信息专递本文2006-04-28收到,沈剑系中国航天科工集团三院三一○所助理工程师,王伟系该院科研部助理工程师图1　X-43A高超声速研究飞行器国外高超声速飞行器研制计划沈　剑 王　伟

摘　要　介绍了目前美国等7个

国家30项高超声速飞行器研制计划的进展情况和所取得的成果,从中可以看出国外高超声速飞行器的发展水平和趋势。

关键词　高超声速 巡航导

弹 超燃冲压发动机 飞行试验

前　言高超声速飞行器技术是21世纪航空航天技术的新制高点,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,同时也将开辟进入太空的新方式。高超声速飞行器技术的突破,将对国际战略格局、军事力量对比、科学技术和经济社会发展以及综合国力提升等产生重大和深远的影响。因此,世界主要国家一直把高超声速飞行器研制作为科技发展的最前沿阵地,从人力、物力、财力等各方面给予大力支持。自20世纪50年代末开始探索超声速燃烧冲压发动机技术以来,经过几十年的探索,美国、俄罗斯、法国、德国、日本、印度和澳大利亚等国在20

世纪90年代初陆续取得了技术上的重大突破,并相继进行了地面试验和飞行试验。这表明高超声速技术从进行概念和原理探索的基础研究阶段,进入了以某种高超声速飞行器为应用背景的先期技术开发阶段。各国技术开发的主要应用目标近期为高超声速巡航导弹,中期为高超声速飞机,远期为吸气式推进的跨大气层飞行器、空天飞机。1　美国1.1　Hyper-X计划经过较长时间的研究和实践,美国在高超声速飞行器的设计研制方面积累了丰富的经验。作为试验性高超声速飞行研究计划,Hyper-X计划是对以往所做工作的一次检验。Hyper-X计划是美国国家航空航天局(NASA)近年来重点开展的高超声速技术研究计划,主要目的是研究并验证可用于高超声速飞机和可重复使用的天地往返系统的超燃冲压发动机技术,并验证高超声速飞行器的设计方法和试验手段。1997年1月,NASA与兰利研究中心、德莱顿飞行研究中心签订合同,Hyper-X计划正式启动。

