空天飞机设计
极速狂飙──美国空军全球一小时打击计划 (图)
极速狂飙──美国空军全球一小时打击计划5月26日上午,美国空军第419飞行中队的一架B-52H轰炸机从爱德华空军基地起飞,携带着X-51A验证机,执行首次飞行试验任务。
大约10时10分,X-51A验证机从载机的左侧机翼下脱离,经过助推和分离阶段后,顺利实现了超燃冲压发动机的点火和加速,总共持续飞行了200秒,使飞行速度达到了马赫数5。
此次试飞实现了以超燃冲压发动机为动力的飞行器迄今为止最长的飞行时间,成为超燃冲压发动机研制与发展历程中的一个重要里程碑。
作为美国空军研究实验室(AFRL)、航空航天局(NASA)和国防部预研局(DARPA)联合提出的一项计划,X-51A验证机由波音公司研制,采用了普惠·罗克达因公司(PWR)的一台SJY61超燃冲压发动机,旨在验证吸气式高超音速推进技术的可行性,将为全球侦察/攻击、进入空间和商业运输等高超音速领域的应用奠定了基础。
引人注目的是,奥巴马政府借助于本国在高超音速领域所取得的进展,正在酝酿发展一系列高超音速打击的武器,力图在军事领域建立起绝对优势,早日实现酝酿多年“全球敏捷打击”计划。
全球敏捷打击计划20世纪90年代末,美国国防部开始着手研究未来远程攻击武器平台的各种候选方案,旨在探索具有潜在能力的一些新技术,以便尽早地研制出可以在数十分钟内攻击全球任何一个目标的高速打击武器。
随着各项作战需求的不断明确和关键技术的日益成熟,五角大楼已经出台了一项“全球敏捷打击”(Prompt Global Strike)计划,陆续提出了一些设计方案,逐渐引起了世界各国的极大关注。
“全球敏捷打击”计划的目标是具备在1小时内实现打击全球目标的能力。
美国国防部认为,现有武器已经可以实施精确的远距离打击,但目前任务对于“时间敏感性”提出了更高的要求。
美国军方确信,在未来的数年内必须具备超高速度攻击能力,特别是针对一些稍纵即逝的目标采取行动时,必须在一个小时、甚至几分钟内做出反应。
超强科普：漫谈高超音速武器及其防御
超强科普：漫谈高超音速武器及其防御高超音速飞行器是近一段时间军坛上的热点话题。
8月7日网传我国“Wu-14高超音速滑翔式导弹"(网传不做证实)试验失败;8月25日美国陆军高超音速武器(AHW)进行试射，导弹升空后4秒因故障被迫引爆。
至此中美成为了这领域全球的焦点，高超音速武器的研发拉开了21世纪空天进攻和防御对抗的大幕，势必成为未来几十年最耀眼的军事科技项目之一。
一、什么是高超音速?我们知道几十年来传统的飞机和导弹发动机在3至4倍音速时就会遇到速度瓶颈。
为了打破速度极限，人类开始研发高超音速的飞行器。
那么高超音速飞行器要有多快呢?我们说要起码达到每小时6 000千米的飞行速度，也就是5倍音速以上才算是高超音速，因为以5马赫为界的飞行气流性质不同，飞行器的设计也势必不同。
高超音速飞行器要达到5倍以上的因素，就必须使用重新设计的专用发动机，在3-4倍音速上的超音速导弹系统使用的冲压发动机，是不能直接用于高超音速飞行器的，所以研发所谓的超燃冲压发动机就是整个高超音速飞行器设计的重中之重，这类发动机如果能成熟应用到未来的高超音速飞行器中将是一场新的动力革命。
另外高超音速飞行器在跨越超音速和高超音速的时候，飞行器的控制能力要求是不同的，对飞行器的外形要求非常苛刻，因此如何设计兼容不同速度的飞行器外形和控制操作系统，让飞行器稳定的进行飞行是另一个巨大的设计难点。
二、什么是高超音速武器?最有威胁的高超音速武器一般在临近空间高度飞行。
所以我们先讲一下临近空间，临近空间是指高于一般航空器飞行高度，而又低于航天器轨道高度的空间区域。
目前，国际上对临近空间区域具体高度范围尚无统一的定义，大多数观点认为其高度下限为20 km——30 km，上限为100 km ——150 km。
