高超音速飛行器——臨近空間飛行領域的霸主

高超音速飛行器——臨近空間飛行領域的霸主

「高超音速飛行器」在未來國家安全中起著重要作用，是各國競相發展的一項頂尖技術。那麼高超音速飛行器是什麼樣的國之重器，它在軍事和民用領域都有哪些魅力，它的技術難點有哪些，讓各國不僅爭相發展還相互合作？為此，本期學姐採訪了浙江大學航空航天學院副教授榮臻。

快——從北京到紐約不超過2小時

高超音（聲）速稱為「hypersonic」，這個詞是我國著名科學家錢學森在1945年首次提出的。高超音（聲）速一般指的是速度超過5倍（5馬赫，即至少每小時6120公裡）音速。

高超音（聲）速飛行器是指飛行速度超過5倍音速的飛機、飛彈、炮彈等有翼或無翼飛行器。這種飛行器在臨近空間（距離地面20～100km的空域）執行飛行任務，既有航空技術的優勢，又有太空飛行器不可比擬的優點，既能在大氣層內以高超音速進行巡航飛行，又能穿越大氣層做再入軌道運行。它所採用的超音速衝壓發動機被認為是繼螺旋槳和噴氣推進之後的第三次動力革命。

與傳統的亞音速或超音速飛行器相比，該飛行器飛行速度更快、突防能力更強，具有很高的軍事和民用價值，是未來進入臨近空間並控制臨近空間、保證控制優勢的關鍵支柱，同時也是對臨近空間進行大規模開發的載體，是一種具有廣闊開發前景的新型未來飛行器。

高超音速飛行器之所以受人關注，其主要有以下三個優勢：一是飛行速度快，如果軍用的話，2小時內可以打擊全球任何目標；若用於民用的話，從北京飛到紐約用不了2個小時。二是探測難度大、突防能力強，由於高超音速飛行器速度快、通過時間短，導致防禦雷達累積回波數量較少，從而不易被發現,而且即使被發現，地面防空武器系統也難以實現有效瞄準，因此突防概率極高。三是射程遠、威力大，目前正在研究的高超音速飛彈，其射程都在幾百甚至上千公裡以上；另外，根據動能公式E=MV2（物體的動能與其速度的平方成正比）可知，高超音速飛行器在進行高超音速飛行時，其動能非常大，與傳統的亞音速飛行器相比，在同樣質量的情況下，威力也將增大很多。

根據公開出版的《臨近空間高超音速飛行器發展研究》（中國宇航出版社，2012），臨近空間高超音速飛行器的可根據功能分為三類：1、快速打擊時間敏感性目標的臨近空間高超音速飛行器（如美國X-51A、AHW等）；2、全球快速到達的臨近空間高超音速飛行器（如美國HTV-2）；3、以快速進出空間為背景的臨近空間高超音速飛行器——空天飛行器（如美國NASP、X-33等）。

其中技術難度相對較低的第一類飛行器，是目前各國重點研究的對象，而後兩類飛行器還處於探索階段。

尖——軍事強國競相發展的頂尖技術

高超音速技術發展始於20世紀50年代，世界上主要的航天大國都在涉及這一研究領域，尤其是近幾年來，以美國、俄羅斯為代表的世界主要航天大國和軍事強國十分重視高超音速技術的研究和投入，英國、德國、印度、日本、澳大利亞和法國等國也在同步積極推進。

美國作為軍事科技強國，在高超音速飛行器的研究最早，也進行過多次試驗。其中，基於吸熱式超燃衝壓發動機的X-51（後改名為X-51A）高超音速飛行器試驗最為充分，結果也令人滿意。

圖1美國X-51A高超音速飛行器

X-51A高超音速飛行器長7.62m，寬0.58m，飛行高度大於21.3km，最大射程可達740km，最大速度可達馬赫數6，發動機採用的是SJY61型碳氫燃料主動冷卻超燃衝壓發動機。

