美国临近空间高超声速飞行器发展计划及经验

没得比

　　高超声速飞行器一般是指以超过马赫数5的速度飞行的航空航天飞行器，能实现在大气层和跨大气层中的高速飞行。按照高超声速飞行器的功能不同，主要分为三类：高超声速导弹、高超声速飞机和空天飞机。

　　国家空天飞机计划(NASP)

　　早在 20 世纪 60 年代，美国就有了制造空天飞机的计划，其中包括单级与两级入轨空天飞机的设计方案，但该计划于 1970  年结束，期间进行了一些超燃冲压发动机的地面试验和炮射飞行试验。1986 年，根据 DARPA  倡导的单级入轨(SSTO)研究，美国实施了国家空天飞机计划(NASP)。NASP 计划是国家级多学科项目，由美国国防部(DOD)与 NASA 共同组织。NASP  计划的设想是研制一种单级入轨的航天运载器，能够革命性的改变航天运输的现状，既能够像普通飞机那样重复使用，随意从机场起飞和降落，且要比火箭动力运载器大幅度降低发射成本。NASP  计划具体的目标是研制 X-30 吸气式试验性单级入轨飞行器，并进行飞行验证。

　　NASP 计划最初制定了三个发展阶段，第一阶段是开始由 DARPA  承担的概念设计研究阶段，后来有多个承包商参与到概念方案的定义与确认工作，经过数年的研究，最终确定了最终的方案。第二阶段，是关键技术的发展与演示阶段，NASP计划的关键技术是氢燃料超然冲压发动机技术，目标是使发动机能在马赫数  4 至15  的范围内工作。第二阶段完成的标志是完成必需的提高技术成熟度的顶层关键技术演示，如完成飞行器的设计、发动机的演示、材料与结构的演示等，以降低第三阶段的风险度。在第三阶段，首先对第二阶段的研究成果进行综合评估，然后再考虑是否进行  X-30 飞行器的详细设计、制造及其进行飞行试验等后续工作。但该计划于 1995  年终止。主要原因是方案过于先进;超燃冲压发动机技术还不成熟;所需资金过大而无法承担;过分依赖于计算流体力学(CFD)的计算，对地面试验和飞行试验重视不够等。

　　NASP  计划在美国高超声速技术研究领域是一个很重要的转折点。在此之前，美国开展的高超声速计划主要在理论研究层面，进行一些基础研究，并没有具体的应用目标。而在 NASP  计划之后的很多计划，都是层层推进，提出比较务实的目标，并不急于求成。

　　高超声速飞行器发展计划

　　图表：美国典型高超声速飞行器发展计划

　　NASP 计划结束之后，美国政府于1995 年启动了高超声速技术(Hy Tech)计划，该计划是由美国空军研究实验室牵头的。Hy Tech  计划的主要部分是可储存燃料超燃冲压发动机流动通道概念(SFSFC)计划，目标是发展和演示在马赫数为 4 至 8  的条件下，碳氢燃料超燃冲压发动机推进系统的运行能力、性能以及结构的可行性。

　　Hy Tech  是一个比较成功的计划，首先解决各部件的核心技术问题，然后进行各个部件的试验研究，最后对发动机进行相关技术验证。采用这种层层推进、步步为营的方法，避免了进展太快而导致的各种问题。该计划的研究成果，之后应用到了很多后续的高超声速计划之中，使该计划研制的超燃冲压发动机技术从试验阶段逐步走向了工程实践阶段。Hy  Tech 计划研制的发动机之后还陆续应用在Hyper-X，X-51A，ARRMD 等美国其他高超声速计划之中。

　　NASA 于 1997 年发起了 Hyper-X 计划。Hyper-X 计划由 NASA  的兰利研究中心和德莱顿(Dryden)研究中心联合进行研制。Hyper-X计划的目的是对可重复使用飞行器与超燃冲压发动机一体化设计技术进行研究和验证。主要采用代号为  X-43A 的飞行器进行试验，之后还有 X-43B、X-43C 和X-43D  等飞行器。只有飞行试验验证成功，超燃冲压发动机技术才能从基础研究阶段迈进到工程生产阶段。