这个高度区间大气层大致包括: 大部分大气平流层、全部中间层和部分热层区域。
飞行在该空间区域，既可以避免绝大多数的地面防空武器和大部分战斗机防御攻击，又可以提高军事侦察和对地攻击的精度。
美国X-43高超声速飞行器调研
美国X-43高超声速飞行器调研一、高超声速飞行器背景 (1)1.1美国在高超声速技术领域独占鳌头 (1)1.2 欧洲国家积极推进高超声速技术开发 (3)1.3 日本实施高超声速飞行器发展计划 (4)二、高超声速飞行器特点 (4)2. 1 推进技术 (4)2. 2 材料技术 (5)2. 3 空气动力学技术 (5)2. 4 飞行控制技术 (6)2.5 X-43在技术方面有如下特显 (7)三、气动外形设计方法 (8)四、高超声速飞行器制导原理 (9)五、执行机构的选择及配置 (12)5.1 推进系统 (12)5.2 控制系统的执行机构 (14)六、X—43控制原理 (16)6.1 高超声速控制技术发展 (16)6.2 高超声速控制分析 (16)6.3 X-43A控制方法及分析 (17)6.4 高超声速控制技术新技术 (18)（1）非线性控制方法 (18)（2）鲁棒自适应控制方法 (19)七、总结 (19)一、高超声速飞行器背景高超声速飞行器是指在大气层内飞行速度达到M a = 5以上的飞行器。
自20世纪60年代以来, 以火箭为动力的高超声速技术已广泛应用于各类导弹和空间飞行器, 而目前世界各国正在积极发展另一类以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器技术, 它的航程更远、结构质量轻、性能更优越。
实际上, 吸气式高超声速技术的发展始于20世纪50 年代,通过几十年的发展, 美国、俄罗斯、法国、德国、日本、印度、澳大利亚等国自20世纪90年代以来已在高超声速技术方面陆续取得了重大进展, 并相继进行了地面试验和飞行试验。
高超声速技术实际上已经从概念和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。
1.1美国在高超声速技术领域独占鳌头从1985 年至1994 年的10年间, 美国国家空天飞机计划(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NASA 兰利研究中心就进行了包括乘波体和超燃发动机试验在内的近3 200次试验。
超燃冲压发动机
第四部分 各国进展---中国
《2012-2013航空科学技术学科发展报告》
第四部分 各国进展---中国
根据刘兴洲院士提出的设想，我国的高超声速技术的发展将分三 步走： 1.2020年前，研制出高超声速巡航导弹，最大速度6马赫，射程 1000~2000 km，可多平台装载； 2.2020~2030年，研制出高超声速飞机，巡航速度超过5马赫， 航程上万公里，实现1~2小时全球到达； 3.到本世纪中叶，在前两步的技术基础上研制出空天飞机，可重 复使用，跨大气层飞行，高空速度可达12~25马赫；能直接进入 地球轨道，完成任务后再入大气层滑翔、水平降落。
燃烧室的设计
燃烧室主要是燃料和气流混合的场所 要解决的关键问题是 在有限的空间 (米级) 、时间 (毫秒级 )内和在高速气流 (通常是超声速气流)中,实现燃料的喷射、雾化、蒸发、掺混、点火、稳定 燃烧,将化学能最大限度地转化为热能,有高的热效率和较小的压力损失，但 因为发动机总要逐渐增速。而在不同的速度下，气流在燃烧室内的速度不 同，对于点火等技术的要求也不同，而简单的串联不同的发动机不但增大
第二部分 主要类型—组合超燃
这种方案的M数范围是0~15甚至25,用于可在地面起降的有人驾驶 空天飞机。 已经研究过的组合式超燃冲压发动机类型:涡轮/亚燃/超燃冲压、 火箭/超燃冲压等。这种发动机将成为21世纪从地面起降的空天飞 机的动力。
