高超声速飞行器概念及发展动态
推进技术
本文2003-11-28收到,解发瑜、徐忠昌系海军工程大学文理学院讲师、副教授;李刚系空军工程大学导弹学院副教授
高超声速飞行器概念及发展动态
解发瑜 李 刚 徐忠昌
摘 要 介绍了高超声速飞行
技术的基本概念、关键技术;同时介
绍了高超声速飞行技术的发展动态。
主题词 高超声速 关键技
术 发展动态
引言
飞得更快、更高、更远,是
人类永恒的追求。人类突破飞行
速度经历了艰难的历程。
早在20世纪60年代,在人
类尚未突破3倍声速前,就已经
开始研究高超声速飞行技术。高
超声速飞行技术将是21世纪航
空航天领域的研究热点之一。高
超声速飞行器具有重要的战略意
义和极高的应用价值。
1 高超声速飞行器概念
通常把大气层中飞行速度达
到5倍声速以上的飞行称为高超
声速飞行。我国著名科学家钱学
森先生是高超声速技术的最早倡
导者之一。他在1945年发表的
一篇论文“论高超声速相似律”
中,首先采用了Hypersonic来表
示高超声速,即飞行马赫数大于
5,后来该词得到了广泛的认可。
他在1962年出版的《星际航行概
论》一书中,还具体提出了用一
架装有喷气发动机的飞机,作为
第一级运载工具;用一架装有火
箭发动机的飞机,作为第二级运
载工具的航天运载器概念。而关
于喷气发动机,他提出要“以涡
轮喷气发动机起飞,当高度超过
10km及飞行速度达到两倍声速
以上时再把冲压发动机开动,继
续爬高和加速,直到极限,然后
第二级火箭脱离第一级起飞。”在
20世纪80年代后,许多国家又
详细研究了钱学森先生提出的这
个概念。
2 高超声速飞行器涉及到的关
键技术
2.1 推进技术
要实现高超声速飞行,首先
必须具有适合的推进系统。现有
的涡轮/涡扇喷气发动机在马赫
数3以上时,比冲大大降低。涡
轮喷气发动机和涡扇喷气发动机
能达到的最大速度低于马赫数
4。在马赫数3~6之间,冲压发
动机具有较高的比冲。在马赫数
6~14或以上时,只有超燃冲压
发动机具有较高的比冲。火箭发
动机能达到高超声速,但比冲
低,成本高,结构复杂。目前看
来,超燃冲压发动机是实现高超
声速飞行的首选推进系统。
常规的冲压发动机燃烧室内
的气流为亚声速,而超声速燃烧
冲压发动机(简称超燃冲压发动
机)燃烧室内的气流为超声速。
各航空大国如美、俄等都对超燃
冲压发动机进行了长期的研究,
目前已经取得了一定的进展。冲
压式喷气发动机在飞行过程中吸
进空气,因此冲压发动机又称为
吸气式推进。由于在马赫数2以
下,超燃冲压发动机无法工作,
因此必须首先将飞行器
加速到马
赫数2以上。目前研究的方案主
要有母机投放和组合推进两种。
要实现未来的高超声速飞行器的
水平起降,可以考虑以火箭发动
机为基础的吸气式组合发动机技
术,即采用火箭助推或火箭发动
机/超燃发动机联合循环工作方
式。
2.2 材料技术
为了发展未来的高超声速飞
行器,必须着力解决相应的材料
与结构技术。特别是必须实现轻
的结构和有效的防热系统以及发
动机与机体的高度一体化。
高超声速飞行器飞行过程中
由于气动热载荷效应,在机头、
控制面及机翼前缘都具有较高温
度。发动机燃烧室、喷管温度也
很高,而燃料储藏箱、管道等由
于燃料膨胀效应温度很低。因此
·27·飞航导弹 2004年第5期整个飞行器中既需要热防护材
料,又需要耐低温材料。同时要
求高超声速飞行器重复使用及提
高运载效率,这就需要更轻、更
坚固的材料也需要有更先进的结
构装配技术。而且,和传统的飞
行器中发动机与机体分别制造最
