潘銳，趙群力

中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心，北京 100029

速度與高度是航空技術(shù)追求的永恒主題。高超聲速飛機通常是指采用吸氣式動力、可在臨近空間以馬赫數(shù)5 以上的速度進行長時間巡航飛行、具備水平起降能力、可重復使用的航空飛行器[1]。作為航空與航天領(lǐng)域的交匯點，高超聲速飛機相較于常規(guī)作戰(zhàn)飛機，具有顯著的速度與高度優(yōu)勢，因而可顯著提升對現(xiàn)有防空系統(tǒng)的突防概率，大幅壓縮從發(fā)現(xiàn)到摧毀目標的時間周期，可實現(xiàn)對時敏目標的快速響應，具有巨大的軍事應用潛力，是未來大國之間非接觸對抗與空天對抗的戰(zhàn)略支點[2]。世界范圍內(nèi)多個國家已針對高超聲速飛機開展概念設計、關(guān)鍵技術(shù)研究和驗證機研制等工作。

本文將簡述美國高超聲速飛機的研究歷程，總結(jié)已開展的高超聲速飛機研究項目的發(fā)展情況。針對當前典型型號，梳理最新發(fā)展現(xiàn)狀，重點分析概念方案的演進及變化原因，對其發(fā)展前景和挑戰(zhàn)進行分析判斷。根據(jù)項目發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)高超聲速飛機的三個主要目標圖像，并就我國高超聲速飛機技術(shù)發(fā)展提出啟示建議。

1 國外高超聲速飛機發(fā)展概況

1.1 國外高超聲速飛機發(fā)展歷程

高超聲速飛機概念可追溯到錢學森先生在1946 年發(fā)表的《高超聲速流動相似性定律》一文[3]。近70 年來，人類從未停止過對高超聲速飛機的探索，其發(fā)展歷程可大致分為三個階段。

（1） 技術(shù)探索階段

1950—1980年為技術(shù)探索階段。這期間，歐美、蘇聯(lián)等航空強國針對水平起降高速飛機關(guān)鍵技術(shù)開展了大規(guī)模研究，提出了諸如渦輪基組合循環(huán)（TBCC）發(fā)動機、乘波體、熱結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)概念，高超聲速理論水平不斷得到提升。在此階段，美國多次完成X-15高超聲速技術(shù)試驗機的飛行試驗，最大速度達到馬赫數(shù)6以上，獲取了豐富的高超聲速飛行數(shù)據(jù)。

（2） 試驗嘗試階段

1980—2000 年為試驗嘗試階段。在SR-71、米格-25等馬赫數(shù)3系列的超聲速飛機服役后，美、歐相繼啟動國家空天飛機（NASP）、“霍托爾”空天飛機、“桑格爾”空天飛機等計劃，準備研制可入軌的空天飛機。由于理念超前且技術(shù)成熟度不足，這些空天飛機計劃均宣告失敗。但各國為此開展了大量計算流體力學、高速風洞試驗、熱材料、熱管理等方面的研究，加深了對高超聲速飛機設計的認識。

（3） 技術(shù)突破與能力轉(zhuǎn)化階段

2000 年—至今為技術(shù)突破與能力轉(zhuǎn)化階段。這期間，美國審視并重新制定了高超聲速飛行器發(fā)展路線圖，設立了一系列的高超聲速總體、氣動、結(jié)構(gòu)、動力等領(lǐng)域的研究項目，并通過X-43、X-51驗證了氫燃料和碳氫燃料超燃發(fā)動機技術(shù)的可行性。歐洲各國在廣泛開展高超聲速飛機概念研究的基礎上，針對動力和結(jié)構(gòu)開展了深入研究[4]。

近年來，世界范圍內(nèi)高超聲速飛機發(fā)展明顯提速，動力技術(shù)取得重大突破。在官方機構(gòu)的支持下，美國洛馬、波音、赫爾墨斯公司，英國羅羅公司和反作用發(fā)動機公司相繼提出了多項高超聲速飛機整機研制計劃。高超聲速飛機正進入集成驗證和整機研制的新階段[5-6]。

1.2 國外典型高超聲速飛機項目

按照不同項目背景，國外高超聲速飛機項目可分為已完成的概念研究項目和正在進行的型號研制計劃。

2010 年前后，美歐完成了一系列高超聲速飛機概念探索研究，為高超聲速飛機構(gòu)型設計和多學科優(yōu)化提供了廣泛的思路[7]。主要的高超聲速飛機概念研究項目見表1。

