高超声速空天飞行器研究现状汇总.pdf

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1、高超声速空天飞行器研究现状 摘要 高超声速飞行器一般是指飞行马赫数大于 5 且能够在大气层和跨大气层中实现远程飞行的飞行器。这种飞行器在高度和速度上都具有相当大的优势，在军民领域具有巨大的应用潜力。高超声速飞行器是 21 世纪航空航天技术新的制高点，是航空史上继发明飞机、突破声障飞行之后第三个划时代的里程碑，同时也将开辟人类进入太空的新方式。本文首先阐述了高超声速空天飞行器的概念，强调了其主要的军事用途。其次，分析了空天飞行器的主要气动布局形式和特点。最后，对国外航空航天大国的空天飞行器相关发展情况进行了综述，包括美国、俄罗斯、澳大利亚和法国等国家。1.引言 未来的高超声速飞行器能够在2 个小

2、时之内到达地球任何地方，能够像普通的飞机一样水平起飞水平降落，并以廉价的成本完成天地往返的运输任务，从而可在空间控制和空间作战中发挥重要的作用，而这些要求的实现从根本上都取决于高超声速飞行器技术的发展。高超声速飞行器所具有的全球实时侦查、快速部署和远程精确打击能力，将改变未来战争的作战样式，对国家安全产生战略性的影响。高超声速飞行器还具有显著的军民两用性，能为民用运输和航天运载等领域提供全新的途径，进而对社会进步及国民经济产生带动作用。2.空天飞行器 随着现代科学技术的进步和未来战场的不断拓展，世界各国正在逐步把航空和航天飞行器朝着有机结合成一体的方向推进。空天飞行器是指既能够进入太空飞行，又

3、能较长时间在大气层内飞行的一种飞行器。空天飞机是在航空和航天技术相结合方面的初步尝试，可实现航天运载系统的部分重复使用、提高操作效率和大幅度降低航天运输费用的目的，同时更具有广阔的军事运用前景。虽然目前单级入轨或多级入轨的空天飞机还处于探索研究阶段，但它可望成为世纪最先进、最经济有效的航天运载工具，代表了今后数十年内航天运载技术的发展方向，并且将成为未来控制空间、争夺制天权的关键武器装备之一。空天飞行器的飞行过程可分成三段：一是发射上升段，二是轨道飞行段，三是再入返回段。对于发射上升段，从目前和未来相当长一段时间的技术水平来看,比较可行的方式还是依靠液体火箭或固体火箭。空天飞行器只是作为火箭的

4、“乘2 客”，气动设计时主要需考虑飞行器与火箭的匹配，飞行器本身的外形并不由此阶段决定。在轨道飞行段，由于空气很稀薄或没有空气，所以此阶段也可基本不考虑空天飞行器的气动力问题。再入返回段对空天飞行器外形要求最高，因为在此阶段，空天飞行器需要穿越稠密的大气层，还要进行远距离的纵向和横向机动，气动现象十分复杂：其马赫数将达到十几、甚至二十几，温度将达到3 0004 000。气动外形设计时需要综合考虑升阻比、推阻、静稳定度、配平攻角、气动控制性能等多种气动参数。空天飞机可作为战略轰炸机、战略侦察机和远程截击机使用，这对进一步发挥战略空军的作用具有重要意义。空天飞机最高时速 3 万公里，可在海拔 20

5、0公里的绕地轨道飞行。空天飞机显著特点使其有潜力作为未来空间作战力量的主要武器装备之一，是实施国家安全和军事战略的主要依靠，具有极其重要的战略战术应用价值，必然会在未来高技术战争中得到广泛运用，其主要的军事用途包括：空间武器发射与指挥控制平台 在未来天战中，空天飞机不仅可作为各种武器弹药，动能武器、高能激光武器、微波武器、粒子束武器等的发射平台，还是天基系统的支援平台。能对敌方陆、海、空、天重要目标进行攻击，对战争的胜负产生至关重要的影响。空天飞机还能像载人空间站那样在轨长期停留，配备了先进的指挥控制系统，可根据战时需求，随时承担起作战指挥任务。增强情报信息的时效性 空天飞机可利用携带的照相侦

6、察、电子侦察等设备对陆、海、空、天目标进行侦察与监视，对导弹发射进行预警。与各种侦察卫星相比，空天飞机具有更大的灵活机动性，它既可以像军用卫星一样在太空轨道运行的过程中获取敌方情报信息资料，也可脱离轨道反复在目标区的外层空间飞行，随时掌握作战地区敌情变化，综合各种侦察信息，提供更及时、更准确地战场信息。空战和太空战融于一体 空天飞机具有航空与航天的双重功能和在两个空间层次作战的能力，必将成为沟通空中与太空战场、将空中斗争与太空斗争融为一体的新型高技术装备。它装备有各种先进太空武器以及大气层内远距离攻击武器，可根据作战需要，寻找并击毁外层空间的军用卫星、空间站等太空目标及大气层内的各种航空器。3