后安装不同,高超声速飞行器必
须实行发动机与机体的高度一体
化,以有效降低阻力和气动热。
除了做好材料与结构的研究外,
还要建设必要的地面模拟设备,
如大功率的电弧加热器和高温热
结构风洞等。
2.3 空气动力学技术
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。
为有效降低激波阻力,必须采用
机身与发动机一体化技术。目前
研究的气动布局主要有升力体布
局、细长体布局和乘波布局等。
乘波布局是指飞行器前缘都是斜
激波的布局,飞行器就好象乘在
激波之上,这种布局升阻比高,
但稳定性较差。
高超声速空气动力学现在主
要依靠组合计算流体力学、工作
时间较短的高温设备和有限的飞
行数据。计算的进步主要取决于
对物理化学现象了解的突破和计
算机运算速度和存储容量的提
高。计算流体力学的突破,还必
须有一定的试验数据来进行确
认。计算的优点是在观察现象
时,可以将各种机理孤立出来进
行研究。计算也可获得大量流场
数据。这种能力常用于研究很难
进行实验测量的物理现象。在地
面设备能力不足时,采用计算流
体力学可用来将地面数据外推到
飞行条件。但是可以认为,不可
能完全依靠计算流体力学完成高
超声速飞行器的设计。其原因是
它在模拟高超声速流动方面的能
力还是不足的。
地面试验设备在恰当地模拟
高超声速飞行的能力方面存在一
定的局限性。现有的设备不可能
同时模拟高超声速飞行器对环
境、尺度和试验时间的要求,因
此必须组合使用不同种类的设
备。
由于计算和地面试验的局限
性,为了减少发展高超声速飞行
器的风险,必须进行飞行试验。
传统的飞行试验是在产品研制的
最后阶段进行的,也就是进行样
机试飞,而高超声速飞行器的飞
行试验的目的在于综合考核新概
念和确认设计方法。它对改进手
段也有很大的作用。高超声速飞
行器只有经过飞行试验的演示验
证,才能开始研制。近年来,国
外把这种做法称为先期概念技术
演示验证(ACTD)。但飞行试验
也有很大的局限性,用它来建立
一个综合数据库以确认计算流体
力学程序,显然是不大可能的。
在飞行中也难以进行精确的测
量,而且不大可能进行流场的测
量。
为了研究高超声速飞行器飞
行特性,需要进一步发展高超声
速计算空气动力学、高温风洞设
备、高超声速风洞和飞行试验技
术。
2.4 飞行控制技术
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。
2.5 研发、试验和评估的一体
化
为了研制出满足设计要求的
高超声速飞行器,必须一体化地
·28·飞航导弹 2004年第5期运用三个手段,即模拟和仿真、
地面试验和飞行试验。对于吸气
式高超声速飞行器系统,关键是
要将三种手段有效地平衡运用,
以提供高超声速飞行器系统研
发、试验和评估(RDT&E)的一体
化。2000年美国空军咨询委员
会在对美国空军高超声速技术计
划的评估报告中指出:“限制美
国持续发展高超声速能力的关键
因素是缺乏飞行试验数据。”为了
获得飞行数据,需要建立一个计
算模拟、地面试验验证和飞行试
验确认一体化的反复渐进过程。
进一步地看, RDT&E的一体化,
必须贯穿于从导出高超声速飞行
器概念到具体的高超声速飞行器
系统发展、试验的全过程。这就
要求在试验发展中广泛采用模拟
和仿真,以达到更有效地进行试
验和预测新概念飞行器的飞行试
验结果。同时还要发展与试验相
关的计算技术。当然,模拟和仿
真是地面和飞行试验的补充,而
不是替代它们。
3 高超声速飞行器种类及应用