　　Hyper-X 计划的重点在于飞行试验验证，X-43A  的三次试验是对美国在超燃冲压发动机这一领域多年的研究成果的验证，把以前只停留于理论研究中的技术应用到实际飞行之中，所获得的经验对高超声速技术之后的发展有很好的借鉴作用。本计划还为Hy  Tech计划中的发动机提供了试验平台，使各计划有很强的关联性，符合 NAI 倡议的要求。与之前很多项目中不同的是，在 Hyper-X  计划中，政府和承包商团队的合作非常协调，这对项目的最终成功起了很大的作用。

　　1998 年，DARPA 提出了“快速响应导弹演示”(ARRMD)计划，ARRMD  计划的目的是进行远程高超声速巡航导弹的飞行试验，以检验其性能。

　　波音公司提出了两种技术方案，阶段一主要对这两种方案进行发展和论证。第一种方案是在之前Hy  Tech计划中的一体化推进系统基础上进一步发展而形成的“乘波体”构型方案。该方案的发动机截面为矩形，一体化于飞行器的下表面。采用双模态超燃冲压发动机，发动机燃烧时采用液体热沉燃料进行主动冷却，发动机的喷管与飞行器后部的下表面一体化。

　　另一种方案是基于原来美国海军的地对空导弹方案，采用双燃烧室冲压发动机技术(DCR)。该方案为轴对称的外形，锥形头部为多个进气道模块。气流进入进气道后被这些模块进行分配，一部分进入亚音速燃烧室，剩余部分进入超声速燃烧室。

　　经过两年研究论证，DARPA 认为 DCR  发动机有很多关键技术的难点不易解决，更看好双模态超燃冲压发动机设计，最终选择了海军的方案。但是最终由于发动机在超声速气流中无法燃烧这一困难无法得到有效地解决，导致计划一再拖延，最终于  2001 年结束。这体现了美国在高超声速技术研究领域并不是一帆风顺，也经历了曲折的道路，才逐渐走上正轨。

　　2002 年，美国海军研究办公室和 DARPA 共同出资发起了 Hy Fly  计划，主要承包商依然是波音公司，各方面共同完成项目的设计、试验和研制工作。Hy Fly  计划的主要目标是研究并验证可用于高超声速导弹的关键技术。项目需要最终验证以常规碳氢燃料的双燃烧室冲压发动机能够完成马赫数为 6  的巡航飞行，并能承受在此状态下所产生的高温影响。

　　Hy Fly 计划的几次飞行试验均以失败告终，表明双燃烧室冲压发动机(DCR)技术要想走出实验室，成功的应用到工程研制当中，还有很长的一段路要走。在  Hy Fly 计划中，美国重新启用了在之前的 ARRMD  计划中被放弃的双燃烧室冲压发动机(DCR)方案。这表明美国在高超声速飞行器技术的发展过程中，能根据各个项目的具体发展情况，及时的调整研究方案，使发展轨道不偏离预定目标。

　　美国空军和 DARPA 在 2003 年启动了 “从本土实施武力发送与应用”技术验证计划，即 FALCON  计划，简称为“猎鹰”计划。这项联合方案以发展和演示高超声速飞行技术和开发新的低成本太空发射系统为双重目标，这是美国实施的快速全球打击计划的一部分。猎鹰计划分为近期和远期两个研究阶段，两个阶段有不同的任务。第一阶段的目标是在  2010  年之前提供对全球范围内目标实施快速打击的能力，第二阶段的最终目标是发展并演示一种可重复使用的高超声速巡航飞行器(HCV)。美国为了加快实现快速全球打击的目的，除猎鹰计划外，还开展了多项研究项目，包括  X-51A等计划。

　　2003 年，美国空军研究实验室(AFRL)与 DARPA 联合开展了超燃冲压发动机乘波体验证机(SED-WR)计划，该计划重新采用了 ARRMD  计划中的乘波体机身设计方案。考虑到该计划代表了整个国家的发展，空军于 2005 年将该计划授予 X 系列飞行器的代号，命名为 X-51A  计划。该计划由多个政府机构和工业界联合开展，集中了全国的力量。

