超高飞行器 高超声速飞行器技术

超高飞行器 高超声速飞行器技术

我国老龄化现状-古诗朗读

高超声速飞行器的发展探析

1引言

高超声速飞行器一般是指以火箭发动机或超燃冲压发动机为主要动力，在大

气层内或跨大气层以Ma5以上的速度飞行的飞行器。我国著名科学家钱学森先

生最早提出“高超声速”这一概念，他在1945年发表的论文《论高超声速相似

律》中，首次使用了“Hypersonic”来表述“高超声速”，后来该词得到广泛认可。

高超声速飞行器综合了航空航天领域众多学科的新技术，代表了未来航空航天领

域的研究发展方向，被认为是继隐身技术之后的又一重点技术领域。

高超声速飞行器具有飞行高度高、速度快、侧向机动性好的优点，能在很短

的时间内抵达地球上任何一点，迅速打击数千或上万公里外的各类军事目标。因

此，美国、俄罗斯、欧洲、日本、以色列等国均投入大量的人力、物力对其进行

研究。同时，近年来，各军事大国在推进技术、结构材料、空气动力和飞行控制

等关键技术研究方面积累了丰富经验，这也为高超声速飞行器未来的发展奠定了

基础。

2高超声速飞行器基本概念及特点[1-3]

高超声速飞行器主要在临近空间，以Ma615的高速度巡航飞行,其巡航速

度及飞行高度数倍于现有的飞机；同时由于采用吸气式发动机，其燃料比冲远高

于传统火箭发动机，而且能实现水平起降与可重复使用，因此空间运输成本将大

大降低。高超声速飞行器技术的发展将导致高超声速巡航导弹、高超声速飞机和

空天飞机等新型飞行器的出现，成为人类继发明飞机、突破音障、进入太空之后

又一个划时代的里程碑。

高超声速飞行器具有飞行高度高、速度快、侧向机动性好的优点，能在很短

的时间内抵达地球上的任何一点，迅速打击数千或上万公里外的各类军事目标。

这主要是因为它具有高性能动力推进系统。超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机是

高超声速飞行器的关键技术。目前，各国发展高超声速技术主要选用燃料可在高

超声速内流中稳定燃烧的超燃冲压发动机。超燃冲压发动机的适用范围为

Ma516，飞行时不需要自身携带氧化剂，直接从大气中吸收氧气，作为助燃剂。

超燃冲压发动机结构质量轻、飞行成本低，可控能力强、安全性好，可长时间使

用，是实现高超声速飞行的理想动力装置。脉冲爆震发动机适用于所有尺寸和所

有速度的推进系统，从发射到高空高超声速飞行甚至轨道机动都能使用，尽管在

50km以上时需要使用氧化剂，但由于应用范围更广泛也更具革命性，因此也是

各国发展高超声速飞行器的热点。此外，高超声速飞行器具有以下优点:

（1）飞行速度快，全球到达。未来的战争是高信息化、高智能化的战争，未来

的空中打击力量将主要依靠高度和速度取胜。这种高超声速飞行器能在大约两个

小时之内攻击全球任何角落的目标。

（2）稍纵即逝，探测难度大。空中目标的运动速度直接决定其通过敌方防御体

系作战空域的时间，对突防概率影响极大。高超声速飞行器飞行速度快，回波积

累数量少，雷达探测能力明显降低，探测高超声速空中目标难度加大。

（3）突防能力强，拦截困难。高超声速飞行可有效缩短对目标的反应时间，从

目前的情况来看，现有的地面防空武器系统的方向转动机构的转动速度慢，不能

有效瞄准，因此突防概率高。

（4）射程较远，威力较大。目前国外正在研究的高超声速导弹射程都在几百千

米、几千千米，并且高超声速飞行时动能大，若设计与亚声速飞行器相当质量的

战斗部，高超声速飞行器战斗部威力更大。

3高超声速飞行器关键技术[3-6]

