高超声速飞机
高超音速飞行器
高超音速飞行器高超音速高超音速，指物体的速度超过5倍音速（约合每小时移动6000公里）以上。
高超音速飞行器主要包括3类：高超音速巡航导弹、高超音速飞机以及空天飞机。
它们采用的超音速冲压发动机被认为是继螺旋桨和喷气推进之后的“第三次动力革命”。
高超音速飞行器高超音速飞行器被视为下一代飞行技术，根据俄亥俄州空军研究实验室高速系统分部的负责人罗伯特·梅谢尔（Robert Mercier）介绍：“我们取得对高超音速飞行技术的掌握，就如同从螺旋桨式的飞行时代过渡到喷气式飞行时代，自莱特兄弟（Wright brothers）以来，我们一直在研究如何使飞行变得更好、更快。
目前，高超音速飞行技术就是航空界潜在的前沿领域之一，我相信我们正在等待着进入这个舞台。
”X-43X-43系列高超音速飞机是美国航空航天总署秘密研制的无人驾驶飞机，看上去很像一块漂亮的冲浪板。
1996年开始研制，2004年第二次试飞成功，并突破7被音速。
X-43X-51X-51A是美国空军研究实验室（AFRL）与国防高级研究计划局（DARPA）联合主持研制的超燃冲压发动机验证机——乘波飞行器（SED-WR，Scramjet Engine Demonstrator-Waverider）。
它由波音公司与普拉特·惠特尼（简称普惠）公司共同开发，由一台JP-7碳氢燃料超燃冲压发动机推动，设计飞行马赫数在6～6.5之间。
这个计划的终极目标就是要发展一种比美国原武器库中任何一种导弹的速度都要快5倍以上，可以在1小时内攻击地球任意位置目标的新武器。
[1]X-51美军的挚爱屡试屡败的X-51高超音速飞行器，究竟是省钱利器还是吞金猛兽？包括其东家美国空军在内，人们至今找不到明确的答案。
8月14日，被美国空军寄予厚望的X-51高超音速飞行器再度亮相，由B-52轰炸机在太平洋上空投放后进行测试。
然而，由于一片尾舵突发故障，通体细长的X-51仅坚持了16秒便失控坠海，不知所踪，它的第三次飞行试验只得草草收场。
高超声速飞行器动力技术介绍及部分国家发展现状
一、高超声速飞行器技术发展路径及动力技术介绍1.1 高超声速飞行器技术发展路径高超声速飞行器区别与其他飞行器最大的特点是高度一体化，使得飞行器机身与推进系统密不可分，从某种意义上来说是无法划分出一个所谓的“发动机”进行研制的，这样的“发动机”也只有在与机身合二为一才能发挥其真实的性能，也才能真正的运行起来。
因此，高超声速飞行器首先是“自顶而下”地分解研究对象和研究阶段，随着技术的发展再逐步地整合各部分的研究，逐级、逐步形成一个完整的飞行器研究对象。
从总体方案设计的完整的飞行器作为研究对象可划分为四个层次的研究：气动/推进一体化研究、全流动通道推进系统研究、超然冲压模型发动机研究、超然冲压发动机部件研究，将高超声速飞行器自顶而下分解后就，再从分解出来的底层部件逐步发展“自下而上”到顶层飞行器。
同时“自顶而下”的技术分解和“自下而上”的技术集成这两条路线又是有交互的，在试验研究的任何阶段发现问题，都应当反馈到飞行器总体的设计，重新定义部件、子系统的研究对象。
图1.11.2 高超声速飞行器动力技术介绍气动/推进一体化研究 全流动通道推进系统研究 超然冲压模型发动机研究超然冲压发动机部件研究高超声速飞行器的核心关键技术包括超燃冲压发动机技术、高超声速飞行器组合推进系统技术、高超声速飞行器机身推进一体化设计技术、高超声速飞行器热防护技术、高超声速飞行器导航制导与控制技术、高超声速飞行器风洞实验技术。
下面的篇幅分别对超燃冲压发动机和组合推进系统技术做简要介绍：(1)超然冲压发动机概念介绍超燃冲压发动机是高超声速飞行器推进技术的核心技术，超然冲压发动机与亚燃冲压发动机同属于吸气式喷气发动机，由进气道、燃烧室和尾喷管构成，没有压气机和涡轮等旋转部件，高速迎面气流经进气道减速增压，直接进入燃烧室和燃料混合燃烧，产生高温燃气经尾喷管加速后排出，从而产生推力。
