高超声速飞行器的发展探析
1引言
高超声速飞行器一般是指以火箭发动机或超燃冲压发动机为主要动力，在大气层内或跨大气层以Ma5以上的速度飞行的飞行器。我国著名科学家钱学森先生最早提出“高超声速”这一概念，他在1945年发表的论文《论高超声速相似律》中，首次使用了“Hypersonic”来表述“高超声速”，后来该词得到广泛认可。高超声速飞行器综合了航空航天领域众多学科的新技术，代表了未来航空航天领域的研究发展方向，被认为是继隐身技术之后的又一重点技术领域。
高超声速飞行器具有飞行高度高、速度快、侧向机动性好的优点，能在很短的时间内抵达地球上任何一点，迅速打击数千或上万公里外的各类军事目标。因此，美国、俄罗斯、欧洲、日本、以列等国均投入大量的人力、物力对其进行研究。同时，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，这也为高超声速飞行器未来的发展奠定了基础。
2高超声速飞行器基本概念及特点[1-3]
高超声速飞行器主要在临近空间，以Ma6~15 的高速度巡航飞行, 其巡航速度及飞行高度数倍于现有的飞机；同时由于采用吸气式发动机，其燃料比冲远高于传统火箭发动机，而且能实现水平起降与可重复使用，
因此空间运输成本将大大降低。高超声速飞行器技术的发展将导致高超声速、高超声速飞机和空天飞机等新型飞行器的出现，成为人类继发明飞机、突破音障、进入太空之后又一个划时代的里程碑。
高超声速飞行器具有飞行高度高、速度快、侧向机动性好的优点，能在很短的时间内抵达地球上的任何一点，迅速打击数千或上万公里外的各类军事目标。这主要是因为它具有高性能动力推进系统。超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机是高超声速飞行器的关键技术。目前，各国发展高超声速技术主要选用燃料可在高超声速内流中稳定燃烧的超燃冲压发动机。超燃冲压发动机的适用范围为Ma5~16，飞行时不需要自身携带氧化剂，直接从大气中吸收氧气，作为助燃剂。
超燃冲压发动机结构质量轻、飞行成本低，可控能力强、安全性好，可长时间使用，是实现高超声速飞行的理想动力装置。脉冲爆震发动机适用于所有尺寸和所有速度的推进系统，从发射到高空高超声速飞行甚至轨道机动都能使用，尽管在50 km以上时需要使用氧化剂，但由于应用范围更广泛也更具革命性，因此也是各国发展高超声速飞行器的热点。此外，高超声速飞行器具有以下优点:
（1）飞行速度快，全球到达。未来的战争是高信息化、高智能化的战争，未来的空中打击力量将主要依靠高度和速度取胜。这种高超声速飞行器能在大约两个小时之内攻击全球任何角落的目标。
（2）稍纵即逝，探测难度大。空中目标的运动速度直接决定其通过敌方防御体系作战空域的时间，对
突防概率影响极大。高超声速飞行器飞行速度快，回波积累数量少，雷达探测能力明显降低，探测高超声速空中目标难度加大。
（3）突防能力强，拦截困难。高超声速飞行可有效缩短对目标的反应时间，从目前的情况来看，现有的地面防空武器系统的方向转动机构的转动速度慢，不能有效瞄准，因此突防概率高。
（4）射程较远，威力较大。目前国外正在研究的高超声速导弹射程都在几百千米、几千千米，并且高超声速飞行时动能大，若设计与亚声速飞行器相当质量的战斗部，高超声速飞行器战斗部威力更大。
3高超声速飞行器关键技术[3-6]
高超声速飞行器的飞行马赫数范围很宽，要跨越亚声速、跨声速、超声速、高超声速4个阶段；要从稠密大气层冲向稀薄大气层，空气密度的变化非常大。这些给飞行器带来很多困难。因此，必须攻克高超声速推进、高超声速飞行器一体化设计、高超声速飞行器控制、高超声速飞行器气动力、气动热以及结构材料工艺等关键技术。
3.1高超声速推进技术
目前现有的涡轮、涡扇喷气发动机在Ma3以上时，比冲会大大降低，涡轮喷、涡扇发动机最大能达到的速度仍低于Ma4。因此，要实现高超声速飞行，首先必须具有适合的推进系统。目前研究比较普遍的是
采用超燃冲压发动机作为动力，超燃冲压发动机结构简单、质量轻、成本低、易维护、超声速飞行时性能好，
具有高超声速飞行器要求高比冲、高速度和大续航推力的特性，特别适宜在大气层或跨大气层中长时间超声速或高超声速动力续航飞行。因此，采用超燃冲压发动机或者是超燃冲压发动机和其它发动机的组合，并利用固体火箭助推器把飞行器加速到冲压发动机工作所需的速度是目前公认的高超声速飞行器动力装置的最优选择。由于超燃冲压发动机在Ma2以下无法工作，因此必须首先将飞行器加速到Ma2以上。目前研究的方案主要有母机投放和组合推进两种。
3.2高超声速飞行器一体化设计
