年完成全尺寸高超声速试验飞行器(Hy-personicX-plane,HX)的飞行,如图2所示。HX应为一种可重复使用的,采用火箭基动力的高超声速平台,可以远距离飞行,并具有大范围机动能力。由于采用了多次助推技术,HX可以根据需要灵活加速或爬高以增大航程,或依靠发动机中段助推提供的动能实现大角度转弯而不损失续航能力。而这种动力辅助下的HX可以在一定程度上实现类似于巡航导弹的较为灵活的任务规划和执行能力。IH项目很多方面的设计都是基于FALCON项目高升阻比飞行器设计,但可以看出,HX较HTV-2已经有了巨大的变化,可能成为更加灵活、更为快速、覆盖范围更大的打击武器。1.1.3飞行性能好,部署了ahw计划先进高超声速武器(AdvancedHypersonicWeapon,AHW)是美国陆军提出的一种类似于HTV-2的快速打击方案,具有在35min完成6000km射程的飞行性能,精度小于10m。可在关岛、迪戈加亚岛和波多黎各等地部署。美国国防部给予大量资金支持,并将该计划作为空军常规快速全球打击计划的备份项目。2011年11月17日美国东部时间6∶30,美国进行了AHW的首次试飞。成功完成了预定的约4000km飞行。但AHW项目自此销声匿迹,在2012、2013年未见相关公开消息,预计的第2次试飞也没有新闻报道。1.1.4rityntation启动美、澳合作的项目HIFiRE(HypersonicInterna-tionalFlightResearchExperimentation)于2006年11月10日正式启动。其基本理念是将试飞视作地面试验和数值计算的补充,三种方法协调应用可以大幅提高对高超声速关键技术的攻关速度。截至目前,HIFiRE项目共完成5次试飞,成功率达到80%,明显高于其它试飞项目。从HIFiRE项目的试验过程来看,该项目的技术也逐渐由基础技术研究转向可能具有一定实际应用前景的高超声速飞行器试验研究。1.2高超声速机动试验俄罗斯在20世纪90年代曾进行过大量高超声速飞行器研究和试验工作,其进度一度领先于美国,如Kholod项目的试飞时间比美国X-43A早了近10年。然而,随着俄罗斯国力的衰落,当时的高超声速技术研究并未最终转化成武器装备投入使用。近年来,随着俄罗斯国力的复苏和美国频繁的高超声速试验,俄政府担心美国的高超声速飞行器有可能在2015—2018年前后形成初始作战能力并对俄罗斯构成威胁。俄罗斯在2012年夏天完成了高超声速导弹与载机挂架的分离试验,此次试验并非真正意义上的发射试验,而是弹机分离试验。试验中,导弹从载机上分离,发动机点火,以亚声速飞行数千米并着陆。试验的目的是验证导弹在飞行中的表现,以及导弹与发射系统和载机的交互能力。测试系统的名称、功能乃至测试计划的代号都是保密的。2013年7~8月,俄罗斯计划对高超声速导弹进行更大规模的试验,逐步提高高超声速导弹发动机的试飞速度。此外,俄罗斯与印度联合研制的布拉莫斯-2高超声速导弹也在运作之中,布拉莫斯航空航天公司预计其试飞时间可能在2015—2017年。1.3fpss:单级入轨航天器欧洲近年来在高超声速技术领域的研究与发展更多偏向于宇宙探索、航空运输两大领域和相关基础技术,而不像美国一般重点关注武器技术发展,如图3所示。欧洲长期以来在单/双级入轨领域的研究是有目共睹的,进入二十一世纪,欧洲主要有SKYLON、Spaceplane以及FAST20XX等入轨飞行器项目。其中,SKYLON项目由于2012年获得了突破性进展而较为著名———其轻质预冷却交换器在2012年底的验证工作中取得了成功。此外,欧洲还尝试开展Spaceplane项目,旨在为科学研究及民用太空旅行提供平台。