第二部分 主要类型—组合超燃
第三部分
关键技术
第三部分 关键技术
涡轮风扇发动机
第一部分 技术概况
当空气速度达到 2马赫以上时，如果取消发动力内部的风扇涡 然而人类对速度的追求是疯狂的。对更快的发动机需 轮等设备，让气流直接进入发动机。然后通过调整发动机的 求之后，科学家们很快发现，当速度超越4马赫后， 构造（一般是缩小发动机的直径），发动机内部气流的压强 燃烧室内进入的气流速度迅速升高，变为超音速，此 就会自动上升，节省了压气机压气环节。一般只要空气降到 时发动机便会出现很多问题导致速度无法继续提升甚 音速之下就可以进入燃烧室和燃料混合点燃使用了，点燃后 至熄火，让气流在超音速下点燃产生稳定的推力，这 的空气压力由喷口喷出，产生强大的反推力，推动飞机或者 就是超燃冲压发动机技术。其中4-6马赫叫做亚燃冲 导弹向前飞机，这就是所谓的冲压发动机原理。
飞行器结构热防护模拟计算
科技资讯 ２００９ ＮＯ．１９
ＳＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ
飞行器结构热防护模拟计算
张庆峰 （ 中国民航飞行学院 四川德阳 ６ １ ８ ３ ０ ７ ）
摘 要：根据空天飞机的头锥部驻点的热流密度 Ｑｗｓ 以及飞机头部热流密度的分布和飞机头部热流密度的分布确定防热层结构和厚度、 冷却层结构和冷却气体的压力、流速等具体参数， 并计算出飞机头锥部蒙皮内部各点温度分布。 关键词： 空天飞机 金属热防护 高超声速 气动加热 中图分类号：Ｖ２２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－３７９１（２００９）０７（ａ）－０００３－０２
参考文献 ［１］ 熊鳌魁． 湍流模式理论综述［ Ｊ ］ ． 武汉理
工大学学报，２００１，２（４）：４５１～４５５． ［２］ 蔡兆麟， 罗晟． 用有限体积法计算叶轮
机械内三维粘性流动［ Ｊ ］ ．华中理工大学 学报，２０００，９（９）：７２～７５． ［３］ 范绪箕． 气动加热与热防护系统［ Ｍ ］ ． 北 京： 科学出版社， ２ ０ ０ ４ ， １ ２ ： １ ４ １ ～１ ４ ６ ． ［４］ 马庆芳， 方容生， 项立成， 等． 实用热物 理性质手册［ Ｍ ］ ． 北京： 中国农业机械出 版社， １ ９ ８ ６ ， １ ： ６ ６ ９ ～６ ７ １ ． ［５］ 张庆峰． 嵌入式大气数据系统与飞行器 结构热防护模拟计算［ Ｄ ］ ．南京航空航天 大学硕士论文， ２ ０ ０ ７ ， ３ ： ２ ６ ～４ ２ ．
口速度越慢， 温度上升的越快。当 ｘ ′＝ ９ ０
时， 在冷却流体入口速度为 ２ ０ ｍ ／ ｓ 、３ ０ ｍ ／ ｓ
的条件下， 表面温度分别为 １ ． ３ １ × １ ０ ３Ｋ 、
１．２９ × １０３Ｋ。和 ｘ′＝１５ 时的表面温度相比，
高超声速
外高超声速飞行器的发展及关键技术高超声速一般是指流动或飞行的速度超过5倍声速，即马赫数（Ma）大于或等于5。
自20世纪60年代以来，以火箭为动力的高超声速技术已广泛应用于各类导弹和空间飞行器，而目前世界各国正在积极发展另一类以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器技术。
吸气式高超声速飞行器飞行时不需要像火箭那样自身携带氧化剂，可以直接从大气中吸取氧气，因而它的航程更远、结构重量更轻、性能更优越。
实际上，吸气式高超声速技术的发展始于20世纪50年代，通过几十年的发展，美国、俄罗斯、法国、德国、日本、印度、澳大利亚等国自20世纪90年代以来已在高超声速技术方面陆续取得了重大进展，并相续进行了地面试验和飞行试验。
