高超音速飞行器——临近空间飞行领域的霸主

　　高超音速飞行器是怎样的国之重器，它在军事和民用领域都有哪些魅力，它的技术难点有哪些，让各国不仅争相发展还相互合作？

　　“高超音速飞行器”在未来国家安全中起着及其重要的作用，是各国竞相发展的一项顶尖技术。那么高超音速飞行器是怎样的国之重器，它在军事和民用领域都有哪些魅力，它的技术难点有哪些，让各国不仅争相发展还相互合作？为此，本期学姐采访了浙江大学航空航天学院副教授荣臻。

　　高超音（声）速称为“hypersonic”，这个词是我国著名科学家钱学森在1945年首次提出的。高超音（声）速一般指的是速度超过5倍（5马赫，即至少每小时6120公里）音速。

　　高超音（声）速飞行器是指飞行速度超过5倍音速的飞机、导弹、炮弹等有翼或无翼飞行器。这种飞行器在临近空间（距离地面20～100km的空域）执行飞行任务，既有航空技术的优势，又有航天器不可比拟的优点，既能在大气层内以高超音速进行巡航飞行，又能穿越大气层做再入轨道运行。它所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。

　　与传统的亚音速或超音速飞行器相比，该飞行器飞行速度更快、突防能力更强，具备极高的军事和民用价值，是未来进入临近空间并控制临近空间、保证控制优势的关键支柱，同时也是对临近空间进行大规模开发的载体，是一种具有广阔开发前景的新型未来飞行器。

　　高超音速飞行器之所以受人关注，其主要有以下三个优势：一是飞行速度快，如果军用的线小时内可以打击全球任何目标；若用于民用的话，从北京飞到纽约用不了2个小时。二是探测难度大、突防能力强，由于高超音速飞行器速度快、通过时间短，导致防御雷达累积回波数量较少，从而不易被发现,而且即使被发现，地面防空武器系统也难以实现有效瞄准，因此突防概率极高。三是射程远、威力大，目前正在研究的高超音速导弹，其射程都在几百甚至上千公里以上；另外，根据动能公式E=MV2（物体的动能与其速度的平方成正比）可知，高超音速飞行器在进行高超音速飞行时，其动能非常大，与传统的亚音速飞行器相比，在同样质量的情况下，威力也将增大很多。

　　根据公开出版的《临近空间高超音速飞行器发展研究》（中国宇航出版社，2012），临近空间高超音速飞行器的可根据功能分为三类：1、快速打击时间敏感性目标的临近空间高超音速飞行器（如美国X-51A、AHW等）；2、全球快速到达的临近空间高超音速飞行器（如美国HTV-2）；3、以快速进出空间为背景的临近空间高超音速飞行器——空天飞行器（如美国NASP、X-33等）。

　　其中技术难度相比来说较低的第一类飞行器，是目前各国重点研究的对象，而后两类飞行器还处于探索阶段。

　　X-51A高超音速飞行器于2010年5月26日首飞并取得了成功；然而第二次试飞与第三次试飞皆以失败告终，分别于2011年6月13日与2012年8月14日进行；第四次试飞于2013年5月3日进行并取得成功，虽然此次飞行仅维持了300秒，但飞行距离达数百公里，飞行高度超过2.4万米，飞行速度超过5马赫，成功验证了吸气式超燃冲压发动机推进飞行的可行性，此次试飞也是X-51A高超音速无人飞行器最后一次试飞，试飞的成功为X-51A计划画上了一个圆满的句号。

　　近日据外国媒体报道，美国和澳大利亚成功在澳大利亚南部武麦拉试验场进行了一次HiFire-4高超声速飞行试验，其飞行速度达到1.2万公里/小时。高超声速技术领域的国际合作最早可追溯到俄罗斯邀请美国、法国参与的冷计划，俄罗斯通过国际合作实现了世界上首次高超飞行试验，之后又催生了美国的Hyper-X高超声速计划，大大推动了美国高超声速技术发展。