超燃冲压发动机通常可以分为双模态冲压发动机和双燃烧室冲压发动机。
X-51及高超声速飞行器简介
美国X-51A飞行器及总体设计及其关键技术简介Xxx摘要：从计划的背景、飞行器的构造、热防护材料研发测试以及实际飞行试验等方面对X-51A 的发展计划作了较为详细的介绍,并据此对美国发展高超声速飞行技术的研究流程和理念有个一定的了解与认识。
关键词：X-51A 高超声速导弹热防护系统结构材料飞行器引言：美国自二十世纪九十年代启动“全球敏捷打击”计划以来，一直处于低速发展过程中，该计划近期开始迅速升级，从改造“三叉戟”导弹开始，美国正推出一系列先进攻击武器概念，包括飞机、无人机和导弹。
其中，X-51高超声速巡航导弹是美国武器库目前速度最快的全球打击武器，可以在一小时内攻击地球上任一目标。
1项目概况巡航导弹在美国武器系统中具有特殊的地位，在未来信息化战争中，巡航导弹不要要成为首选的打击武器，也是美军实行远程军事打击的必备武器。
美国于20世纪90年代启动的“全球敏捷打击”计划自推出以来一直处于低速发展过程中,直至近年该计划开始迅速发展。
美国从改造三叉戟导弹开始,陆续推出一系列的先进攻击武器概念,包括新一代的飞机、无人机和导弹。
X-51A计划是由美国空军研究试验室(AFRL)、国防高级研究计划局(DARPA)、NASA、波音公司和普惠公司联合实施的旨在验证高超声速飞行能力的计划。
终极目标是发展一种马赫数达到5~7的可以在1 h内进行全球打击的武器,包括快速响应的空间飞行器和高超声速巡航导弹。
X-51A于2010年2月中旬进行了首次高超声速飞行试验。
X-51A的首飞创造了又一个人类历史记录———超燃冲压发动机推进的历时最长的高超声速飞行,刷新了X2 43创造的12 s的记录。
X2 51A首飞的成功意味着, 超燃冲压发动机将提供一种全新的快速全球打击能力。
据称,该高超声速导弹将能够在60 min内实施全球打击。
美国国防部/NASA的X2 51A项目则是这一新型武器系统方案的关键部分。
X2 51A 的飞行试验对于空间进入、侦察、打击、全球到达以及商业运输等都有重要意义。
高超声速飞行器讲解学习
About Conclusion
About Conclusion
高超音速飞行器的一些特性类似于超音速飞机，但是它仍有许多独特的 特点，使高超音速飞行器的设计特别具有挑战性。高超声速飞机通常具有更 流畅，楔形的几何外形。因为它们在大气中维持高速，因此最小化阻力是重 要的。许多设计也参考了乘波者外形，这样冲击波可以产生额外的升力。而 航天器倾向于更钝，依靠分离的弓形冲击波以尽可能快地减速。
About Aerodynamic Issues
About Hypersonic
我们对两种不同类型的飞行器进行评估：高超 声速运载器和航天器，他们的共有特点和不同之 处将被对比。
高超声速飞行器设计最大的问题之一就是空气 动力学问题。由于飞行器的速度范围非常广，设 计必须满足几个经常会互相矛盾的要求。
About Hypersonic Lift
近年来，有很多解决不同几何形状绕流问 题的方法被发明。例如激波膨胀法。
但是没有任何一种方法普遍适用于任何飞 行器外形，设计师需要对各种方法的基本原 理和基本假设有良好的理解。
左表展示了用于估算高超音速空气动力学 性能的各种压缩和膨胀方法的列表。这些方 法构成SHABP软件的一部分。
然而，我们重点关注的是减少飞行器上升段的 空气阻力（以及高超声速飞机的巡航段）。左图 是多种不同航天器的最大飞行速度。
About Hypersonic
只要发动机动力足够强大，飞行器可以只依靠推 力。无升力（弹道式）飞行器不依赖气动升力，因 此造成了流线型、低阻力外形，但是它们的横向稳 定性和操纵性很差。
----P. L. Roe
About Hypersonic