高超声速飞行器一体化设计的过程也是多学科设计优化的过程。高超声速飞行器设计的关键难点是，在提供高效气动产生高效推进的同时，配合飞行器的高容积率、结构的有效性、可控性以及好的热防护性的一体化要求。高超声速飞行器最显著的特点是机体与超燃冲压发动机之间的耦合，高超声速飞行器的前体和后体下壁面既是主要的气动型面，又是超燃冲压发动机进气道的外压段型面和尾喷管的膨胀型面。此外，在高超声速飞行条件下，超燃冲压发动机在高超声速飞行器中的合理布局可以明显地减小飞行器的阻力，使飞行器获得较高的升阻比；同时，超燃冲压发动机对飞行状态和姿态的变化也非常敏感，它的推力—速度特性是影响飞行器飞行品质和动态特性主要因素之一，会使飞行推进一体化系统在
飞行包线内表现出复杂的非线性特性。因此，高超声速飞行器的设计必须采用一体化设计技术。目前的研究重点是：气动设计一体化，要考虑减小阻力、增加升力，还要考虑气动加热、热防护；结构设计一体化，特别是热结构及燃料供应与冷却系统设计一体化，飞行器各子系统及各主要参数的动态与静态一体化；发动机推力控制与飞行器飞行控制一体化等。
3.3高超声速飞行器控制技术
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极高。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。
3.4高超声速空气动力、气动热
高超声速飞行器在高马赫数飞行中，气动加热非常严重，在飞行过程中，飞行器承受着巨大的定常与非定常气动力载荷和气动加热引起的热载荷。结构的弹性力、惯性力、气动力和热应力之间的相互作用引发了热气动弹性问题。在不利的耦合情况下，将有可能导致飞行器的性能下降甚至结构破坏。而气动热效应引起飞行器结构的刚度特性的变化将有可能导致颤振，使飞行速度下降。
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。
3.5结构材料工艺技术
b21隐形轰炸机超声速飞行器要求尽可能地减轻结构质量，并克服气动加热问题。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是非常关键的。目前在研的新材料有铝锂合金和钛合金等轻金属材料、钛基材料等金属基复合材料、聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料等。
4各种高超声速飞行器[2]
随着科学技术的不断发展，各种关键技术的突破，高超声速飞行器已经从概念原理探索阶段进入了以高超声速、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。
4.1高超声速
高超声速已成为远程精确打击的主力，目前正在向高速度、
高精度、隐形化的方向发展。高超声速装有多燃料仓超燃烧冲压喷气发动机推进系统，采用易存储的液态碳氢燃料，甚至是纯液态氢，能在24 km以上高空、以Ma4~8的速度机动飞行，并能在6 h内环绕地球一周，迅速打击地球上任意地点的目标，精度小于1m, 可穿透11m厚的钢筋混凝土，执行攻击、侦察、监视和情报搜集任务，特别是能从防区外发射，攻击严密设防的活动目标、时间敏感目标、加固目标和地下目标。高超声速集高速度、高精度和远射程的优点于一身, 更能适应未来高节奏作战的需要。
美国正在研制X- 51“乘波者”高超声速, 可以从B- 52轰炸机上发射，由助推火箭加速到超声速, 再利用冲压发动机使其达到高超声速。X- 51导弹头部扁平，弹体采用镍合金材料，长约3. 5m，中部设置有可折叠的舱门。其射程约1 000 km，设计飞行速度为Ma5，能够在10min内精确打击目标。终极目标就是要发展成一种可以在1 h内攻击地球任意位置目标的新武器。
4.2 高超声速飞机
高超声速飞机按执行任务的不同分为高超声速侦察机、高超声速轰炸机和高超声速验证机。
高超声速侦察机速度可达Ma5~9，航程超过18000km，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防空系统阵地情况，还行执行电子情报搜索等多种任务。美国的“曙光女神”高超声速侦察机(Aurora)，又名“极光”，是SR – 71“黑鸟”战略侦察机之后新一代战略侦察机。据推测，“曙光女神”侦察机全机长为32m，高为7m，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Ma6，甚至更快。
计划研制中的高超声速轰炸机能把投到地球上任何地点并返回到原起飞点，能精确投掷高爆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- 30是美国第一种高超声速隐形战略轰炸机，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Ma5 ~ 6，航程大于11 100 km，载弹量要达到