美國於20世紀90年代提出的全球快速打擊計劃是美國國家空天飛機計劃的延續，X-51A高超音速飛行器是該計劃的一大重要產物，由美國空軍研究實驗室、美國國防高級研究計劃局（DARPA）、波音公司與普惠公司聯合研製，代號為waverider（乘波者）。

X-51A高超音速飛行器於2010年5月26日首飛並取得了成功；然而第二次試飛與第三次試飛皆以失敗告終，分別於2011年6月13日與2012年8月14日進行；第四次試飛於2013年5月3日進行並取得成功，雖然此次飛行僅維持了300秒，但飛行距離達數百公裡，飛行高度超過2.4萬米，飛行速度超過5馬赫，成功驗證了吸氣式超燃衝壓發動機推進飛行的可行性，此次試飛也是X-51A高超音速無人飛行器最後一次試飛，試飛的成功為X-51A計劃畫上了一個圓滿的句號。

其他軍事強國諸如俄羅斯、英國、德國等國也相繼開展了高超音速飛行器的研製工作。

俄羅斯正在研發名為Yu-71的新型高超聲速滑翔飛行器，2015年2月進行了飛行試驗。該飛行器由SS-19匕首洲際彈道飛彈搭載發射，從俄東部的杜巴羅夫斯基飛彈基地升空，不過試驗未取得成功。今年4月，俄羅斯實現了8倍聲速的鋯石高超聲速巡航飛彈的飛行試驗。

英國長期開展和推進的高超音速飛行器「雲霄塔」（如圖2）及其發動機「佩刀」項目於2015年獲得可行性驗證，並於美國NASA聯合對「雲霄塔」的氣動特性以及「佩刀」發動機進行仿真試驗，並計劃未來幾年開展地面試驗。

圖2雲霄塔

德國高超聲速飛彈的主要性能指標為:飛行馬赫數6.5,採用高能、高密度的吸熱型碳氫燃料超燃衝壓發動機,慣性加全球定位系統複合制導,射程為1000km左右,命中精度在15m以內。

高超聲速飛行器技術難度之大，其高回報背後是高投資、高風險。因此，採用國際合作方式，可以獲得資金成本、風險降低、獲得先進技術等諸多好處，無疑是高超聲速技術研究領域的一個有效途徑。

近日據外媒報導，美國和澳大利亞成功在澳大利亞南部武麥拉試驗場進行了一次HiFire-4高超聲速飛行試驗，其飛行速度達到1.2萬公裡/小時。高超聲速技術領域的國際合作最早可追溯到俄羅斯邀請美國、法國參與的冷計劃，俄羅斯通過國際合作實現了世界上首次高超飛行試驗，之後又催生了美國的Hyper-X高超聲速計劃，大大推動了美國高超聲速技術發展。

正因國際合作的巨大收益，隨之產生了美澳聯合的HyCAUSE；澳、英、美、法、德、韓、日聯合的HyShot；印俄聯合研製的布拉莫斯系列飛彈；英美聯合的Skylon等大量在高超聲速技術領域的國際合作項目。

世界軍事大國高度重視高超聲速技術研製的背後，均因其廣闊的應用前景。兵法雲「得先機者得天下」，目前美國在高超聲速武器研製領域最廣泛、最深入，並且率先開始空射高超聲速巡航飛彈工程武器化研製，已經搶佔「軍事先機」，需要世界各國提高警惕。

難——如何給武器安上一雙沖天的翅膀

新時期戰爭不再是以軍事戰鬥人員的數量取勝的時代了，而是建立在新型軍事科技基礎之上的軍事力量對拼。作為新型高科技武器裝備之一的高超音速飛行器將給戰爭的勝敗帶來深遠的影響。新的裝備必定要求有新的技術來支撐，必定會遇到重重困難。