X-51
Space Ship
Aircraft
高超声速飞行器设计与研发的关键问题
高超声速飞行器设计与研发的关键问题高超声速飞行器（Hypersonic Aircraft）是指在大气层中飞行时速度超过5马赫（即每小时约6100公里）的飞行器。
随着科技的不断发展，高超声速飞行器的研发成为当前领域的热点之一。
本文将围绕高超声速飞行器的设计与研发，探讨其关键问题和挑战，并分析可能的解决方案。
一、材料选择与热防护高超声速飞行器面临的第一个关键问题是材料的选择和热防护。
由于飞行速度非常快，飞行器会受到极高温度的影响，这对材料的性能提出了极高的要求。
传统的金属材料往往难以承受高超声速飞行时产生的巨大热量，因此需要开发新的热防护材料。
炭化硅陶瓷材料等新型复合材料被认为是理想的选择，具有良好的抗高温性能。
二、空气动力学特性高超声速飞行器的空气动力学特性是其设计与研发过程中的另一个关键问题。
高超声速飞行时，飞行器将遭遇极大的空气阻力和压力，必须具备良好的空气动力学性能才能保持稳定和安全的飞行。
优化飞行器的外形、减少阻力、提高升力，采用气动热管理技术等方法可以改善其空气动力学性能。
三、推进系统推进系统是高超声速飞行器设计与研发的另一个关键问题。
由于高超声速飞行速度非常快，要求推进系统能够提供足够的推力。
目前常用的推进系统包括火箭发动机和超燃冲压发动机。
火箭发动机提供了巨大的推力，适合于高超声速飞行器的起飞和初段加速。
而超燃冲压发动机则具有较高的燃烧效率和较长的续航能力，适合高超声速飞行器的巡航和长程飞行。
四、飞行控制与导航飞行控制与导航是高超声速飞行器设计与研发的重要问题。
由于高超声速飞行器的速度极快，对飞行控制和导航系统的要求也很高。
需要采用先进的飞行控制算法、高精度的导航设备以及实时的飞行状态监测系统，确保高超声速飞行器能够精确控制航向、高度和速度。
五、飞行安全高超声速飞行器的飞行安全是设计与研发过程中的最终关键问题。
高超声速飞行器面临着由于飞行速度快、温度高、气动力复杂等因素带来的各种飞行安全挑战。
高超声速飞行器发展综述及飞行试验测控需求
体化的轴对称高超声速导弹气动布局。
图1X-43A高超声速飞行器X-43A(如图1)计划是由DRAPA主导的以氢燃料为。
Science&Technology Vision科技视界9将提供一种全新的快速全球打击能力。
图2X-51A高超声速飞行器1.2无动力高超声速计划无动力高超声速计划通常采用助推器将高超声速无动力滑翔飞行器助推到预定的分离点,无动力滑翔飞行器通过长时间的高超声速滑翔飞行实现快速的投送和打击。
. All Rights Reserved.HTV-2(Falcon)计划是由DRAPA主导用来验证全球快速打击武器的关键技术,驻澳包括远程高超声速助推滑翔飞行器气动布局技术、热防护技术、先进GPS制导技术和碳/碳减速伞技术等。
HTV-2计划的目标是通然要求;图3高超音速飞行器典型弹道(3)精确打击能力,对点目标、机动目标的直接命中打击能力,对目标"点穴式"小附带损伤打击能力,是现代战争和未来信息化战争的基本要求,是精确打击和常规威慑的技术保证;(4)有效突防能力:导弹速度越高,其突防能力越强;关于飞行高度,其突防能力与拦截武器类型有关,对于靠气动力控制的拦截弹而言,其拦截能力随导弹飞行高度增高而下降,对于靠直接力控制的拦截弹而言,其拦截能力随导弹飞行高度增高而增强(5)高作战效能,具备包括高射前生存能力、有效Science &Technology Vision科技视界(上接第11页)基、海基或空基)需根据航区特点合理布置。
弹上测量参数种类、数量非常多,主要包括热流参数、压力参数、温度参数、过载参数、缓变电压模拟量、开关量等,数据的数据量非常大,因此遥测需满足大容量数据传输要求。
靶场地面站应能满足相关的保密保密要求。
