国外高超声速飞行器的发展及关键技术

国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）。此外，美国还正在开展高超声速轰炸机和单级入轨的吸气式航天运载器的研究。 2.俄罗斯 俄罗斯在高超声速技术领域仍处于世界领先地位。俄罗斯有多家机构长期致力于高超声速技术基础理论研究，在亚／超燃冲压发动机、C／H燃料、耐高温材料、CFD技术及一体化设计技术等方面取得了重大突破，并且已经进入了高超声速技术飞行验证阶段，1991~1998年，俄罗斯曾进行过5次轴对称超燃冲压发动机的验证性飞行试验，最大飞行速度达到6.5马赫，由于轴对称亚／超燃冲压发动机在工程应用上会带来较多问题，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（即D一2飞行器），其设计飞行速度为2.5～6马赫，飞行高度为15～30km。此 外，俄罗斯还正在研制IGLA高超声速试验飞行器，飞行速度为6～14马赫，全长7.9m，翼展3.6m。氢燃料超燃冲压发动机由3个模块组成，总长1.9m，质量为200kg。IGLA飞行器已做了大量的地面试验和风洞吹风试验，但尚未进行飞行试验。 3.法国 自20世纪60年代以来，法国从未间断过高超声速技术研究。1992年，在国防部等单位领导下，法国制定了国家高超声速研究与技术（PREPHA）计划。PREPHA计划历时6年，最后研制了Chamois超燃冲压发动机，并在6马赫的速度下进行了反复试验。此外，法国还研制了另一种超燃冲压发动机，并于1999年成功地进行速度为7.5马赫的地面试验。目前，法国正在实施的高超声速技术发展计划主要有两个，即高超声速技术综合演示与超燃冲压发动机计划和Promethee空射型高超声速巡航导弹计划。前者是法国宇航公司与俄 罗斯合作的研究计划，目的是研制一个高超声速技术综合演示器（Edith）和1台速度可达12马赫的煤油／液氢双燃料超燃冲压发动机。Promethee高超声速巡航导弹是法国国防采购局资助的计划，由法国航空航天研究院（ONERA）和法国字航一马特拉公司合作实施，目前已经对Promethee的3个基础推进装置方案进行了评估。 4.日本 日本的高超声速技术发展很快，1993年，日本航空宇宙研究所建成了一座超燃冲压发动机试验台，可进行马赫数4～8、流量40千克／秒的工程性试验，从1994年至1998年共进行了150次大型氢燃料的工程性试验，掌握了点火、推力测量、燃料调节、发动机冷却等关键技术。日本正在实施的高超声速飞行器技术项目是两级入轨的航天运载器，第一级为高超声速运输机（HST），其飞行速度为6马赫，目前，日本正在研制HST的吸气式动力装置，并已进行了高超声速空气动力学设计。 5.印度 1998年，印度国防部启动了命名为AVATAR的小型可重复使用空天飞机计划，AVATAR空天飞机采用涡轮冲压／超燃冲压／火箭组合循环发动机，当它不携带火箭发动机时，可作为一种高超声速飞机，用于对地攻击或侦察，然后返回基地。目前，印度有多个实验室正在发展超燃冲压发动机技术，目前已取得了很大进展，超声速燃烧效率已经达到了设计值的70％。印度国防研究和发展组织也已进行了液氧收集工艺的地面试验。 二、吸气式高超声速飞行器的关键技术 1.超燃冲压发动机技术 吸气式推进系统无疑是实现高超声速飞行的首要关键技术，不同种类的高超声速飞行器（包括巡航导弹、飞机、跨大气层飞机和空天飞机等）需要采用不同的推进系统，而目前各国发展高超声速技术主要选用的推进系统是超燃冲压发动机，超燃冲压发动机的主要特点是实现燃料在超声速内流中的稳定燃烧。由于高超声速空气流过飞行器体内的滞留时间很短，通常只有几毫秒，要想在这样短的时间内将其压缩、增压，并与燃料在超声速流动状态迅速、均匀稳定地完成低损失、高效率混合和燃烧是十分困难的。