高超声速飞行器的飞行马赫数范围很宽，要跨越亚声速、跨声速、超声速、

高超声速4个阶段；要从稠密大气层冲向稀薄大气层，空气密度的变化非常大。

这些给飞行器带来很多困难。因此，必须攻克高超声速推进、高超声速飞行器一

体化设计、高超声速飞行器控制、高超声速飞行器气动力、气动热以及结构材料

工艺等关键技术。

3.1高超声速推进技术

目前现有的涡轮、涡扇喷气发动机在Ma3以上时，比冲会大大降低，涡轮

喷、涡扇发动机最大能达到的速度仍低于Ma4。因此，要实现高超声速飞行，首

先必须具有适合的推进系统。目前研究比较普遍的是采用超燃冲压发动机作为动

力，超燃冲压发动机结构简单、质量轻、成本低、易维护、超声速飞行时性能好，

具有高超声速飞行器要求高比冲、高速度和大续航推力的特性，特别适宜在大气

层或跨大气层中长时间超声速或高超声速动力续航飞行。因此，采用超燃冲压发

动机或者是超燃冲压发动机和其它发动机的组合，并利用固体火箭助推器把飞行

器加速到冲压发动机工作所需的速度是目前公认的高超声速飞行器动力装置的

最优选择。由于超燃冲压发动机在Ma2以下无法工作，因此必须首先将飞行器

加速到Ma2以上。目前研究的方案主要有母机投放和组合推进两种。

3.2高超声速飞行器一体化设计

高超声速飞行器一体化设计的过程也是多学科设计优化的过程。高超声速飞

行器设计的关键难点是，在提供高效气动产生高效推进的同时，配合飞行器的高

容积率、结构的有效性、可控性以及好的热防护性的一体化要求。高超声速飞行

器最显著的特点是机体与超燃冲压发动机之间的耦合，高超声速飞行器的前体和

后体下壁面既是主要的气动型面，又是超燃冲压发动机进气道的外压段型面和尾

喷管的膨胀型面。此外，在高超声速飞行条件下，超燃冲压发动机在高超声速飞

行器中的合理布局可以明显地减小飞行器的阻力，使飞行器获得较高的升阻比；

同时，超燃冲压发动机对飞行状态和姿态的变化也非常敏感，它的推力—速度特

性是影响飞行器飞行品质和动态特性主要因素之一，会使飞行推进一体化系统在

飞行包线内表现出复杂的非线性特性。因此，高超声速飞行器的设计必须采用一

体化设计技术。目前的研究重点是：气动设计一体化，要考虑减小阻力、增加升

力，还要考虑气动加热、热防护；结构设计一体化，特别是热结构及燃料供应与

冷却系统设计一体化，飞行器各子系统及各主要参数的动态与静态一体化；发动

机推力控制与飞行器飞行控制一体化等。

3.3高超声速飞行器控制技术

高超声速飞行器与目前现有的亚声速、超声速飞行器相比有许多不同的飞行

特性，有的方面目前还无法完全掌握。高超声速飞行过程中，飞行器对控制的响

应速度要求极高。然而，在高超声速飞行过程中，控制面的控制效率与亚声速、

超声速飞行状态相比有了较大的降低。控制面较大的偏转又将引起不希望的气动

热。因而在高超声速飞行器控制中往往采用控制面和反应控制系统(RCS)相结合

的控制手段。高超声速飞行器由于采用了轻质材料，在飞行过程中由于气流的扰

动等因素作用极易发生气动弹性振动。飞行器飞行过程中的各种复杂的力学过程

不可能完全精确地考虑在用于控制设计的飞行器控制模型中。而且飞行过程中往

往又会受到各种事先无法完全预知的扰动。因此高超声速飞行器的飞行控制是实

现高超声速飞行必须解决的关键技术之一。

3.4高超声速空气动力、气动热

高超声速飞行器在高马赫数飞行中，气动加热非常严重，在飞行过程中，飞

行器承受着巨大的定常与非定常气动力载荷和气动加热引起的热载荷。结构的弹

性力、惯性力、气动力和热应力之间的相互作用引发了热气动弹性问题。在不利

的耦合情况下，将有可能导致飞行器的性能下降甚至结构破坏。而气动热效应引

起飞行器结构的刚度特性的变化将有可能导致颤振，使飞行速度下降。

由于发动机的比冲随飞行马赫数的增加而下降，因此对高超声速飞行器气动

布局首先提出了降低阻力的要求。飞行器机动性和起飞降落等性能要求，对高超

声速飞行器升阻比和其它性能也提出了新的要求。飞行器热防护与热结构设计、

飞行姿态控制、推进系统也对空气动力学提出了一批需要研究的新概念。为此，

必须掌握与高超声速飞行器气动布局及其与推进系统一体化设计相关的高超声

速流动规律，解决在真实飞行环境下所出现的气动力、气动热新课题。具体研究

内容包括：地面试验设备及数值模拟设备的建设，实验技术与数值模拟技术研究

和气动布局研究。

3.5结构材料工艺技术

超声速飞行器要求尽可能地减轻结构质量，并克服气动加热问题。因此，长

寿命、耐高温、抗腐蚀、高强度、低密度的结构材料对于研制高超声速飞行器是

非常关键的。目前在研的新材料有铝锂合金和钛合金等轻金属材料、钛基材料等

金属基复合材料、聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料等。

4各种高超声速飞行器[2]