高超音速飛行器涉及發動機、結構外形設計、材料研製、氣動受力分析、控制算法開發、優化和計算機等眾多技術，是集航空、航天、材料、氣動、控制、優化和計算機於一體的多學科交叉研究領域，是航空航天技術的戰略制高點，技術難度可見一斑。

首先是高超音速推進技術。高超音速飛行器的發展以「動力先行」為重要指導思想。目前各國發展高超音速技術，主要選用超燃衝壓發動機（如圖3）作為推進系統。

圖3超燃衝壓發動機原理結構圖

不同於常見的航空渦輪發動機，超燃衝壓發動機的一個技術困難是飛行器必須達到一定速度才能啟動，所以要有助推器提供初速才行。在高速飛行過程中，超燃衝壓發動機燃燒室在沒有壓氣機的條件下，要實現高速氣體減速增壓以及和燃料充分混合併瞬時點火成功，有人以「在颶風裡點燃一根火柴並保持燃燒」來形容超燃衝壓發動機起動成功。難度可想而知。

二是一體化總體設計技術。飛行器一體化總體設計技術指的是通過飛行器與推進器兩者相互作用獲得儘可能高的飛行器氣動和推進性能、穩定性與控制特性。飛行器機體和推進系統的一體化設計，是整個飛行器性能的關鍵，而且馬赫數越高，問題越突出。由於試驗結果非常有限，也沒有成熟的設計方法參考，高超聲速飛行器一體化總體設計技術主要還得依賴大量的高速風洞試驗、計算機模擬，更需要進行實際飛行測試，技術難度和研製風險都很大。

以美國HTV-2高超音速飛行器為例，其飛行速度要經歷從22倍音速再入，16倍音速以上速度開始滑翔，最後減速到4倍音速的過程；飛行高度也從60公裡左右開始，最後降低到20～30公裡，飛行距離長達5500公裡，其橫向機動（側向飛行）能力也有2000公裡。HTV-2項目經理曾經很無奈地說：我們知道如何將飛行器送入近空間，也知道如何再入大氣層進行高超音速飛行，但我們不知道如何在高超音速飛行下進行氣動控制。

三是高超音速空氣動力學。飛行器在以高超音速飛行時，空氣的粘性作用致使飛行器表面產生強烈的氣動熱，能使附著氣體產生分解和電離，形成複雜的混合氣體，飛行器前緣駐點溫度將高達10000℃左右，如圖4所示。

圖4高超音速飛行器飛行時的溫度分布圖

高溫會對飛行器造成不可恢復的損傷，致使飛行器結構外形發生燒蝕、結構強度以及剛度發生改變，對飛行器的正常飛行以及安全帶來極為嚴重的影響。這要求必須綜合解決真實飛行環境下氣動力與熱特性的難題。目前，各國正積極發展與高超聲速空氣動力與熱力學相關的基礎理論、建模計算及試驗驗證手段。

四是結構材料技術。長壽命、耐高溫、抗腐蝕、高強度、低密度結構材料，對研製高超音速飛行器至關重要，要求材料和結構技術必須取得重大突破。新一代空天飛行器熱防護問題具有不同的特點——複雜的升力體外形、長時間熱流。為了獲得良好的氣動特性，一般需採用保持飛行器外形不變的非燒蝕熱防護技術，還要解決長時間持續飛行的內部隔熱問題，需要發展新的熱流預測技術和熱防護技術。

高超音速技術一旦取得突破，其軍事應用將十分廣泛。比如利用高超音速技術對現有的飛彈、炮彈、作戰飛機等武器進行超速化改造後，這些武器就會像長了一飛沖天的翅膀，作戰效能將會產生質的飛躍。

強——我國擁有世界領先水平的風洞

我國很早就意識到高超音速飛行器的重要意義，但是直到20世紀90年代後才開始進行深入的研究。到了21世紀初，高超音速飛行器及其相關技術在863計劃（國家高技術研究發展計劃）和973計劃（國家重點基礎研究發展計劃）等研究專項的支持下，獲得了令人矚目的成就。