前景
目前提出的高超声速飞行器
概念,按飞行方式分类可以分为
复合动力方式、单动力或复合动
力“冲跃”方式、助推火箭辅助起
动飞行方式。
复合动力方式:在初始阶段
采用涡轮发动机,当高超声速飞
行器的速度达到两倍声速左右
时,涡轮引擎暂停运转,吸气式
冲压发动机利用大气中的氧气燃
烧推动飞行。当高超声速飞行器
的速度达到10倍或15倍声速
时,就开始转而利用火箭推动系
统,不再依靠大气飞行。
单动力或复合动力“冲跃”方
式:飞行器将从跑道上水平起飞
或由专用的大型运输机挂载空中
投放,然后自主加速到马赫数
10,同时爬升到40 000m的高度,
然后关闭发动机,依靠惯性向上
冲跃滑翔飞出大气层,向前飞行
同时回落到大气层后发动机将短
时重新起动,使飞行器加速并爬
升完成下一周期的“冲跃”方式
———正弦波飞行轨迹飞行。
助推火箭辅助起动飞行方
式:通常使用固体燃料助推火箭
来完成初始阶段的飞行,以达到
起动吸气冲压发动机工作所需要
的速度和高度。
目前提出的高超声速飞行器
概念,按功能分主要包括水平起
降航天运载器、高超声速巡航导
弹、高超声速飞机和空天飞机等
几种。
在民用航天方面,人们最关
心的是将高超声速飞行器研制成
空天飞机。美国前总统里根当时
曾提出,要在20世纪末研制出
速度达马赫数25的东方快车,
将把从华盛顿到日本的常规商务
飞行的时间由现在的18h缩短到
近2h。
在研究节省能源和低发射成
本航天方面,高超声速飞行器和
火箭可组成两级模式,高超声速
飞行器作为运载火箭可重复使用
的第一级时,它先按执行远程飞
行方式进行加速与爬升,但当它
接近最高速度和最高飞行极限高
度时释放携带有效载荷的第二
级,第二级点火并携带卫星或其
它有效载荷进入轨道,与此同时
高超声速飞行器返回地
面并作常
规着陆。
另外,高超声速飞行器还被
希望制造成一种大型运输机。它
比其它飞机运载的有效载荷多、
飞得远和飞得快,从而使它成为
一种极具吸引力的运输工具,而
且为再次飞行所需的准备也大大
简化。
在军用方面,高超声速巡航
导弹具有极高的军事应用价值。
高超声速巡航导弹可用于进行远
程精确打击。高超声速巡航导弹
飞行高度高、速度快、机动性
好,目前的防空武器都不能对其
进行有效防御。
在各种高超声速飞行器中最
有发展前景的是空天飞机。
空天飞机是航空航天飞机的
简称,又称跨大气层飞行器。空
天飞机集航空、航天技术于一
身,兼有航空和航天两种功能,
既能完成民用航空航天任务,又
能执行多种军事航空航天任务,
是一种具有广阔发展前景的载人
航天兵器,将为未来战争带来重
大变革。
空天飞机的概念于20世纪
80年代初提出。随着空间活动
的增加特别是载人航天的发展,
一次性使用火箭、飞船和航天飞
机的高额发射费用日益成为大规
模开展空间活动的“瓶颈”,需要
一种既能像普通飞机一样起降又
能往返于天地之间的经济、安全
的飞行器,这就是空天飞机。
20世纪80年代初,美、苏、
英、法、德、日、印等国都把探
索与发展空天飞机作为航空航天
技术领域的一个重要目标,在世
界上掀起了发展空天飞机的热
潮。其中最著名的空天飞机方案
·29·飞航导弹 2004年第5期有美国的国家空天飞机(NASP)、
英国的霍托尔(HOTOL)和德国的
桑格尔(Sanger)。
经历了一段时间的低谷之
后,空天飞机又重新得到了重
视。当前,美、俄、日和印度等
国正在实施空天飞机计划或与研
制空天飞机密切相关的重复使用
运载器技术发展计划。
4 国外高超声速飞行器发展动
态
高超声速飞行器是21世纪