双级入轨飞行器领域,欧空局带领16家参与方进行的FAST20XX项目正在积极推进。FAST20XX分为低能量概念和高能量概念两部分,低能量概念计划发展10~15年,采用空射方式,航程较小,不能携带乘客,目前有大飞机翼下挂载和背负携带等发射模式。FAST20XX高能量方案规划至2040年左右完成,是一种采用火箭发射垂直起飞,水平着陆的双级入轨飞行器。与运载火箭发射的航天飞机不同,FAST20XX所使用的助推级将是完全可重复使用的。该飞行器可以搭载50~100名乘客,仅需90min完成从澳大利亚到欧洲的长途飞行。此外,FAST20XX还特别提出了环保特性,强调其没有碳氮氧化物排放。欧洲高超声速飞行器研究的另一标志性特点是更多关注大型飞行器。目前,已经有多个项目开始进行大型货运及载人飞行器的研究工作。LAPCAT飞行器设计用来搭乘300名乘客,ZEHST可以搭载60名乘客,飞行器的质量、尺寸等远超美国当前高超声速飞行器水平。与LAPCAT用途相似的ZEHST项目于2011年巴黎航展上首次亮相,吸引了众多眼球。在对该机的介绍中,除了高速飞行及类似飞机的操作以外,着重强调了其环境友好性。ZEHST项目目前计划实施28个月(自2011年2月开始),希望通过这一时期的工作进一步细化需求,确定飞行器方案,进一步成熟化关键技术,准备于2020年左右进行无人样机试飞,并准备招揽或接受国际合作。除空间进入、航空运输等两个领域外,欧洲还开展了一些基础科研项目,如SHEFEX、先进低温高超声速存储罐技术(CHATT)等。这些项目所研究的基础技术都将支撑欧洲的高超声速飞行器研究。1.4高马赫数5.5飞行验证项目HSTDV由印度国防研究与发展组织(DRDO)与以色列飞机工业公司(IAI)共同设计,俄罗斯中央空气流体动力学研究院(ЦАГИ)与中央航空发动机制造研究院(ЦИАМ)参与了燃烧室和进气道的研制工作。项目旨在对自主模式下超燃冲压发动机推进的飞行器性能进行演示验证。同时也将对高马赫数飞行时的气动性能、气动热、材料和热防护技术进行验证。利用一台固体火箭助推器使其达到超燃冲压发动机的接力速度,然后在超燃冲压发动机推进下自主飞行20s。最终目的是在32.5km高空实现马赫数6.5的飞行。该项目目前状况不明,仅在一些航展中展示过飞行器模型。此外,俄罗斯与印度联合研制的布拉莫斯-2高超声速导弹与该飞行器外形有较多相似点,因此,该项目的研究成果有可能用于支撑布拉莫斯-2的研究。1.4.2-x高超声速空天智慧航天器巴西14-X空天飞行器由高等研究学院气动热与高超声速技术实验室负责,是巴西航天科学与技术局(DCTA)研发技术验证飞行器工作的一部分。14-X采用两级入轨技术实现空天飞行,飞行器使用乘波体布局,利用超燃冲压发动机推进,如图4所示。14-X高超声速空天飞行器计划包括4次大气层内的飞行试验。第1次飞行是火箭加速器与飞行器组合不启动超燃冲压发动机达到马赫数6飞行。第2次飞行是火箭加速器与飞行器分离不启动超燃冲压发动机达到马赫数6飞行。剩余两次飞行计划使用氢燃料超燃冲压发动机飞行器分别自由飞行至马赫数6和马赫数10。目前,针对14-X飞行器的研究主要集中在设计优化、超声速激波风洞试验和CFD计算等。2年度动态2.1高速打击武器hsw和sr-32航天器项目启动美国在2013年新老项目更替的情况尤为明显,标志性的如X-51A完成最后试飞,高速打击武器(HSSW)和SR-72飞行器项目的启动等。2.1.1第4次/2次启动2013年5月1日,美国空军成功完成了X-51A的第4次(预定计划中的最后一次)试飞。