國家「十二五」建設期間，由航天科工集團公司和航天科技集團公司抓總研製，分別成立了「高超音速飛行器科技工程」和「臨近空間無人飛行器」兩個重大科技專項。中國運載火箭技術研究院於2008年10月成立了「北京臨近空間飛行器系統工程研究所」（一院10所）。另外，北京大學、浙江大學和上海交通大學等高校也相繼成立臨近空間飛行器研究機構。

此外，航天科技集團成立了高超音速飛行器防隔熱技術中心，重點研究高超音速飛行器防隔熱前沿技術。國防科技大學研究團隊在超燃衝壓發動機及其地面試驗、飛行試驗技術等方面進行了開拓性研究，實現了技術水平的跨越。航天科工三院31所研發的首臺聯合循環高超音速發動機，將渦噴發動機、火箭和超燃衝壓發動機組合在一起，利用三種發動機不同的性能實現飛行器從起飛到亞音速飛行、再到高速飛行、再實現高超音速巡航，最後還能減速降落。

風洞實際上是先進飛行器的搖籃，飛行器在風洞中進行模擬實驗——飛行器不動，在風洞中產生與它飛行速度相等的氣流速度來模擬飛行環境。中國科學院力學所設計建造的JF12復現高超聲速激波風洞（如圖5、圖6所示），其整體性能優於國外同類設備，可復現25至40公裡高空、5到10倍音速的高超音速飛行條件；高超音速發動機需要的實驗時間至少需要60到70毫秒，我國的風洞實驗時間能夠做到100毫秒，而國外的相關風洞大約為30毫秒；中國的噴管直徑可達2.5米，實驗艙直徑3.5米，都明顯優於國外同類風洞，真可以說是個「超級風洞」，達到了世界領先水平，而且美國對我國這個風洞非常關注。

圖5JF12復現高超聲速激波風洞外觀

圖6 JF12復現高超聲速激波風洞實驗段

變——全球快速到達改變你我生活

高超音速飛行器技術作為21世紀各國競相發展的一項頂尖技術，必將在未來各國軍事抗衡、戰略布局中佔據一席之地，具有很高的軍事和民用價值，是未來進入空間並控制空間、保證控制優勢的關鍵支柱，同時也是對空間進行大規模開發的載體，是一種具有廣闊開發前景的飛行器。

在軍事上，高超音速飛行器的開發，將帶領快速精確打擊武器時代的到來。全球可達、遠距離精確打擊將是高超音速武器的重大優勢。由於其可以在大氣層內自行加速至5馬赫以上，所以可以具有更快的飛行速度和更高的機動性。

高超音速武器在打擊目標上具有傳統武器難以比擬的優勢，是一把快、準、狠的尖刀，攔截難度高，破壞力強，是臨近空間飛行領域的霸主，具有很大的戰略意義。

在民用上，一方面高超聲速飛行技術將成為快速運輸的裡程碑式成果，全球快速到達可以大大拉近不同地域之間的人員和物資距離，提升運輸效率，為全球經濟發展提供新的增長點，並改善人類的生活方式及生活水平。由於其速度上無可比擬的優勢，高超聲速飛行器在民用運載上將帶來極大的經濟效益。另一方面，高超聲速飛行器的開發，將使得高效率、低成本的空間利用成為可能。

高超聲速飛行器具有對地球高層大氣和外層空間進行探測的能力，為將來的星球探測、星球之間的運輸提供服務。高超聲速飛行器在空間開發上具有強勁的實力，可以為深空探測提供更加可靠、可控性更強的工具，同時使得空間移民、開闢地球外新家園成為可能。

高超音速技術是21世紀航空航天領域戰略制高點，具有快速打擊和遠程投送能力，成為當今世界強國關注的戰略發展方向，也必將會帶來新一輪高技術和新型產業的發展。