世界航空航天事业发展的一个主
要方向,在未来的军事、政治、
经济斗争中将发挥重要的战略作
用。目前,美、俄、法、德、日、
印等国都在进行这方面的研究,
但还未研制出实用型的高超声速
飞行器。
各国在高超声速飞行技术的
研究过程中,一方面致力于地面
试验与模拟设备与技术以及计算
技术的研究,另一方面又特别重
视飞行试验。因为地面试验与模
拟及计算不可能完全解释高超声
速飞行中的各种独特气动力和气
动热现象。推进技术是实现高超
声速飞行的瓶颈之一,同时高超
声速飞行器发动机几乎涉及到所
有高超声速飞行器设计过程中所
包含的关键技术,如气动力与气
动热、材料与结构等。利用飞行
试验可以获得大量真实飞行条件
下的数据,可以对发动机进行地
面试验无法
替代的空中试验,同
时还可以对高超声速飞行器的飞
行控制进行试验。财力雄厚、技
术先进的美国建造了一系列用于
高超声速飞行试验的试验飞行
器,如X-30、X-33、X-34、X-43
等。
美国早在20世纪60年代就
开始了高超声速飞行的相关技术
的研究与探索,并且提出了一系
列的高超声速飞行器发展计划。
1983年美国空军与美国宇
航局联合提出了一项耗资30亿
美元、历时10年的国家空天飞
机(NASP)计划。它是一种吸气
式单级入轨空天飞机,其目标是
通过研制可在地球低轨道飞行、
像飞机一样在跑道上起降的高超
声速技术验证机X-30,掌握发展
空天飞机的关键技术,然后研制
实用型空天飞机。
X-30最终由于燃料储存箱
技术不过关而试飞失败。当
NASP计划于1994年被取消时,
获得了两条教训。第一个也是最
重要的认识是:在建造像X-30
这样的飞行器之前,必须在超燃
冲压发动机推进系统、材料、其
它系统及热管理等方面做大量的
研究工作。
虽然NASP最终被取消,但
NASP大大推动了高超声速技术
的发展。通过试验设备的大规模
改造和一系列试验,仅美国宇航
局兰利中心就进行了包括乘波外
形一体化和超燃冲压发动机试验
在内的近3 200次试验。通过这
些试验掌握了大量的数据,从而
为实际飞行器的工程设计打下了
牢固的技术基础。美国空军在
1994—1996年期间完成的一系列
关于未来军事装备的研究报告
中,均建议把空天飞机作为此后
二三十年最重要的武器装备之
一。
美国军方也提出了高超声速
飞行器计划。美国国防高级研究
计划局(DARPA)正在执行可负担
得起的快速反应导弹演示(Af-
fordable Rapid Response Missile
Demonstrator, ARRMD)计划,预
计于2004年进入工程制造研发
阶段, 2010年开始装备部队。该
导弹采用高升阻比的乘波外形,
由空中或者水面和水下舰艇发
射,发动机采用碳氢燃料,飞行
马赫数6~8,发射质量910~
1 030kg,射程740km~1 110km,
命中精度9m。
1998年9月,美国海军提出
要发展马赫数为6的高超声速巡
航导弹,以便为海军提供快速打
击远程目标的能力。并提出了一
个高速打击导弹(High Speed
Strike Missile, HISSM)计划,计划
研制的导弹巡航马赫数为6,最
大马赫数为8,射程1 100km,战
斗部利用动能可以侵彻5m~11m
的混凝土,计划于2004—2008年
进行工程研制, 2010年达到初步
作战能力。
美国空军还在实施高超声速
巡航导弹的高超声速技术
(HyTech)计划。计划研制的导弹
的命中精度在9m以内,其制导
方式为惯性制导+全球定位系统