随着科学技术的不断发展，各种关键技术的突破，高超声速飞行器已经从概

念原理探索阶段进入了以高超声速巡航导弹、高超声速飞机和空天飞机等为应用

背景的先期技术开发阶段。

4.1高超声速巡航导弹

高超声速巡航导弹已成为远程精确打击的主力巡航导弹，目前正在向高速度、

高精度、隐形化的方向发展。高超声速巡航导弹装有多燃料仓超燃烧冲压喷气发

动机推进系统，采用易存储的液态碳氢燃料，甚至是纯液态氢，能在24km以上

高空、以Ma48的速度机动飞行，并能在6h内环绕地球一周，迅速打击地球

上任意地点的目标，精度小于1m,可穿透11m厚的钢筋混凝土，执行攻击、侦

察、监视和情报搜集任务，特别是能从防区外发射，攻击严密设防的活动目标、

时间敏感目标、加固目标和地下目标。高超声速巡航导弹集高速度、高精度和远

射程的优点于一身,更能适应未来高节奏作战的需要。

美国正在研制X-51“乘波者”高超声速巡航导弹,可以从B-52轰炸机上发

射，由助推火箭加速到超声速,再利用冲压发动机使其达到高超声速。X-51导弹

头部扁平，弹体采用镍合金材料，长约3.5m，中部设置有可折叠的舱门。其射

程约1000km，设计飞行速度为Ma5，能够在10min内精确打击目标。终极目

标就是要发展成一种可以在1h内攻击地球任意位置目标的新武器。

4.2高超声速飞机

高超声速飞机按执行任务的不同分为高超声速侦察机、高超声速轰炸机和高

超声速验证机。

高超声速侦察机速度可达Ma59，航程超过18000km，装有超燃冲压发动

机，有人或无人驾驶。主要用于侦察敌方对防空系统阵地情况，还行执行电子情

报搜索等多种任务。美国的“曙光女神”高超声速侦察机(Aurora)，又名“极光”，

是SR–71“黑鸟”战略侦察机之后新一代战略侦察机。据推测，“曙光女神”侦

察机全机长为32m，高为7m，全载重为83吨，其中三分之二以上是燃料，具

有超大功率发动机和流线型机身，飞行高度40km以上，飞行速度Ma6，甚至更

快。

计划研制中的高超声速轰炸机能把炸弹投到地球上任何地点并返回到原起

飞点，能精确投掷高爆穿甲弹或动能武器来实施打击，下一步将配载高能激光武

器或粒子束武器攻击目标，不需中途加油和在国外设置前进基地，飞行高度高、

速度快、侧向机动性好，目前的防空武器很难打到它。B-30是美国第一种高超

声速隐形战略轰炸机，是近年来开始研制的可带核弹、5倍音速的新一代远程隐

形战略轰炸机。其在性能指标上，要求隐形、高超声速、远程飞行等能力更强，

飞行高度大于30km，速度达到马Ma56，航程大于11100km，载弹量要达到

或超过B-52的水平。

从1997年3月起，美国波音公司开始研制X-43验证机。X-43试验机有A、

B、C、D系列型号。X-43A高超声速试验机是为探索航空航天领域新问题、验证

新理论、检验新技术而专门研制或改装的飞行器。机身长3.6m，翼展1.5m，重

量约1吨。安装在飞马空射型火箭上，机头使用了钨，机翼用耐热合金，外表面

覆盖了耐热陶瓷瓦片，机翼和垂尾前缘使用了碳材料。发动机采用与飞行器结构