X-51A仍由B-52H轰炸机携带从爱德华空军基地起飞,并由该轰炸机在大约15km高空投放。在随后的26s内,X-51A由其尾部的固体火箭发动机加速至马赫数4.8。在与助推器分离后,X-51A的超燃冲压发动机点火工作,并将飞行器加速爬升至18km高空,马赫数5.1。试验过程中,飞行器仅用6min左右的时间飞越了426km的距离。这是该项目,同时也是吸气式动力高超声速飞行有史以来最长的动力飞行纪录。第4次试飞成功证明了超燃冲压发动机产生了正推力,再次创造了新的工作时间纪录,飞行速度也有所提高,并且试验过程中未出现重大意外事件。综合这些因素考虑,第4次试飞较其首飞实现了质的飞跃。目前,未见在完成全部4次试飞之后X-51A的后续计划安排,该项目有可能就此终止。工程人员认为,高超声速技术是未来导弹、军用飞机,甚至民用飞机的关键技术。总之,X-51A试飞的成功无疑将极大地推进美国高超声速技术向导弹武器发展,并有可能根据需要加速相关技术或型号的研发。2.1.2高超声速智慧航天器2013年2月和11月,美国洛马公司先后提出高速打击武器(HSSW)方案和高超声速察打一体化平台SR-72方案。虽然无法确定这两个项目是美国政府与军方投资,还是仅为洛马公司企业行为,但美国加紧发展高超声速作战能力的想法的确越来越明显。HSSW是一种高超声速导弹概念,可装备未来轰炸机和战斗机。HSSW将用来进行高超声速飞行的演示验证,并为未来高超声速导弹和可重复使用高超声速飞行器进行探索。HSSW具有针对时敏目标和严密防御目标的响应作战能力,并且凭借其飞行高度、速度以及隐身性实现自身的高生存力。具有外形隐身、长距离高超声速巡航和轻质量、简洁设计等特点,如图5所示。但洛马公司在随后再次发表的HSSW效果图中进行了大量修改,具体情况为:飞行器机体取消了前期上下两条弧形控制曲线拼接设计,转而采用尖顶拱外形;飞行器控制尾翼从两片水平舵面、两片V型舵面的“Π”型布局改为4片尾翼“X”型布局。此外,随后公布的方案也保留了一些前期设计思路,主要为腹部进气设计和战斗机空射方案,如图6所示。虽然洛马公司公布的两幅效果图差异明显,但HSSW和X-51A之间的确存在联系。2012年11月,美国空军对高超声速发展路线图和高超声速武器研发的后续安排进行了讨论,期间明确提出由AFRL负责HSSW项目的实施,并称HSSW弥合了“技术验证”和“作战能力验证”之间的空白阶段,这为美国空军后续如何发展高超声速武器给出了明确的回答。而HSSW的项目经理,AFRL的查尔斯·布林克也恰好是X-51A的项目经理。随后,洛马公司又于2013年11月公开了SR-72项目,该项目被认为继承了SR-71项目、HTV-3X项目、MoTr项目和X-51A项目的成果,用于发展一种具有情报、监视、侦察和打击能力的高超声速飞行器。根据洛马公司公布的SR-72效果图来看,SR-72采用大长细比机身,小展弦比大后掠梯形翼,小边条,单垂尾,双发腹部进气。根据洛马公司在其网站上的介绍性文字判断,SR-72的主要特征为飞行器长30.5m(小于SR-71的32.73m),巡航速度马赫数6(两倍于SR-71的马赫数3),最大航程4300km左右(与SR-71相同),如图7所示。SR-72外形上大量沿用了HTV-3X的方案设计。动力上分为高速涡轮发动机技术和双模冲压发动机技术,其高速涡轮发动机技术可追溯至SR-71的J-58发动机,由HiSTED项目进一步提高性能并在FaCET和MoTr项目中与双模冲压发动机进行组合和研究,但目前高速涡轮发动机仍为TBCC发动机主要技术难题。双模冲压发动机可能会兼具航空喷气洛克达因公司原有技术积累和X-51A发动机技术,具体情况如图8所示。