高超声速技术已经从概念和原理探索阶段进入了以高超声速巡航导弹、高超声速飞机、跨大气层飞行器和空天飞机为应用背景的先期技术开发阶段。
一、国外高超声速飞行器的发展1.美国美国自20世纪50年代开始研究吸气式高超声速技术。
20世纪80年代中期，美国实施了采用吸气式推进、单级入轨（马赫数25）的国家空天飞机计划（NASP），由于在技术、经费和管理方面遇到了一系列的困难，NASP计划于1995年停止。
尽管如此，NASP计划仍然大大推动了美国高超声速技术的发展，仅美国航空航天局（NASA）兰利研究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3200次试验。
通过这些试验，美国已经基本上掌握了马赫数小于8的超燃冲压发动机设计技术，并建立了大规模的数据库，从而为实际飞行器的工程设计打下了牢固的技术基础。
从1996年开始，美国对高超声速飞行器技术的发展进行了调整，确立了分阶段逐步发展的思路，降低了近期的发展目标。
目前，美国正在全方位发展高超声速飞行器技术，主要目标是研制马赫数小于8的高超声速巡航导弹（包括海军的高速打击导弹、空军的高超声速巡航导弹和国防高级研究计划局的“可负担得起的快速反应导弹”），同时实施以高超声速飞机为应用背景的高超声速飞行试验计划（Hyper一X）。
浅谈航空飞行器中的热环境和热结构问题 1100200330 陈鸿威
Harbin Institute of Technology热环境控制大作业题目：浅谈航空飞行器中的热环境和热结构问题院系：能源学院班级： 1002104 姓名：陈鸿威学号： 1100200330哈尔滨工业大学浅谈航空飞行器中的热环境和热结构问题1100200330 陈鸿威摘要：为了对超高空低速飞行器的热环境特性进行分析，建立了超高空低速飞行器的热环境分析模型。
通过数值模拟研究了热辐射和对流对超高空低速飞行器热环境特性的影响。
研究结果表明,飞行器表面吸收辐射比越大,气流速度对超高空低速飞行器热效应的影响越大；飞行器表面辐射物性的变化可使飞行器蒙皮温度改变70 K。
热辐射和对流换热均对飞行器的热特性有重要影响，飞行器蒙皮温度存在非均匀性并随时间变化。
高超声速飞行器热结构设计分析的关键技术及其发展趋势：（1）高超声速飞行器瞬态表面温度和气动加热率计算技术；（2）流-热-固多物理场耦合机理模型技术；（3）流-热-固多场耦合计算分析技术；（4）高超声速飞行器热防护结构设计技术。
关键词：航空飞行器，热结构，热环境控制，热辐射，超音速飞行等。
超高空低速飞行器主要靠浮力提供升力, 可长期驻留高空或低速飞行, 在情报侦察、预警、导航、通信中继及大气环境监测等领域有广泛的应用前景。
高速航空器(如飞机)飞行速度很大, 高速对流换热是影响其热特性的主要因素,而外部热辐射的作用很小。
近地轨道航天器的主要热环境因素是太阳辐射、地球对太阳的反射和地球红外辐射, 几乎没有外部对流换热。
超高空低速飞行器主要有飞艇和高空气球两大类。
其环境热效应是对流和热辐射综合作用的结果。
大气物性和温度等参数随高度大幅度变化。
太阳热辐射昼夜变化。
从而影响超高空低速飞行器蒙皮和气囊中气体的温度。
超高空低速飞行器蒙皮的辐射物性影响其吸收的外部辐射和本身辐射。
超高空气流速度变化影响飞行器外部的对流换热。
研究超高空低速飞行器的热环境特性对超高空低速飞行器的研制有重要意义。
军事强国加紧研制高超音速武器_四大技术待突破
军事强国加紧研制高超音速武器四大技术待突破高超音速武器备受青睐高超音速武器是指以超高音速飞行技术为基础、飞行速度超过5倍音速的武器。
自20世纪50年代末开始探索超音速燃烧冲压发动机技术以来，美国、俄罗斯、德国和澳大利亚等国在20世纪90年代初陆续取得了技术上的重大突破，并相继进行了地面试验和飞行试验。