集成的超声速燃烧冲压喷气发动机，燃料为气态氢。2004年11月16日，X-43A

进行试飞并取得成功，飞行速度达Ma10，加速时间10s，是目前最快飞机速度

的3倍[9]。

X-51A试验机采用了SJX61-2（简称X-2）超燃冲压发动机，用于验证吸气

式高超声速推进技术的可行性。该机采用了楔形头部、升力体机身和腹部进气道，

后部采用了4个控制面，长度为4.26m，空重约635kg，采用了乘波构型，通过

专门设计的尖锐头部，精确组织和分布所需的激波系，所产生的压力直接作用于

机体下方，从而提供升力。头部采用了钨材料，外部覆盖了二氧化硅隔热层，以

承受高温载荷。2009年10月27日，X-51A乘波体巡航飞行器在同一领域创造

了新的飞行记录，它在超燃冲压发动机推进下飞行5min，飞行马赫数从4.7加

速到超过6，验证了持续高超声速飞行是可行的。

4.3高超声速空天飞机

空天飞机安装有涡轮喷气发动机、冲压发动机和火箭发动机。涡轮喷气发动

机可以使空天飞机水平起飞，当速度超过2400km/h时，就使用冲压发动机，

使空天飞机在离地面60km的大气层内以30000km/h的速度飞行，如果再用火

箭发动机加速，空天飞机就会冲出大气层，像航天飞机一样，直接进入轨道。因

此，既能作为航空兵参加空地联合作战，又能发射、维修和回收卫星，深入敌方

执行重大突发事件的情报搜集、运输、监视和侦察任务，并可作为空间武器发射

平台、战时太空预备指挥所和往返于太空与地球间的运输机。目前各国积极开展

空天飞机的研究，如美国空天飞机涉及的研制项目包括X-33、X-34、X-38、X-40

等；英国制定了“霍托尔”空天飞机计划；德国制定了“桑格尔”空天飞机计划；

俄罗斯推出的“针”空天飞机；日本提出了单级入轨空天飞机（SSO）计划；印

度也在研制一种速度为Ma7的小型单级入轨并可重复使用的空天飞机。

5结束语

目前，世界各国竞相发展高超声速技术。这不仅因为它具有鲜明的前沿高技术特

征，还是21世纪科学技术水平迈上新台阶的重要标志。然而，高超声速飞行器

的研究是一项非常复杂的系统工程，涉及多个学科的最新前沿，很多关键技术尚

未完全突破，目前主要的技术难点是：高超声速飞行器动力和气动外形一体化设

计、飞行器外形与有效载荷设技、气动特性分析及热构结弹性分析。针对这些问

题，未来高超声速飞行技术的发展应主要集中在以下几个方面：建立高超声速飞

行器气动特性数据库；编制软件，以设计高超声速飞行器的外形和有效载荷，测

试超燃冲压发动机在大的飞行马赫数范围及燃烧模式转变下的工作状况，发展研

究机体一体化实验测试方法；分析结构热弹性及其与气动弹性的耦合问题；设计

高效的燃烧冷却结构；研究先进的航空材料和防热材料，以增强飞行器的可重复

使用性和耐久性；研制高效稳定的分离技术和综合飞行器健康监测技术等[3]。

参考文献

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[6]黄伟，罗世彬，王振国.临近空间高超声速飞行器关键技术及展望[J].宇航学报.2010，(5).