7、.研究现状 20 世纪 80 年代初，以美，苏为首的两个军事集团的空间军备竞赛愈演愈烈，19851994 年美国实施了庞大的“国家航天飞机计划（NASP）”。由于巨额经费和技术上的复杂性以及政治上的干预，此计划经历巨大挫折，但推动了高超音速技术的发展，逐步掌握了马赫数小于 8 的超燃冲压发动机设计技术。a)美国 3 冷战结束，美国的国防预算大幅度地缩减，又由于缺少在高马赫下的实验数据,而无法进行昂贵的全尺寸设计。取而代之的是以实施一个 6 年期的技术上“风险缩减”的计划。此计划主要是进行高超音速的研究。美国空军仍关注 X-系列空天飞机的发展,并给 NASA 注入资金。X-33 给美国空军构造了

8、建立亚轨道天军的蓝图。X-33 系列飞机因流线型阻力小而倍受美空军的青睐，而且 X-33 在 1999年的多次实验中进展顺利，进行了一系列亚轨道跳跃、飞机入轨和着陆的试验。但在 2000 年压力试验中由于装有液态氢燃料的复合材料层外壳破裂，NASA 暂停 X-33 计划。图 1 美国 X-33 空天飞机设想图 尽管 X-33 项目于 2001 年终止了，但美国对于空间机动飞行器（SMV，Space Maneuver Vehicle）的研究并未停止。X-37 是继 X-33 和 X-34 以后第三个可重复使用技术演示验证机项目，其飞行高度更高、速度更快。X-37 是第一个进行探索轨道和再入返回阶

9、段的飞行。为了减小空间飞行的成本，X-37 验证飞行器采用了 41 项新型技术和飞行试验。X-37 的外形是由 X-40进行 120%缩放得到，X-40 是美国空军的一个在大气层内飞行的无动力飞行器。X-37 的模块化设计与其他技术（比如先进热防护、推进系统、先进的电子设备和其他飞船系统）相容，共同进行轨道测试试验。X-37 验证机的设计将与高达 9个月的在轨时间相适应。图 2 X37 飞行器 2002 年 11 月，作为 NASA 太空主动发射计划（Space Launch Initiative）的一部分波音公司获得一份价值3.01 亿美元的新合同，继续 X-37 验证机的研究工作。新的合同

10、包括了研制两种飞行器：X-37 进场/降落试验飞行器（ALTV，4 Approach and Landing Test Vehicle）和 X-37 轨道飞行器。ALTV 将验证系统进场、着陆、飞行时所需的转向操作方面的性能，它将验证一种综合的飞行操作控制中心。另外，ALTV 还将验证气动稳定性和结构的完整性，以及在进场和着陆过程中的自动操作能力。90 年代，洛马公司在美国航天局（NASA）支持下实施了空天飞机研制计划（“Hyper-X”计划），推进系统采用新式的直排气动塞式发动机，由“飞马座”火箭发射升空。目的是利用这些飞行器探索高马赫数的喷气发动机和超声速冲压喷气发动机的性能。后继型 X-

11、43C 已在研制之中。X-43 长约 4.88 米，仍由“飞马座”火箭发射升空，而后靠自身动力加速到马赫数 7，并以此速度巡航。X-43 于 2007年进行首次试飞。a）B52 与助推火箭分离 b）助推火箭点火 c）X-43A 飞行器 图 3 X-43A 第二次试飞 Hyper-X 计划试飞成功后由于 NASA 研制重点的转移，Hyper-X 计划一度由于资金短缺，其后续 X-43B、X-43C 的研究工作基本停止。2005 年由于得到国会的支持，NASA 恢复了 X-43C 的研究，目前仍然处于方案设计阶段。X-43A 开创性的在飞行中展示超燃冲压发动机后，仍然面临着材料、热防护、生命保障、

12、控制系统以及飞行器运行时间方面的挑战。延长飞行时间从数秒到数分钟，再到数小时，超燃冲压发动机的尺寸和推力要从缩比模型到成为能够运行的发动机仍然需要深入广泛的研究和试验。2002 年开始第一阶段研究的 FALCON 计划（从美国本土运送和应用兵力计划）。该计划由 DARPA 和美国空军联合进行，目的是开发和验证能够执行快速到达全球任务的高超声速技术，演示可负担得起的空间飞行器。美国政府实施5 FALCON 计划旨在发展三种子飞行器：一是开发作为高超声速试验飞行器或小型军事卫星助推器的低成本、快速反应的小型发射飞行器（SLV）；二是发展一种采用火箭助推的通用航空飞行器（CAV），这是一种弹药投送系