(2)外测需求对导弹飞行试验全程进行外弹道测量,测量导弹位置参数及运动参数,如高度、距离、侧偏、速度、加速度等。
并能够按要求实时传送到指挥控制中心,用于监测和安控判决。
吸气式高超声速飞行器控制
经验教训与启示
总结实际案例中的经验教训与启示，为后 续吸气式高超声速飞行器控制系统的设计 与实践提供借鉴与参考。
06
未来展望与挑战
吸气式高超声速飞行器控制技术的发展趋势
智能化控制
随着人工智能技术的进步，吸气式高超声速飞行器的控制技术将越来越智能化。先进的算 法和机器学习技术可用于实时决策和优化控制策略，提高飞行器的自主性和适应性。
导航与制导协同优化
综合考虑飞行器性能、任务需求和约束条件，对导航与制 导策略进行协同优化，实现任务成功率和效费比的最大化 。
智能导航与制导
引入人工智能、深度学习等技术，实现导航与制导系统的 自主学习、自适应和自主决策能力，提高复杂环境下的任 务执行能力。
05
吸气式高超声速飞行器的 控制系统设计与实践
终端制导
在接近目标时，通过高精度传感器对目标进行捕获和跟踪，实现精 确打击。要求传感器具有高分辨率、快速捕获和抗干扰能力。
复合制导
综合运用多种制导方式，根据不同飞行阶段和任务需求，实现优势互 补，提高制导精度和抗干扰能力。
导航与制导的集成技术
导航与制导信息融合
将不同导航系统和制导方式提供的信息进行有效融合，提 高导航与制导的整体性能。采用卡尔曼滤波、联邦滤波等 信息融合算法进行处理。
控制系统的鲁棒性问题
吸气式高超声速飞行器的控制系统需要具有很高的鲁棒性，以应对各种不确定性因素（如模型误差、外 部干扰等）。提高控制系统的鲁棒性将有助于保证飞行器的安全性和稳定性。
提高吸气式高超声速飞行器控制性能的建议和前景
加强跨学科合作
加大研发投入
建立开放合作机制
吸气式高超声速飞行器控制技术涉及 多个学科领域，包括航空航天、控制 理论、人工智能等。加强跨学科合作 ，促进不同领域专家的交流与合作， 有助于推动控制技术的创新与突破。
超高声速飞行器
超高声速飞行器摘要：高超声速飞行器一般是指飞行速度超过5倍音速的飞机、导弹、炮弹之类的有翼或无翼飞行器,具有较高的突防成功率和侦查效能,能大大扩展战场空间。
高超声速飞行器潜在的巨大军事和经济价值使得当前世界各军事大国纷纷投巨资到该领域,成为21世纪世界航空航天事业发展的一个主要方向。
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,对高超声速飞行器未来的发展奠定了基础。
关键字：超高声速、飞行器、推进技术。
一、飞行器的发展历程人类向往飞行的理想几乎伴随这整个人类的历史。
最初，人们受到鸟类的启发而使用人造翅膀，但是发现这并不现实。
人类的身体对于人造翅膀而言过于的沉重。
并且在探索的早期人类并不了解鸟类飞行的空气动力学原理。
经过一系列的探索，到了18世纪后期，人类发明了热气球。
1783年热气球首次载人升空。
随后出现了飞艇。
相比于热气球，带有推进装置、载重更大的飞艇更具实用性。
飞艇的出现并未宣告飞行器的发展并未就此停歇。
人类还是研制机动性更好的飞行器。
1903年，由莱特兄弟制造的人类第一架飞机——飞行者1号，并成功升空。
莱特兄弟总共制造了三架“飞行者”号飞机。
“飞行者”三号是其中最成功的一架，其飞行成绩为38分钟飞行38.6km。
“飞行者”三号飞机的成功宣布飞机终于具有了实用性。
至此人类迎来的飞机时代。
自飞行者之后活塞式螺旋桨飞机得到了极大的发展，飞行时速不断地提高。
但是螺旋桨式飞机存在着速度上限。
当螺旋桨尖端线速度接近声速时，空气会被极具压缩，而这部分压缩空气来不及散开，在桨端形成一个巨大的阻力，称为激波阻力。
此时桨端的空气将粘滞在桨叶表面，使螺旋桨的效率降低。
这便是螺旋桨飞机不能飞得更快的原因。
为了克服螺旋桨飞机的这一速度上限，人们研制了喷气发动机。