(INS/GPS),发射平台为轰炸机、
战斗机或舰载垂直发射系统,巡
航马赫数为8,飞行时间约
12min,射程为1 400km。计划于
2003年底在阿诺德试验中心完
成全尺寸的地面试验, 2007年完
成样弹的飞行试验, 2010年完成
整个计划。
在发展高超声速导弹的同
时,美国也在研究高超声速飞
机,尤其是高超声速轰炸机。目
前波音公司、洛马公司和诺格公
·30·飞航导弹 2004年第5期司正在进行马赫数5~10的高超
声速飞机的研究。
为了进一步发展高超声速飞
机技术,在NASP计划取消后,
美国宇航局提出了一项规模比
NASP相对小一些的高超声速飞
行(Hyper-X)试验计划,即小尺
寸的高超声速飞行试验验证机
(X-43)计划。小尺寸飞行器X-
43长3.6m,宽1.5m,计划进行
飞行高度为29km~36km、马赫
数分别为5、7、10的飞行试验。
第一次飞行试验于2000年6月
进行,马赫数为7,试验目的是
验证双模态超燃冲压发动机、一
体化防热结构和材料,以及重复
使用技术。这是航空史上以吸气
式发动机为动力的首次高超声速
飞行器试验。
为了发展先进空间飞行器,
美国实施了先进空间运输计划
(ASTP),以研究单级入轨技术。
该计划用先进的火箭/冲压组合
循环一体化发动机,通过基于火
箭的组合循环(Rocket- Based
Combined Cycle, RBCC)技术加速
飞行器,并使其进入地球轨道。
其中,装在函道内的加气补燃式
火箭用于起飞和低速飞行阶段,
冲压式喷气发动机用于马赫数
2.4~6的飞行阶段,超燃冲压发
动机用于马赫数6~8、飞行高度
42km的飞行阶段,常规火箭用
于马赫数大于8的高空飞行阶
段。通过这一计划,到2025—
2030年左右,将使低轨道发射的
价格降低为原来的1/100,即达
到100美元/0.45kg,同时可靠性
提高100倍。该技术目前已取得
重大进展,美国宇航局正在选择
用于试飞的飞行器,预计于2005
年进行首次试飞。
1995年初,美国提出了重复
使用运载器发展计划,研制以火
箭发动机为动力的单级入轨
(SSTO)航天运载器。美国宇航
局研制了缩比的演示验证机X-
33,原计划于1999年试飞,并且
于2000年做出是否研制实用型
重复使用运载器冒险星(Venture
Star)的决定,预计2010年前后
冒险星可能会投入实用。由于结
构问题, X-33的试飞被无限期推
迟,预计在2004年会进行试飞。
为了进一步减小X-33验证机的
技术风险,降低研制成本,美国
宇航局还在实施X-34试验计划,
用于验证X-33所需的风险较大
的技术,如热防护系统、复合材
料结构和新的综合电子设备等。
这些技术发展将直接为研制空天
飞机奠定基础。
美国在高超声速飞行技术领
域经历了一系列挫折后,基本确
立了首先发展高超声速巡航导弹
再转入到无人机与天地往返系统
的总体发展思路。
长期以来俄罗斯以及前苏联
都在高超声速飞行技术领域开展
了不
懈的努力。自1991年以来,
俄罗斯曾进行过5次轴对称发动
机飞行试验,发动机长4.3m,质
量593kg,由SA-5地空导弹发
射。5次试验中,除第3、4次出
现过电子、机械故障外,其余3
次都十分成功。
为了研究更接近于实际的飞
行器布局,俄罗斯研制了先进的
彩虹(RADUGA)高超声速试验飞
行器(D-2飞行器),它是用长
11.3m、直径0.9m、翼展3.6m的
SA-4导弹改装的,射程为
570km,飞行高度为15km ~
30km。发动机长度为6m,带二