不论是SR-72,还是HSSW,从时间上和技术水平上都与美国前期制定的高超声速发展路线图十分吻合。若事实的确与本文所推断的情况一致,表明美国有望于2016年和2021年先后将高超声速武器和高超声速飞行器的技术成熟度提升到第6级,即演示样机通过典型模拟环境验证,该等级标志可从技术攻关转入工程研制。意味着美国可能在2030年前后通过高超声速飞行器和武器构建新的空中情报、监视、侦察和作战能力。2.1.3试验测试阶段美国国防部2013年10月24日宣布已对一种先进常规精确效应战斗部成功进行了试验,该战斗部用于常规快速全球打击(CPGS)武器。战斗部的设计和发展由美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室负责,但此次试验活动由美国空军空间和导弹系统中心管理。搭载动能弹药战斗部的滑车在试验过程中速度达到了1067m/s,超过马赫数3。此次试验演示证明了该战斗部在设计飞行环境下的功能,是一次重大的技术进展。试验首要目标是在设计的飞行气动条件下检验该战斗部,第二个目标是搜集数据以修正并验证计算机建模与仿真代码,用以预测战斗部的性能。试验中所获得的数据将可用于美国当前所有正在考虑的CPGS方案。2.2英国sape:为英国航空与航天领域注入了新的活力据英国航天局2013年7月16日称,英国政府已经同意出资6000万英镑支持预冷却涡轮-火箭组合发动机SABRE的研发工作。该发动机由英国反应发动机有限公司设计,可为新一代水平起降、轻质量、可重复使用的空天飞行器提供动力,形成一种可靠的空间进入方式,具有向低地轨道运送15t的有效载荷的能力,成本大约是传统一次性运载火箭运送成本的1/50。2012年11月,SABRE发动机通过关键技术试验,在-150℃环境下验证了其预冷器制冷技术不会诱发霜冻。政府6000万英镑的投资为整个发动机发展注入了新的活力。这份资金分两年,2014/2015年投资3500万英镑,2015/2016年投资2500万英镑。SABRE发动机不但具有彻底改变目前进入空间方式的能力,同时还具有进一步促进英国航天事业迅速发展的潜力。通过这项突破性的技术,英国可在新的运载器市场中占据主导地位,并突破商业航天行为增长的一个主要障碍。反应发动机有限公司创始人AlanBond认为,这项投资对英国航空和航天领域有极大的促进作用。由于政府的支持,反应发动机有限公司才能将发动机和热管理技术的研发工作推进到下一阶段,为英国带来急需的就业和投资机会。该项革命性的技术拥有像喷气发动机那样改变世界的潜力。2.3飞行试验验证澳大利亚昆士兰大学牵头进行的SCRAMSPACE1高超声速飞行器在2013年9月18日前后进行的试飞中遭遇失败。失败原因是飞行器未能进入预定试验条件,而非飞行器本身问题。SCRAMSPACE1高超声速飞行试验是SCRAMSPACE研究项目的一个重要部分,整个项目历时3年,耗资1400万美元。飞行试验用来验证由超燃冲压发动机推进的飞行器在高超声速自由飞行状态下可产生正推力,检验超燃冲压发动机的性能、材料及飞行器上的仪器。由于飞行器未能进入预定试验条件,SCRAMSPACE1的超燃冲压发动机性能未能得到验证。从技术角度看,SCRAMSPACE采用了上游(进气道)喷注技术,与2013年5月美国试飞成功的X-51A不同,其优势是燃料与空气在进入燃烧室之前就已经混合,在不增加发动机总长度的情况下可显著增加燃料和空气的混合长度。这一技术可能有助于提高飞行器的小型化水平,或节省出更多的结构质量或空间以携带更多的载荷。