喷气发动机构造不同于活塞式螺旋桨，因此飞机可以飞得更快。
随着发动机性能的提升以及飞行器气动外形的升级，飞机的速度已经能达到2马赫。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
高超声速飞机
(1)高超声速侦察机
这种侦察机速度可达马赫数5～9，航程超过1 800km，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空防御系统阵地情况，还能执行电子情报搜集等多种任务。
据悉，法国正在研制HAHV 高超声速无人侦察机，其速度将达6～8马赫，航程超过2000 km，飞行高度为30 km，隐身能力很强。
美国的“曙光女神”高超声速侦察机(Aurora)，又名“极光”，是SR一71“黑鸟”战略侦察机之后新一代战略侦察机(图3)。
据推测，“曙光女神”侦察机全机长为32 m，高为7 In，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40 km以上，飞行速度马赫数6，甚至更快。
美国的高超声速侦察机“黑燕”如战斗机般大小，动力系统由使用氢燃料的一台涡轮喷气发动机和一台冲压式喷气发动机组合而成。
首先涡轮喷气发动机把飞机的速度提升到3倍音速，冲压式喷气发动机开始工作，并将巡航速度提升到6倍音速。
组合循环发动机取代火箭助推器提供动力，因此它可以像飞机一样起降。
“黑燕”将是一种集很强的隐形、速度和高度于一身的无人侦察机。
(2)高超声速轰炸机
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一3”是美国第一种高超声速“B”式隐形战略轰炸机(图4)，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30 km，速度达到马赫数5～6，航程大于11 100 km，载弹量要达到或超过B一52的水平。
B一3采用了一系列新技术和新设备，具有跟踪地形及抗核能力的机载雷达，并可在高超声速情况下使用远程导弹或激光波束武器。
(3)高超声速验证机
从1997年3月起，美国波音公司开始研制x一43验证机。
X一43验证机有A、B、C、D系列型号。
X一43A高超声速验证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3．6 In，翼展1．5 In，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一43A进行试飞并取得成功，飞行马赫数为1O，加速时间10 S，是目前最快飞机速度的3倍j。
x一51A超燃冲压发动机验证器(SED)计划也是高速打击要求的产物。
x一51A验证机采用了SJX61—2(简称X一2)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4．26 In，空重约635 kg，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1O月27日，X一51A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 5 min，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)高超声速无人机
无人机已经广泛应用于战场，执行侦察、监视与搜索的任务。
未来战场上，高超声速无人机飞行马赫数将达到12～15，飞行高度26～38 km，可以快速到达出事地点，向后方传出最新的战场态势，从而取代远程高速侦察机。
另一方面，还可以在高超声速无人机上装载侦察设备和精确制导武器，用于侦察和攻击世界各地的重要目标，或伴随高超声速巡航导弹执行战场毁伤评估与侦察任务。