试验表明高超音速技术已经从概念和原理探索和基础研究阶段，进入以某种高超音速飞行器为应用背景的先期技术开发阶段。
冷战期间，美国曾提出多个高超音速飞行器的发展计划，如超燃冲压发动机导弹和国家“空天飞机”计划等，都中途夭折，但在关键技术方面还是取得一系列重大突破，从而为实际飞行器的工程设计奠定了坚实的技术基础。
1996年，美国对高超音速飞行器的发展进行调整，降低近期的发展目标，确立分阶段逐步发展的思路，选择以巡航导弹为突破口，而后转入其他飞行器与天地往返运输系统。
目前，高超音速巡航导弹已进入工程研制阶段，美国正在实施多项研究计划，目标是研制速度6—8马赫、射程1200千米左右的高超音速巡航导弹。
同时，以高超音速飞机等为应用背景的高超音速系列飞行试验研究也在进行中，如X-51A“驭波者”高超声速无人机。
俄罗斯在高超音速技术领域也处于世界领先地位。
俄早已拥有“白蛉”“宝石”等多种冲压发动机推进的导弹，它们为高超音速研究奠定了坚实的基础。
目前，俄罗斯高超音速技术已进入飞行验证阶段，正在研究更接近于实际的飞行器布局。
此外，俄罗斯还正在研制“下一代发射技术”高超音速试验飞行器，该飞行器采用氢燃料超燃冲压发动机，飞行马赫数达6—14马赫，已进行了大量的地面试验和风洞试验。
四大关键技术亟待突破高超音速飞行的飞行马赫数范围很宽，要跨越亚音速、跨音速、超音速3个阶段，才能进入高超音速阶段。
当飞行器从稠密大气层冲向稀薄大气层时，空气密度的巨大变化给飞行器的设计带来很大困难。
因此，超音速技术必须突破四大关键技术问题。
高超音速推进技术。
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一个空天飞机的自主设计
1简介：
空天飞机包括空天无人机、空天在轨飞行器，它像普通飞机一样水平起飞或是由其他飞
机携带空中起飞，以每小时1.6万——3万公里的高超音速在大气层内飞行，在30～100公
里高空的飞行速度为12～25倍音速，而且可以直接加速进入地球轨道，成为航天飞行器，
返回大气层后，像飞机一样在机场着陆，其处于传统天空与空间作战的战略地位,上可威胁
空间的武器平台,下可探测、攻击空中和地面目标。其主要价值体现在快速信息对抗(侦察、
监视和电子战)和空间对抗(快速对地精确打击、空间战、空间指挥)。
2、任务目标：
研究设计一个可在轨飞行的空天飞机，其搭载的机械臂可对敌方卫星进行物理破坏，瘫
痪敌方卫星通信。
3、任务背景：
美国空军X-37B迷你航天飞机的下一次飞行初步确定在2015年5月 20日，这是X-37B执
行的第四次飞行任务。根据美国空军快速能力办公室飞行任务部主任对外公开的消息，X-37B
的本次升空将对多项空间技术进行测试，其中之一为测试新型推进系统，能够提升X-37B的
在轨机动能力。隶属于空军的X-37B空天飞机的出现使得未来战场向太空扩展：现代文明的
诸多技术依靠卫星的支持，气象卫星、地球资源卫星、太空探测卫星、导航卫星等等给了我
们生活诸多便利，但同时因为要看到在轨运行中的近70%被用于军事，卫星对于军事行动有
这十分重大的影响。美军这次空天飞机的试飞展示了其潜在的太空战能力，未来战争必将从
争夺太空开始，所以我国发展空天飞机势在必行。
4、具体设计
Ⅰ、结构分系统：
空天飞机与航天飞机外形类似，可视为其的缩小版。其结构由其所担负的任务决定，一
般由有效载荷舱、动力舱、太阳能帆板舱等构成。
Ⅱ、电源分系统：
空天飞机在大气层内飞行依靠推进系统，当其进入在轨飞行阶段时，空天飞机的各部分
由其太阳能电池阵进行供电。
太阳能电池阵采用展开式太阳电池阵，使用卷式不定向式的方式:卷式太阳能阵能减少