　　不同于常见的航空涡轮发动机，超燃冲压发动机的一个技术困难是飞行器一定要达到一定速度才能启动，所以要有助推器提供初速才行。在高速飞行过程中，超燃冲压发动机燃烧室在没有压气机的条件下，要实现高速气体减速增压以及和燃料充分混合并瞬时点火成功，有人以“在飓风里点燃一根火柴并保持燃烧”来形容超燃冲压发动机起动成功。难度可想而知。

　　二是一体化总体设计技术。飞行器一体化总体设计技术指的是通过飞行器与推进器两者相互作用获得尽可能高的飞行器气动和推进性能、稳定性与控制特性。飞行器机体和推进系统的一体化设计，是整个飞行器性能的关键，而且马赫数越高，问题越突出。由于试验结果非常有限，也没有成熟的设计方法参考，高超声速飞行器一体化总体设计技术主要还得依赖大量的高速风洞试验、计算机模拟，更有必要进行实际飞行测试，技术难度和研制风险都很大。

　　以美国HTV-2高超音速飞行器为例，其飞行速度要经历从22倍音速再入，16倍音速以上速度开始滑翔，最后减速到4倍音速的过程；飞行高度也从60公里左右开始，最后降低到20～30公里，飞行距离长达5500公里，其横向机动（侧向飞行）能力也有2000公里。HTV-2项目经理曾经很无奈地说：我们大家都知道如何将飞行器送入近空间，也知道怎么再入大气层进行高超音速飞行，但我们不知道怎么在高超音速飞行下进行气动控制。

　　四是结构材料技术。长寿命、耐高温、抗腐蚀、高强度、低密度结构材料，对研制高超音速飞行器至关重要，要求材料和结构技术必须取得重大突破。新一代空天飞行器热防护问题具有不一样的特点——复杂的升力体外形、长时间热流。为了获得良好的气动特性，一般需采用保持飞行器外形不变的非烧蚀热防护技术，还要解决长时间持续飞行的内部隔热问题，需要发展新的热流预测技术和热防护技术。

　　国家“十二五”建设期间，由航天科工集团公司和航天科技集团公司抓总研制，分别成立了“高超音速飞行器科技工程”和“临近空间无人飞行器”两个重大科学技术专项。中国运载火箭技术研究院于2008年10月成立了“北京临近空间飞行器系统工程研究所”（一院10所）。另外，北京大学、浙江大学和上海交通大学等高校也相继成立临近空间飞行器研究机构。

　　此外，航天科技集团成立了高超音速飞行器防隔热技术中心，重点研究高超音速飞行器防隔热前沿技术。国防科技大学研究团队在超燃冲压发动机及其地面试验、飞行试验技术等方面做了开拓性研究，实现了技术水平的跨越。航天科工三院31所研发的首台联合循环高超音速发动机，将涡喷发动机、火箭和超燃冲压发动机组合在一起，利用三种发动机不同的性能实现飞行器从起飞到亚音速飞行、再到高速飞行、再实现高超音速巡航，最后还能减速降落。

　　风洞其实就是先进飞行器的摇篮，飞行器在风洞中进行模拟实验——飞行器不动，在风洞中产生与它飞行速度相等的气流速度来模拟飞行环境。中国科学院力学所设计建造的JF12复现高超声速激波风洞（如图5、图6所示），其整体性能优于国外同类设备，可复现25至40公里高空、5到10倍音速的高超音速飞行条件；高超音速发动机需要的实验时间至少需要60到70毫秒，我国的风洞实验时间能做到100毫秒，而国外的相关风洞大约为30毫秒；中国的喷管直径可达2.5米，实验舱直径3.5米，都明显优于国外同类风洞，真能够说是个“超级风洞”，达到了世界领先水平，而且美国对我国这个风洞非常关注。

　　在民用上，一方面高超声速飞行技术将成为快速运输的里程碑式成果，全球快速到达可以大幅度拉近不同地域之间的人员和物资距离，提升运输效率，为全球经济发展提供新的增长点，并改善人类的生活方式及生活水平。由于其速度上无可比拟的优势，高超声速飞行器在民用运载上将带来极大的经济效益。另一方面，高超声速飞行器的开发，将使得高效率、低成本的空间利用成为可能。

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