13、统能以高超声速进行无动力滑翔，将负载投送到目标区，实现近期的全球打击能力；三是发展一种能在 2 小时内攻击远在 17000km 之外目标的高超声速武器系统（HWS），可根据任务需要随时发射、在飞行中重新定位并重复使用，可高速投送弹药，攻击广泛分布的目标。图 4 FALCON 计划中的 HCV 飞行器系统概念图 RATTLRS 计划旨在发展超声速巡航导弹，包含高超声速动力、耐高温材料、高速/一体化涡轮发动机推进系统等关键技术。RATTLRS 计划包括严格的地面试验和涡轮发动机飞行验证试验设备，并需要将耐高温材料、带冷却系统的进气和排气喷口、飞行软件整合到一台飞行器上。RATTLRS 计划设计的飞

14、行器是独自采用涡轮动力加速到 Ma=3，这种高速的涡轮发动机也可以作为 TBCC 的关键技术进行发展。为了解决 RATTLRS 项目中各种困难，美国海军联合了 NASA，美国空军和 DARPA，向他们主持进行的 RTA 项目，FALCON 项目，VAATE 项目等关键技术进行学习。2005 年 7 月，继 HyTech 计划后，美国空军和 DARPA 联手开始了 SED 项目的研究。波音公司 X-51A 乘波式高超声速飞行器所采用的发动机是 HyTech 计划中的 SJX61-1 发动机。在风洞试验中，SJX61-1 发动机完成了 Ma=5 的模拟飞行试验，试验性能超出预期，迈出了碳氢燃料双模

15、态超燃冲压发动机走向实际应用的重要一步。X-51A 项目还包括了四次飞行试验，首次飞行试验计划在 2009 年8 月进行，但是由于若干的原因已经被推迟。X-51A 项目的主要目标是对 USAF 的 HyTech 超燃冲压发动机进行飞行试验。该发动机采用吸热式碳氢燃料，在 Ma=4.5 开始助推至 Ma=6.5 开始工作。除此以外，该项目还有其他的测试目标：首先是获得采用主动冷却、智能控制操作的超燃冲压发动机地面试验和飞行试验的数据。这些数据既可以用来理解超燃冲压发动机中的物理现象，又可以发展超燃冲压发动机设计所需采用的数值计算工具。第二个目标是在实际飞行试验中验证采用吸气式燃料的可行性。第三个

16、目标是使得采用超燃冲压发动机作为推进系统的飞行器获得正推力。6 图 5 X-51A SED 飞行器 a）GDE-2 发动机试验照片 b）SJX61-1 发动机试验照片 图 6 与 X-51A SED 相关的超燃发动机在 NASA-LaRC 进行地面试验 b)前苏联/俄罗斯 早在上个世纪 70 年代，前苏联就开始了研制空天飞机的工作，“螺旋”计划、“布拉风”试验机计划和“暴风雪”号航天飞机升空为设计者积累了丰富的经验。俄罗斯提出了可重复使用的空天运输系统构想。按照此构想，系统采用具有很强的灵活性和多种功能的两级入轨方案，用于紧急救援、空间物资供应以及提供生态问题研究等，可搭载的有效载荷为 118

17、 吨。这一方案的核心部分是使用安-225重型机载，第一级的起飞重量为 620 吨，分离高度为 10 千米。第二级带外挂油箱为 275 吨，可负载 9.9 吨，倾角 90 度，进入高度为 400 千米低地球轨道。其设想与空天飞机规划相近似：第一级为安-225“梦幻”飞机，从其上起飞轨道飞机，但安-225“梦幻”的升限只有 1012千米，而新型空天飞机可上升到100200千米。目前，俄罗斯正在研制具有广泛发展前景的 MAKS 系统，它是可执行广泛太空任务的两用空天飞机，既可完成军事任务，也可用于其它目的，发射重量620 吨，第二级重 275 吨，有效载荷重量 9 吨。轨道飞机乘员数量 2 人（或为