1 飞航导弹　2006年第8期图2　X-43B高超声速研究飞行器 Hyper-X计划的试验飞行器代号为X-43,根据演示验证的任务不同分为X-43A、X-43B、X-43C和X-43D,共4个型号。1.1.1　X-43AX-43A技术由位于弗吉尼亚州汉普顿的NASA兰利研究中心和位于加利福尼亚州爱德华的NASA德莱顿飞行研究中心负责开发。其中机身和发动机由位于田纳西州塔拉荷马的ATKGASL公司(原微型飞行器公司)制造,位于加利福尼亚州亨亭顿的波音公司鬼怪工厂负责部分系统工程、热防护、操纵、导航和控制设计以及飞行控制软件、内部布局和结构设计。X-43A的助推器是经过改装的飞马座运载火箭的第一级,该系统由位于亚利桑那州昌德勒的轨道科学公司提供。X-43A机身长3.66m,高660mm,翼展1.53m,质量1360kg,由采用液氢燃料的双模态超燃冲压发动机推进。1997年3月,NASA选定ATKGASL公司为飞行研究任务装配X-43A无人驾驶研究飞行器。1997年12月,轨道科学公司对飞马座运载火箭成功进行了关键的设计审查。1998年,1台超燃冲压发动机作为第一部硬件交付NASA,随后这台发动机在兰利研究中心的2.44m八支点高温风洞中进行了一系列测试。1999年10月,第一架X-43A交付德莱顿飞行研究中心。2000年,X-43A在ATKGASL公司的Hypulse设备上进行了Ma=7的试验,在兰利研究中心的电弧加热设备上进行了Ma=4.5的试验,至此,已获得Ma=4.5～10的地面数据。2001年4月,NASA在位于加利福尼亚的爱德华空军基地展示了X-43A飞行器。同年6月2日,X-43A首次飞行试验因飞马座运载火箭故障而宣告失败。2004年3月27日,X-43A第二次飞行试验成功实现了Ma=6.8316的飞行。2004年11月16日,X-43A第三次飞行试验又成功创造了Ma=9.8的飞行纪录。在成功的飞行试验中,X-43A一体化机身/发动机产生了有效推力,且其运行状态接近于预先分析和风洞试验的结果。虽然飞行试验连续两次成功,但X-43A高超声速飞行器仍有许多实际问题需要考虑,比如其非常窄细的鼻锥采用质量为362.88kg的高密度钨板制成,其目的是将飞行器的重心前移,但它就占飞行器总质量的29%。这种布局产生的问题是如何使作战中的飞行器保持平衡。X-43A的发动机采用铜吸热器,以水冷方式冷却进气口。上述方法对于10s的短暂飞行来说是可行的,但对长时间的飞行来说却是个大问题。氢燃料易燃,且速度快,但实际用的碳氢燃料并没有这些优点等等。X-43A计划共花费2.3亿美元。1.1.2　X-43BX-43B机身长10.05m～12.19m,采用基于火箭的组合循环发动机(RBCC)或基于涡轮的组合循环发动机(TBCC)推进,发动机燃料为液氢,飞行速度Ma=7。试飞器依旧需要母机投放,但是不采用飞马座火箭助推,而是用自身的火箭或涡轮发动机加速到Ma=3～3.5,之后由亚燃/超燃冲压发动机加速到Ma=7左右。X-43B原计划将耗资约6亿美元,但该计划在酝酿时就被终止了。1.1.3　X-43CX-43C机身长4.3m～4.8m,质量为1271.2kg～1362kg,采用3台并联的碳氢燃料超燃冲压 2 飞航导弹　2006年第8期图3　X-43C高超声速研究飞行器发动机推进,飞行速度Ma=6。其发动机设计以空军HyTech项目技术为基础。2004年3月18日,X-43C计划被取消。2005年3月,NASA总部又要求X-43C项目组提交后续工作计划,因此NASA兰利研究中心于2005年5月起草了一项发展X-43C的修正方案。为了响应美国政府重新恢复对高马赫数飞行器的极大兴趣,波音公司从2005年第二季度开始加紧了高超声速验证机项目的研究步伐,其中之一即“翻修”X-43C。2005年美国从国会指定的专项资金中拨出2500万美元作为NASA2005财年继续X-43C研发的专项资金。1.1.4　X-43DX-43D采用氢燃料超燃冲压发动机推进,飞行速度Ma=15。该计划目前虽已明确提出,但某些要求还在不断变化。飞行器所要求的一些部件的研究工作已经展开。1.2　可重复使用的组合循环飞行验证器(RCCFD)计划有资料称RCCFD即为X-43B,估计是由X-43B计划终止后演化而来的。该计划的最初目标是组合循环推进技术的演示验证,目前它已经扩展到全球到达技术,而且成为NASA和美国空军联合开发的一个项目,计划在2011年进行Ma=7的飞行。RCCFD采用(RBCC或TB-CC)碳氢燃料冷却组合/复合循环推进系统。初步研究表明,飞行器长度大约为10.668m～13.716m。RCCFD于2004年开始第二阶段研究工作,多项关键技术尚未取得突破。该计划预计耗资1.25～1.4亿美元。1.3　从美国本土投送与应用兵力(FALCON)计划FALCON计划由美国国防高级研究计划局(DARPA)和美国空军联合推出。DARPA负责整个计划的管理工作,美国空军太空司令部航天与导弹系统中心协助DARPA进行项目管理,空军太空司令部航天与导弹系统中心/第12特遣部队和美国空军研究实验室提供技术支持和辅助进行里程碑评审工作。该计划旨在发展一种能在2h之内攻击远在16679km之外目标的高超声速武器系统,开发和验证可以使进行全球快速打击的近期和远期目标变为现实的一套技术,与此同时验证低成本响应型太空运输能力。