表1 國外高超聲速飛機概念研究項目Table 1 Foreign hypersonic aircraft concept research projects

近年來，隨著高超聲速動力技術(shù)的逐漸成熟，美國率先提出了高超聲速整機研制計劃，投入最大，進展較快，處于領(lǐng)先位勢，并重視建立高超聲速飛行試驗能力，加速高超聲速技術(shù)向飛機設計的轉(zhuǎn)化。英國緊隨其后，成為第二個官方宣布軍用高超聲速飛機研制計劃的國家。高超聲速飛機主要在研項目見表2。

表2 國外高超聲速飛機在研項目Table 2 Foreign hypersonic aircraft under research

2 典型項目研究最新進展

2.1 美國波音“女武神”

繼2018年首次展出“女武神”高超聲速飛機模型后，波音公司在2022 年公布了其演進迭代的新版高超聲速飛機方案，如圖1所示[8]。

圖1 波音“女武神”高超聲速飛機概念演進Fig.1 Conceptual evolution of Boeing “Valkyrie” hypersonic aircraft

2022 年展示的新方案在總體參數(shù)上仍與2018 年保持一致，最大速度為Ma5，將采用無人駕駛，航程約為5500km，最大起飛重量（質(zhì)量）和有效載荷分別為80t和2.3t左右。在方案布局上，新方案沿用了三角翼、局部乘波體布局、雙發(fā)TBCC 左右并聯(lián)的布置方式。與2018 年的模型相比，新方案將尖機頭改鈍；取消高脊背機身設計，改為更加扁平的中段機身；機翼和雙尾翼更短，機身側(cè)部外模線與機翼根部增加階梯設計；機身下方的兩個發(fā)動機由機身中心下方并排排列改為分開放置在兩個單獨的整流罩中，分離式的圓形進氣口貫穿整個機身長度。

波音“女武神”脫胎于Manta 2025 計劃，連續(xù)展出表明了波音公司正基于豐富的高超聲速技術(shù)積累，綜合評估寬速域和熱結(jié)構(gòu)防護等要求，持續(xù)開展高超聲速飛機總體方案的迭代優(yōu)化，以期在未來軍民用高超聲速飛機領(lǐng)域中搶占先機。

2.2 美國赫爾墨斯“夸特馬”

“夸特馬”是由美國初創(chuàng)公司赫爾墨斯在美國空軍資助下研制的一款高馬赫數(shù)小型無人技術(shù)驗證機。

2022 年，赫爾墨斯“奇美拉”TBCC 發(fā)動機取得重大突破，6月完成發(fā)動機全部地面靜態(tài)試驗，實現(xiàn)地面全油門運行，最大速度可至Ma5。11 月，在來流高溫高壓的模擬飛行測試中，“奇美拉”TBCC 發(fā)動機成功實現(xiàn)由渦輪發(fā)動機向亞燃沖壓發(fā)動機的模態(tài)轉(zhuǎn)換，如圖2所示[9]。這標志著赫爾米斯已基本掌握TBCC發(fā)動機關(guān)鍵技術(shù)，具備研制“夸特馬”驗證機的動力基礎。

圖2 “奇美拉”模擬飛行試驗模態(tài)轉(zhuǎn)換過程Fig.2 Mode transition process of “Chimera”simulation flight test

2023年2月，赫爾墨斯正式將“夸特馬”驗證機速度指標由原先最高Ma5下調(diào)至Ma4，并公布了經(jīng)過大量計算優(yōu)化后的新型總體布局方案，完成了驗證機縮比模型Ma0.3～1.3的風洞測試，同時研究亞聲速和跨聲速飛行中氣流對“夸特馬”控制面和起落架的影響[10]。

速度指標調(diào)整的原因主要是“奇美拉”發(fā)動機最高只能在Ma4 環(huán)境中運行，尚未解決如何在Ma5 下的高溫來流環(huán)境保持穩(wěn)定燃燒的難題。這意味著“夸特馬”驗證機已由高超聲速（Hypersonic）飛行器下調(diào)至高馬赫數(shù)（High-Mach）飛行器范疇，但也標志著赫爾墨斯正基于現(xiàn)有動力系統(tǒng)水平，加快推進高馬赫數(shù)驗證機的首飛試驗。

相較于2021年展示的模型，2023年方案最大的改變在于將與發(fā)動機進氣道高度融合的“凹形”機頭改為了乘波體形式的“錐形”機頭，如圖3 所示。新“夸特馬”驗證機模型與當前主流局部乘波體（如SR-72）常規(guī)布局趨同，沿用大長細比機體，在大后掠的雙三角翼上設置副翼，發(fā)動機尾噴管附近除原先的單垂尾外增加了兩個五邊形平尾，進氣方式由機頭改為機腹，并增加了起落架。