维进气道。D-2飞行器由马赫数
1.7、飞行高度12km的飞机发
射,然后由火箭加速。D-2飞行
器的飞行马赫数为2.5~6,飞行
高度为15km~30km,用降落伞
系统回收。
俄罗斯还在研制IGLA(针)
高超声速试验飞行器,飞行马赫
数6 ~ 14,全长7. 9m,翼展
3.6m。氢燃料发动机由3个模
块组成,总长1.9m,质量200kg。
该飞行器类似于美国的Hyper-
X,主要用来研究机体/推进一体
化、结构防热、飞行动力学、计
算流体动力学等一系列重大技术
问题。
俄罗斯中央航空发动机研究
院与格罗莫夫试飞院将于2004
年开始进行高超声速飞行器
GLL-31的首次飞行试验。目前
合作双方正进行试验型高超声速
冲压喷气发动机的试验台试验。
GLL-31主要用于进行马赫数2~
8.5、14km~32km高度的飞行试
验,以试验碳氢燃料超燃冲压发
动机。
除了美、俄之外,法、德、
日、印等国长期以来也一直致力
于高超声速飞行技术的研究工
作,并取得了一些阶段性的成
果。
与国外相比,我国的高超声
速飞行技术有一定的差距,但是
有关方面的专家学者对高超声速
飞行技术也非常重视,并且进行
了多年的跟踪,作了许多的工
作。
(下转第54页)
·31·飞航导弹 2004年第5期仍能可靠地工作。
2.2 多波束技术
这种多波束系统是利用多波束网络(如巴特勒
矩阵网络)或多束透镜(如罗特曼透镜)在空间形成
多个独立的相互邻接的高增益波束。
多波束天线的优点是:每个波束都具有天线阵
孔径的全部增益;能覆盖很宽的扇面和频率范围;
能以很高的角分辨力不间断地进行空间扫描;当每
个阵元前面加装一个独立的低功率微波放大器时,
该阵列就能产生巨大的有效辐射功率,因而可以用
最有效的抗干扰功率对付干扰威胁。
2.3 毫米波对抗技术
毫米波波段通常是指波长为10mm~1mm(相应
频率为30GHz~300GHz)的无线电波段,其下限与
厘米波相邻,上限与光波相邻。由于毫米波具有窄
波束、低旁瓣、高定向性、宽频带和抗干扰能力强
等优点,特别是象频率捷变、脉冲压缩、频率分集
技术等在毫米波雷达中得到广泛应用,使毫米波雷
达有更强的抗干扰能力。
2.4 低截获概率技术
采用编码扩谱和降低峰值功率等措
施,将雷达
信号设计成低截获概率信号,使侦察接收机难以侦
察,甚至侦收不到这种信号,从而保护雷达不受电
子干扰。
2.5 稀布阵综合脉冲孔径技术
这是一种在米波段采用大孔径稀疏布阵、宽脉
冲发射、接收用数字技术综合形成窄脉冲和天线阵
波束的新体制雷达技术。具有工作频带宽、同时工
作频率多、信号截获概率低等优点,是一种反干扰
能力强的新雷达体制。
2.6 无源探测技术
这是一种自身不发射信号、靠接收目标发射信
号来发现目标的一种探测技术。因此,它既不会被
侦察,也不会被干扰。
3 结束语
当前,以电子信息技术为代表的军事高技术,
使现代战争面貌发生了空前巨变,也引发了整个军
事领域的深刻变革。安国之道,先戒为宝。我们要
认真贯彻落实新时期军事战略方针,有重点地发展
军事高技术。世间没有攻不破的盾,也没有无坚不
克的矛,雷达对抗就是攻防双方的对抗,也遵从着
这个道理。因此只要我们找到对方的弱点,采取积
极的对策,就能够掌握雷达抗干扰的主动权。
参考文献
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(上接第31页)
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