它包括两大任务: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小型发射飞行器(SLV);二是验证能到2025年实施全球打击的高超声速巡航飞行器(HCV)所需的技术。FALCON计划分为三个阶段。第一阶段包括小型发射飞行器(SLV)的方案设计、性能预测、确定费用指标、发展和验证,为期约6个月;第二阶段为设计与研制,包括初始飞行试验,为期36个月;第三阶段为武器系统验证,为期30个月。FALCON计划第一阶段总经费为1000万美元。目前该计划已进入该阶段。第二阶段的主要任务是研制并验证高超声速飞行器技术。这些技术包括耐久性高温材料、热防护系统、先进的制导、导航与控制、高效气动构型和创新的推进概念。1.4　自由飞行大气层超燃冲压发动机试验技术(FASTT)计划FASTT计划由DARPA和美国海军研究办公室(ONR)联合实施。该飞行器把超燃冲压发动机集成到导弹结构中,飞行器长约2.69m,直径280mm。采用碳 3 飞航导弹　2006年第8期氢燃料的发动机在18.24km的高空与助推火箭分离后,发动机点火,并以Ma=5.5的速度推进该飞行器飞行。作为FASTT计划的一部分,2005年12月10日,美国ATK公司、DARPA和ONR成功进行了以超燃冲压发动机为动力的飞行器的地面发射和飞行试验。这是以普通液体碳氢燃料超燃冲压发动机为动力的飞行器首次自由飞行。试验中发动机采用JP-10燃料,至少飞行了15s。1.5　HyFly计划HyFly是一项高超声速飞行验证计划,是DARPA1998年提供给波音公司的可负担得起的快速反应导弹验证器(ARRMD)计划的延续。其目的是在飞行中开发和验证近期就可应用于导弹上的高超声速飞行的先进技术。这个为期4年的研究计划由DAR-PA和ONR联合出资实施。Hy-Fly高超声速导弹为轴对称设计,采用双燃烧室冲压发动机,Ma=6.5,飞行高度27km,射程1100km。HyFly总共计划进行5次飞行发射试验。2005年1月26日第一次飞行发射试验,进行了该试验导弹的非动力发射试验,验证导弹与载机的安全分离以及导弹的制导和控制性能。2005年8月28日第二次飞行发射试验成功地验证了HyFly导弹助推段性能,试验载机为F-15E战斗机,发射后该试验导弹的固体火箭助推器点火,飞行马赫数超过3。在接下来的3次飞行试验中,试验飞行器将由助推器和双燃烧室超燃冲压发动机(DCR)推进,并且达到Ma=6以上。1.6　HyTech计划HyTech计划由美国空军、NASA和普惠公司联合开展,项目总金额预计为1.4亿美元,目的是验证能够在Ma=4～8范围飞行、射程1400km的高超声速导弹用液体碳氢燃料双模超燃冲压发动机的实用性、性能和结构耐久性。该计划始于1996年。在进入飞行试验之前,该计划有3个重要的步骤,分别是研制性能试验发动机(PTE)、地面验证发动机1号(GDE-1)和地面发动机2号(GDE-2)。2003年,该计划完成了世界首台碳氢燃料超燃冲压发动机的飞行质量地面试验,2002年9月到2003年6月期间,GDE-1在Ma=4.5和Ma=6.5的条件下进行了大量试验,可靠地产生了巨大的净推力。2004年采用完全一体化燃油系统的GDE-2开始全尺寸试验。2007年夏天利用GDE-2改型的发动机将开始Ma=6～7的自由飞行试验,超燃冲压发动机工作时间为5min～10min。自由飞行试验如果成功,将再进行2次飞行试验。该计划将于2010年结束,2010～2015年,高超声速空对地巡航导弹将初步具备作战能力。1.7　碳氢燃料超燃冲压发动机技术(HySET)计划作为美国空军研究实验室(AFRL)的HySET计划的一部分,2005年普惠公司空间推进部制造出一台名为GTD-2的新的高超声速地面验证发动机。GTD-2是AFRL投资5800万美元进行为期9年研究的成果。该发动机的特点是采用可变几何进气道,并模拟了可重复使用的入轨或全球到达推进系统的结构。GTD-2发动机于2005年10月在NASA兰利研究中心进行Ma=5的地面试验,2006年将进行Ma=7的地面试验。这些试验将是采用碳氢燃料的超燃冲压发动机在高超声速条件下的首次试验。在GTD-2试验结果的基础上,由美国空军、普惠公司和波音公司组成的联合小组将于2008年开始超燃冲压发动机验证机/乘波器的飞行试验。1.8　助推到巡航(BoosttoCruise)计划该计划由美国ATK公司自筹资金实施,希望能够得到美国国防部或NASA的认可和资助。它的目的是研制一种高超声速巡航导弹,Ma=5,可携带113kg战斗部,射程>1110km。该导弹的超燃冲压发动机(采用JP-10燃料)在固定马赫数(Ma=5)下工作,采用在固体火箭发动机中得到充分证明的热管理技术。目前,该计划已进行了超燃冲压发动机的地面试验,2006年将进行发动机的自由射流试验。ATK公司打算今后3年内进行飞行试验。1.9　先进空间运输计划(ASTP)ASTP计划的目的是研究单级入轨技术。该计划用先进的火箭/冲压组合循环一体化发动机,通过RBCC技术加速飞行器,并使之进入地球轨道。其中,管道火箭用于起飞和低速飞行阶段,冲压发动机用于Ma=2.4～6的飞行阶段,超燃冲压发动机用 4 飞航导弹　2006年第8期