理论和试验研究结果表明，燃料在超声速燃烧室中的停留时间不足1.5毫秒。在这样短的时间内，碳氢燃料的释热效率只能达到85％，和普通冲压发动机或火箭冲压发动机相比，其燃烧效率是比较低的，有很大一部分燃料还没有来得及与空气混合和燃烧就流出燃烧室。因此要求对发动机尺寸、形状、燃料种类、喷注器设计、燃烧机理等多方面的因素进行综合性理论和试验研究。 超燃冲压发动机的另一个技术困难，是飞行器必须达到一定的速度才能启动（双模态超燃冲压发动机也是如此），因此需要固体火箭发动机来完成助推段的接力飞行。对于高超声速飞机、跨大气层飞机和空天飞机而言，如何实现固体火箭与超燃冲压发动机的一体化是一个很大的难题，对于高超声速巡航导弹而言，由于其尺寸和起飞质量受到限制，加装固体火箭发动机会给导弹的总体设计带来很大困难。 2.一体化设计技术 吸气式高超声速飞行器要跨越亚声速、声速、超声速3个阶段，才能进入高超声速，飞行速度的范围很宽，同时飞行器要从稠密大气层冲向稀薄大气层，其空气密度变化也很大，由此给飞行器的设计带来了很大困难，必须采取全面的一体化设计技术。其中飞行器机体和推进系统的一体化设计已成为最后确立整机性能的最关键的问题，高超声速飞行器的飞行速度越高、范围越宽，这个问题越是突出。对于高超声速巡航导弹，导弹弹体与超燃冲压发动机一体化设计的难点主要表现在两方面：一是导弹外形尺寸、发射质量的选择不仅与气动——结构——隐身设计一体化有关，而且将受到其发射平台的发射环境和运载能力的制约；二是超燃冲压发动机的推进性能必须与导弹其他分系统（如制导系统、战斗部等）在性能要求上兼容。 其他的一体化设计技术还包括：①气动设计一体化，不仅要考虑减小阻力、增加升力，还要考虑气动加热、热防护；②结构设计一体化，特别是热结构；③燃料供应与冷却系统设计一体化；④飞行器各子系统及各主要设计参数的动态与静态一体化设计；⑤发动机推力控制与飞行器飞行控制一体化设计等。对于高超声速巡航导弹，还应包括发动机、气动外形和结构的一体化隐身设计技术。 3.材料与结构技术 当飞行器以高超声速在大气中飞行时，气动加热非常严重。当飞行速度达到8马赫时，飞行器的头锥部位温度可达1800℃，其他部位的温度也将在600℃以上。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（尤其是重复使用的高超声速飞机和空天飞机）是非常关键的。如果在材料与结构技术方面不能取得突破，那么就连高超声速飞行器的飞行试验样机都无法制造出来。美国X一43高超声速验证飞行器的头部采用钨，机翼前缘和垂直安定面采用碳-碳复合材料，机翼采用哈氏钴铬钨镍合金，而且飞行器的外表面覆盖有耐热陶瓷瓦。 4.高超声速空气动力／热力学 确定飞行器上的气动力／热载荷对于高超声速飞行器的设计是非常重要的，因为高超声速飞行器通常要求尽可能地减轻结构重量（这一点对于空天飞机尤其重要），因此，高超声速空气动力／热力学对于发展高超声速飞行器技术是非常关键的。当飞行器以高超声速飞行时，会产生很强的激波，激波与附面层之间产生相互干扰，在高超声速气流驻点附近产生极高的温度，能使附近的气体分解和电离，形成相当复杂的混合气体，使得高超声速气流的研究成为非常复杂的问题。另外一个难题是，现有的风洞设备还不能较好地模拟高超声速飞行环境，而计算流体力学和飞行试验也都存在着很大的局限性，因此必须一体化地综合运用这三种设计工具。 目前，与高超声速空气动力／热力学相关的理论、建模、研究方法、理论计算、程序、验证手段等方面还有待深入研究。 5.燃料高超声速推进系统由于存在极强的热负荷，需要燃料本身在循环过程中对许多部件承担冷却任务。目前正在研究的高超声速飞机和空天飞机通常采用液氢作燃料和冷却剂。对于高超声速巡航导弹而言，液氢的密度太小，要求的容积太大，直接影响弹的起飞质量和飞行过程中的阻力，因此需要研制吸热性好、后勤供应方便、能量密度高、可贮存的液体燃料、混合燃料和浆状燃料。