18、无人驾驶），飞机长 19.3 米，机高 8.6 米，翼展 13.3 米，重量 27 吨。俄同时还在研制更重型的型系统，其运载能力可达吨。该系统第二级有三种变体，即MAKS-OS、MAKS-T 和 MAKS-M，即载人型、一次性使用型和无人货运型。7 图 8 俄罗斯多级入轨空天飞机 MAKS 设想图 c)澳大利亚 澳大利亚于 20 世纪 80 年代才开始展开高超声速技术研究，先后利用 T3 和T4 激波风洞完成了燃烧室直连式试验和超燃冲压模型发动机自由射流试验，对氢燃料超燃冲压发动机技术进行了大范围研究。澳大利亚的高超声速技术发展计划主要是 HyShot 计划。该计划是一项澳大利亚、英国、日本、

19、美国、德国和韩国等多国合作计划，由澳大利亚昆士兰大学主管。项目采用 TerrierOrion MK70 火箭作为超燃冲压发动机的载体飞行器，在火箭再入大气层后完成 Ma=7.6 条件下的超燃冲压模型发动机飞行试验。2001年 10 月已利用“猎户座”火箭以马赫 7.6 速度对超燃冲压发动机进行了持续 4 秒的试验。截至到 2007 年，HyShot 计划已经进行了 5 次飞行试验，大部分是以合作方式进行。2006 年 3 月，HyShot 进行了两次飞行试验，分别为 HyShot和 HyShot。试验首先由火箭推动，随后开始对超燃冲压发动机进行测试。HyShot的超燃冲压发动机由英国提供，目标

20、是验证发动机进气口能否实现燃烧室自动点火，试验后数据分析表明自动点火成功。HyShot试验是日本委托澳大利亚昆士兰大学进行，目的是为获取配有先进燃料喷嘴的超燃冲压燃烧室在真实环境下的飞行数据。超燃冲压发动机布置于小型火箭前端，加速至马赫8 作用，燃烧持续6 秒钟。试验过程中记录下燃烧室内部压力数据，然后与地面试验对比。日本航空航天探测局（JAXA）试验后分析，装配在火箭顶部超燃发动机上的头锥未被抛掉，因此试验失败。2007 年 6 月，美澳合作的 HyCAUSE 项目进行了飞行试验，这可看做 HyShot 项目中的第 5 次试验。试验采用两级探空火箭助推，对具有内旋转进口设计的轴对称超燃冲压发

21、动机进行了试验。由于传感器故障，超声速燃烧仅持续了 2 秒钟。8 图 9 澳大利亚 HyShot 计划 5 次飞行试验照片 d)法国 法国是欧洲最早开展超燃冲压发动机研究的国家，从 20 世纪 50 年代开始研究到现在也制定了若干的研究计划和项目，重点是研究采用变几何双燃料的超燃冲压发动机方案。早期超燃的基础研究主要由Mestre and Viaud 完成。研究集中在马赫数 2.5 进口条件下的煤油进行燃烧的可行性，并积累了大量的煤油空气混合点火的试验数据。1992 年法国政府出台了研究高超声速推进系统的计划。先进高超声速推进系统研究技术计划（PREPHA）将法国航空航天公司、达索公司、法国航

22、空航天研究院和 SNECMA 公司组合在一起。这个历时六年的计划最后研制了CHAMOIS 超燃冲压发动机，并在设在布尔日的试车台上以 Ma=6 的速度进行了地面试验。图 10 法国 PREPHA 概念高超声速飞行器和其双模态发动机 图 11 CHAMOIS 超燃冲压发动机地面试验照片 9 20 世纪 90 年代至今法国主要进行了进行变几何超燃冲压发动机研究，研究项目包括 WRR、JAPHAR、和 PROMETHEE等项目。欧洲导弹集团法国分公司（MBDA-F）与俄罗斯莫斯科航空学院（MAI）合作研究一种双燃料、大尺寸、几何可变、双模态超燃冲压发动机模型机PIAF，飞行马赫数 Ma=312。在吸

23、收了 PIAF 发动机许多成熟的技术后，法国 MBDA 与俄罗斯 MAI 提出了更为复杂的宽范围冲压发动机（WRR）。WRR 是一种 Ma=1.512 的双燃料几何可变双模态超燃冲压发动机，亚燃模态采用加氢的煤油为燃料，超燃模态采用氢为燃料。目前已对缩比 WRR 模型进行了试验。1997年开始进行的JAPHAR计划是法国ONERA和德国DLR合作研究的用于运载器的大型氢燃料超燃冲压发动机一项内部研究。计划确定在飞行马赫数Ma=48 时研究推阻平衡，论证一种可自主飞行的试验性飞行器。该计划扩大了PREPHA 计划的研究范围，并编制用于计算气动热力学必要的数值程序。该计划采用发动机/飞行器一体化设