所占飞机内部空间；由于飞机任务要求不固定于一条轨道，会经常实现变轨机动，故采用不
定向式太阳能阵以获得最大输出功率保证其实现任务所需的能量供应。
Ⅲ、热控分系统：
航天器的热控系统应该采用主动、被动结合的方式对航天器进行温度的控制。
①、热控涂层：研发新一代涂料，根据飞机的内部各仪器和设备对温度的要求采用不同的吸
收率与发射率的热控涂层。
②、隔热材料:在飞机内部使用隔热材料，如：揉皱单面镀铝聚酯薄膜，玻璃纤维、石英纤
维、合成纤维制成的纤维纸、泡沫隔热材料等。
③、电热调温装置：包括电加，热器、控制器和温度传感器构成闭环控制回路，达到稳定温
度的目的。
Ⅵ、姿态控制分系统：
有一套陀螺组件（惯性基准原件）、磁强计、星敏感器、太阳敏感器等共同构成。航天
器姿态的确定通常采取三自由度陀螺为基准，几种姿态控制装置相辅的进行矫正的方式。
Ⅴ、推进系统：
采用激光推进技术，利用高能激光加热物质产生气体，气体膨胀产生推力再推动飞行器
前进。该技术具有推力大、成本低的特点。采用火箭烧蚀模式是利用激光加热飞机携带的工
质（气体、液体和固体）产生高温高压等离子体，经喷管推动飞机前几的推动模式。
Ⅵ、通信测控分系统：
当空天飞机满足通视条件时,测控通信系统可以采用天-地测控通信工作方式。当空天飞
机不满足通视条件时,测控通信系统应当采用天-空-地中继工作方式,即采用高空气球(艇)
跟踪与数据中继系统组成的天-空-地测控方式,或采用TDRSS(跟综与数据中继卫星系统)组
成的天-天-地中继方式。采用TDRSS系统,能保证远程或超远程空天飞机的测控通信系统的
通视条件,使用Ka频段又有利于克服“黑障”的影响。采用高空气球(艇)跟踪 与数据中继
系统,需保证地面测控通信系统与气球 (艇)之间的通视条件,而且还要保证气球(艇)与空天
飞机之间的通视条件。
Ⅶ、有效载荷：
空天飞机由于其可重复使用的特点，可以根据任务的不同携带不同的有效载荷。我设计
的空天飞机以破坏敌方卫星为目的，有效载荷为：机械装置（用于破坏敌方卫星）、高分辨
率摄像机、磁强计、激光脉冲器等。
心得体会
这是第二门专业自修课，经过一个多月的自学，我对航天事业的认识进一步加深，对专
业的前景和未来有了较为清晰的认识和判断，收获颇丰。
中国的航天事业在近十年里厚积薄发，从神五到神十，从北斗卫星导航到嫦娥探月工程
计划，中国人在太空绽放出别样光彩，太空这一远离我们的空间越来越成为人们关注的焦点。
作为一名航天事业的接班人，我感到强烈的自豪感和使命担当，对未来自身的发展与定位有
了更清晰的认识。
虽然这是一门自学科，但是我们要像选修课一样对待。在学习中，我翻阅了诸多书籍，
虽然其中相当多的专业知识自己没有接触过，但是这激发了我求知的渴望。在自学过程中，
我认识到一个航天器的设计是一项宏大而复杂的项目，从任务要求，整体设计，各分系统的
设计，模拟等，一个航天器从想法到实现要经历“九九八十一难”的考验，它不是一个人的
成果，而是一个团队的杰作。
习题的最后一题是要求自主设计一个航天器，初次见到这个题目便觉得困难重重，但是
在自学过后，对于航天器的各个分系统：热控、姿态、推进、电源等知识有了一定的掌握，
便渐渐有了眉目。设计的空天飞机的想法来自美军试飞的X-37B，未来的战争一定是从争夺
制太空权开始的，空天飞机将成为各个大国争先研发的对象。自己设计的空天飞机只是一个
笼统的概念，很多实际的问题被忽略，这是知识储备不足的原因，所以未来要更加努力的学
习专业知识，争取早日将想法变为现实。
总的来讲，这么课为我打开了通往未来专业的大门，收获颇丰。另外谈几点建议：首先
是希望教员能每隔一段时期给个大的方向，这样学习起来不至于盲目无头绪；其二希望课程
能够提供更多的电子资料。
以上就是我对这门课的一点心得体会，感谢教员的辛勤付出，谢谢教员。