　　2013 年 5 月 1 日，X-51A 进行了最后一次飞行试验。由 B-52 轰炸机在 1.5 万米高空处投放飞行器，并在脱离助推器前加速至马赫数  4.8，此阶段加速过程由机尾的固体火箭发动机实现。X-51A  计划的飞行试验打破了吸气式高超声速飞行器最长的飞行时间和距离的纪录，证明了美国高超声速飞行器计划的发展已经取得了阶段性的成功，验证了很多关键技术。

　　国家航空航天倡议(NAI)

　　美国未来的目标是建立陆、海、空、天一体的全球快速打击体系，来实现在1~2小时内能对全球任意目标打击的能力。为早日实现这样的需求，必须更加大力发展高超声速等技术。

　　NASA 和美国国防部，在 2001  年联合提出了国家航空航天倡议(NAI)。该倡议很好地综合了空间与空中技术，用于实现全球顶尖的武力打击、空间发射与持久情报、侦察与监视的能力。NAI  倡议技术开发重点体现在三个相互关联的领域：高速/高超声速(HSH)技术、太空进入(SA)技术与空间技术(ST)。这三个方面共同致力于实现远程精确打击、空间发射和响应性空间有效载荷能力。

　　国防部高超声速计划路线图

　　2008年2月，美国国防向美国国会递交了《国防部高超声速计划路线图》。在这个文件中，美军扩大了高超声速技术的定义。新的定义是：使大气层高超声速机动飞行成为可能的技术。由此计划发生了重大转折，计划不仅包括吸气式高超声速巡航飞行的技术，而且扩展到包括采用火箭发动机和组合发动机在大气层中进行高超声速机动飞行的技术，从而采取了“两边下注”的策略。

　　《路线图》进一步明确了美军的高超声速计划的目的是为美军提供三项未来的作战能力：打击/持久作战能力;空中优势/防御能力;快速进入太空能力。这个路线图对上述的三个方面，都提出了由一系列技术产品支撑的路线图。这些技术产品包括：吸气式高超速飞行器如美国空军的X-51A，海军的HyFly  等;高超声速助推滑翔飞行器如HTV-2，陆军的AHW等，以及小型无人航天飞机X-37B等。

　　近期高超声速武器发展

　　美国当前正在发展的高超声速武器，包括空军的“高超声速打击武器(HSSW)”，美国空军和DAPRA合作的“高超声速吸气式武器概念(HAWC)”和“战术助推滑翔(TBG)”项目。这三个项目，波音、洛马、雷神等美国重要的军工企业都有参与。另外美国陆军的“先进高超声速武器(AHW)”项目，正在准备进行第三次飞行试验。除此之外，美国洛马公司正在积极研发高超声速ISR飞机SR-72。由此可见  ，美军在2035年可能装备的高超声速武器主要是两类：使用超燃冲压发动机的巡航导弹和高超声速助推滑翔飞行器。

　　美国空军2015年9月15日正式发表的题为《美国空军2035年的核心使命》的《空军未来作战概念》报告中提出了2035年的高超声速攻击作战设想。它假想了2035年9月17日，美国空军利用高超声速打击武器对敌方的一体化防空系统中的激光武器实施打击。2016年3月美国空军联合会的米切尔空天研究所(Mitchell  Institute for Aerospace  Studies)，发表的报告《高超声速武器与美国国家利益:21世纪的突破》。美军的高超声速计划的目的是为美军提供三项未来的作战能力：打击/持久作战能力;空中优势/防御能力;快速进入太空能力。

　　经过几十年的发展，美国已经建立了比较成熟的技术发展规划和成果转化的机制，使不同的发展计划的研究成果能够有机的结合起来，互相促进，形成良性循环。美国的高超声速飞行器经过几十年的发展，有过很多失败的教训和成功的经验。我国高超声速飞行器研究的起步相对美国要晚一些，这对我们可以说是既不利又有利。不利的是美国经过多年的发展，很多技术已经成熟，我们短时间内无法企及。有利的是，通过研究分析美国的高超声速发展历程，可以避免再犯他们出现过的错误，并有选择的借鉴一些他们成功的经验。我国要发展高超声速飞行器技术并尽量缩小与美国的差距，应该在全面总结美国发展成果的基础上，探索出一条符合我国国情的可持续发展的创新之路。