24、计，发动机燃烧室几何固定，但可以通过控制进气道唇口角度实现进气道几何可变，通过调整燃料喷嘴来控制燃烧室工作模态。由于全尺寸发动机成本过高，导致研究经费不足而项目终止。在 PREPHA 计划结束后，法国航空航天局（ONERA）和 MBDA 联合主持了 PROMETHEE 项目，其目的是将法国多年来在高超声速推进方面的研究应用到高超声速空射巡航导弹中，特别是研究以碳氢化合物为燃料的双模态冲压发动机在高超声速导弹中应用的可行性。该项目致力于发展能应用与军事用途的飞行马赫数 Ma=28 碳氢燃料双模态超燃冲压发动机，通过一个在进气道喉部上游轴上的整体结构整流罩来实现几何可变和模态调节。目前全尺寸发动机

25、正在进行地面试验。2003 年，法国 ONERA 和 MBDA 联合主导开始了 LEA 项目的研究。研究计划中的超燃冲压发动机采用双模态双燃料和可变几何结构，飞行马赫数为48。计划在 20102012 年进行六次飞行试验，飞行试验采用固体火箭推进达到启动马赫数然后分离。目前在地面正在进行半自由射流和自由射流试验的验证研究。图 12 法国 LEA 项目超燃冲压发动机 CAD 图片 e)英国 英国是研究空天飞机起步比较早的国家。美国、前苏联、法国、日本都有一个航天飞机的发展阶段,然而英国一开始就提出了水平起降单级入轨的“霍托尔”(HOTOL)空天飞机方案,因而引人注目。20 世纪 80 年代初,英

26、国政府和工业界10 各投资一半开展为期两年的概念验证计划,确认“霍托尔”方案的可行性。但在“霍托尔”的核心技术“吸气式秘密发动机”取得了重大突破时,英国政府因无法筹集足够的研究经费,该计划被迫搁浅。2009 年 2 月在欧洲 HOTOL 研究计划终止后，欧洲航天局（ESA）通过英国国家宇航中心（BNSC）拨款 100 万欧元给英国的 REL 公司用于 SKYLON 航天飞行器的研究。REL 公司联合国内的 Bristol 大学和 Airborne Engineering 等单位，并与欧盟的其他伙伴特别是德国（DLR）进行合作共同研制。图 13 英国 SKYLON 空天飞行器及发动机概念图片 随

27、着近年来材料科学技术的发展和发动机设计技术的进步，SKYLON 设计概念的可行性得到了更多的认可。SKYLON 是一种可重复使用、单级入轨、有翼的空天飞机。它可以从常规跑道上依靠自身起落架起飞和降落，主要用来进行常规低成本的运送任务。SKYLON 单级入轨飞行器被人寄予厚望的原因是它将采用 REL 公司的 SABRE 预冷却涡轮增压组合循环动力发动机：在大气层内的飞行 SABRE 是一台吸气式发动机，在工作马赫数达到 Ma=5 后在近地空间飞行又可以转为火箭发动机模态工作。在吸气式工作模态下，发动机吸入的空气被液态氢燃料预先冷却，保证发动机不发生过热烧蚀，氢燃料在进入燃烧室之前则作为闭式氦气循

28、环的冷却剂；而在火箭模式下，则采用氢气和液氧反应燃烧。SABRE 是结合了合适的比冲和低安装重量的预冷却组合发动机，更适合于 SSTO飞行器的推进系统。目前，已经对发动机的换热系统进行了方案设计、部件研制和试验研究，开展了强制偏离膨胀喷管的试验工作。英国方面预计 SKYLON 将于 2018 年试飞并于 2020 年开始正式投入使用。f)日本及其他国家 日本由于经济实力雄厚，对空间领域的探索虽起步较晚，但也制定了空天飞机的研究与发展计划。所设想的是一种单级入轨、水平起飞和着陆，能重复使用的空天飞机。近年来，日本科学家独辟蹊径，研究了用超导磁悬浮发射台来发射航天飞机，这种发射方式最大的优点是推力

29、大、成本低、可重复使用；据报道，日本将建造的“航天母舰”可在太平洋上游弋，把大海作为发射场。这种发射方式最大的优势是可以选择在赤道附近发射，即节省燃料，又能获得地球最大的自转速度的功能，可以节省的发射费用。其他一些国家也一直没有中断高超音速推进技术的研究，虽然没有明确提出11 空天飞机发展计划，一旦技术成熟，必然会提出发展自己的空天飞机。作为航空航天技术发展和相互结合的产物，空天飞机的问世和应用必将为军事发展和未来战争带来深刻变革。参考文献 1 Heiser,W H and Pratt,D T.Hypersonic Airbreathing PropulsionM.Education Seri

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