另一项名为自由基贮存的技术则省略了燃烧室中的物理阻塞物,利用流体内高温高压的热燃烧区启动燃烧过程,直至把压力和温度提高到足够维持自由基发生区以外的区域进行燃烧。这一技术的优势是温度、压力较低的流体将半数高温高压的区域与燃烧室内壁隔离开来,从而减少了燃烧室内壁受到的热载荷。这些技术的应用表明,澳大利亚对高超声速技术已经建立了自己的认识和研发思路,虽然未能在此次试验过程中得到验证,但仍值得关注。2.4俄罗斯动态2.4.1俄罗斯高超声速机动项目已经完成2013年莫斯科航展上,俄罗斯战术导弹公司总裁鲍里斯·阿布诺索夫称,俄罗斯已经制造出飞行速度可达马赫数4.5的高超声速导弹,新导弹目前只能维持几秒的高超声速飞行,但根据目前情报搜集情况,尚无准确消息表明俄罗斯已经完成了此飞行器的高超声速试飞。这一消息可追溯到2012年,当时有消息称,俄罗斯计划于2013年7~8月对高超声速导弹进行更大规模的试验,逐步提高高超声速导弹发动机的试飞速度。此前有消息称,俄罗斯包括战术导弹公司以及机械建造科学与生产协会等多个部门和企业都参与了高超声速导弹的研制工作,此次鲍里斯·阿布诺索夫的讲话也印证了这一消息。阿布诺索夫称,俄罗斯现在可以实现马赫数4.5的高超声速飞行,但其持续时间还不够长,需要进一步提高导弹在大气层中长时间持续高超声速飞行的能力。他还称,必须要研制速度更快,能达到马赫数6、10和14的高超声速导弹。2.4.2高频无阀脉冲爆震技术《俄罗斯航空网》2013年9月24日称,留里卡设计局设计、制造和试验了一款脉冲爆震验证发动机,该发动机采用煤油-空气混合的两级燃烧模式。试验中,发动机的平均推力超过980N,工作时间超过10min。通过采用高频无阀脉冲爆震技术,可以使飞行器的推重比提高1.5~2倍,航程和任务载荷提高30%~50%,发动机比重降低1.5~2倍。基于试验数据和设计分析,该设计局推出了一系列脉冲爆震发动机,可以配装多种飞行器,如导弹和无人机、超声速飞机、火箭和空间系统、组合推进空天飞机等。2.5布拉莫斯-2：高超声速航天器缩比模型2013年2月8日,互联网上首次公开了布拉莫斯-2高超声速飞行器在印度航展上的模型照片。根据展位和模型上的文字判断,该模型为高超声速技术探索飞行器缩比模型,但并未透露出其它相关的信息。但根据印度此前公开的信息可知,布拉莫斯-2应为一种高超声速导弹,设计射程约为300km,具备较高的突防能力,将有陆射、空射、水面和水下四种发射方式。印度将在现有布拉莫斯超声速导弹的基础上研发这种高超声速巡航导弹,并将接受俄罗斯方面的技术支持。3发展趋势3.1美国高超声速机动发展规划通过对美国近年来高超声速技术发展的跟踪和梳理可以看出,美国建立了良好的技术发展战略和成果转化机制,使得各个项目的发展方向和成果能够有机结合,不断提高。在这一良好环境的推动作用下,美国正积极发展其高超声速作战能力。按照空军制定的发展规划,美国应首先在2018年前后完成高超声速导弹的相关研制和试飞,在2025—2030年实现高超声速察打一体化平台装备部队。这一时间节点有可能随计划的调整和竞标公司的竞争进一步提前,美国高超声速察打一体化能力的威胁已经迫在眉睫。3.2对外公开高超声速武器试验的进展2012年5月,俄罗斯副总理德米特里·罗戈津曾表示,俄罗斯必须重启高超声速武器研发项目以应对美国在这一领域已经取得的成果和优势。德米特里·罗戈津列举了美国的FALCON、HIFiRE、HyFly以及X-51等项目,指出这些项目极有可能在未来(2015—2018年)转化成为实战武器并对俄罗斯构成威胁。为此,俄罗斯于2012年开始对外公开其在高超声速武器研制上的新动态