圖3 “夸特馬”概念演進Fig.3 Evolution of the concept of “Quarterhorse”

盡管赫爾墨斯將“夸特馬”首飛時間由2023 年底推遲至2024 年，并提出首飛速度可能是亞聲速，但“夸特馬”仍然是目前成熟度最高、最有可能率先完成高超聲速飛行測試的研發(fā)項目之一，其距離完成一架高馬赫數(shù)驗證機仍需解決飛控、導航、結(jié)構(gòu)、制造等一系列問題，高超聲速整機飛行驗證短期內(nèi)可能無法實現(xiàn)。

2.3 美國國防創(chuàng)新單元“飛鏢AE”

根據(jù)美國政府問責局公布的信息，2015—2024財年，美國國防部并行開展了70余個高超聲速項目，現(xiàn)階段的試驗能力無法滿足劇增的試驗需求。美國國防創(chuàng)新單元（DIU）在2022 年9 月發(fā)布高超聲速與高節(jié)奏機載試驗能力（HyCAT）項目通知，旨在引入商業(yè)研發(fā)力量，開發(fā)低成本、高頻次的高超聲速飛行試驗平臺，加速高超聲速導彈向飛機技術(shù)的轉(zhuǎn)化[11]。

2023 年3 月，DIU 宣布選擇澳大利亞高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司研發(fā)的“飛鏢AE”飛行器，為其HyCAT 計劃新型高超聲速飛行試驗平臺?！帮w鏢AE”飛行器如圖4所示。

圖4 “飛鏢AE”概念方案Fig.4 Concept scheme of “Dart AE”

根據(jù)概念方案，“飛鏢AE”是一款小型高超聲速試驗飛行器，采用超燃沖壓發(fā)動機，最大飛行速度超過Ma7；采用大長細比機身，機長2.84m，翼展長約0.9m；機身使用增材制造（3D）打印的高溫合金材料制造，重量約為300kg；動力系統(tǒng)使用自行研發(fā)的“斯巴達”氫燃料超燃沖壓發(fā)動機；巡航速度將維持在Ma5～7 范圍內(nèi)，最大速度可超過Ma7，飛行時間可達400s，航程約為1000km。根據(jù)HyCAT 項目要求，“飛鏢AE”將具備9kg 的模塊化有效載荷艙，具備外部掛載和內(nèi)部集成的安裝選項，可近實時收集和加密傳輸試驗參數(shù)，預計2024年進行首飛，首飛12～18個月后開展對平臺、組件、傳感器、通信系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的試驗活動。

“飛鏢AE”的研制，一方面，表現(xiàn)出美國正從多方面努力，著力提高高超聲速飛行試驗能力；另一方面，聯(lián)合盟友開展研究工作，表明美國擬通過國際合作增強技術(shù)研發(fā)能力。

2.4 美國平流層發(fā)射系統(tǒng)公司“鷹爪-A”

如圖5 所示，“鷹爪-A”是平流層發(fā)射系統(tǒng)公司設計的一款由雙體載機空中發(fā)射、以火箭為動力的高超聲速試驗飛行器，是目前唯一完成樣機制造和空中分離試驗的高超聲速試驗飛行器。2023年5月，“鷹爪-A”飛行器首次完成分離試驗，按計劃在2023年夏末開展首次“鷹爪-A”飛行器的動力飛行試驗[12]。

圖5 “鷹爪-A”高超聲速飛行器與“大鵬”載機Fig.5 “Talon-A” hypersonic aircraft and “Roc” aircraft

“鷹爪-A”高超聲速試驗飛行器與X-37B軌道飛行器較為相似，采用下單三角翼布局，機身長8.5m、翼展長4.3m、發(fā)射質(zhì)量約為3.2t，設計最大飛行速度為Ma6?！苞椬?A”飛行器通過試驗證明了多項重要能力：（1）迅速、安全地與載機掛架分離；（2）數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)按預期運行；（3）飛行器與范登堡基地地面設施維持遙測通信，可支撐未來高超飛行測試過程中的數(shù)據(jù)實時備份。預計，“大鵬”載機和“鷹爪-A”可為美軍提供高效、低成本的高超聲速試驗手段，加強其高超聲速技術(shù)研發(fā)能力。

2.5 英國“5號方案”

2022 年7 月，英國公布了高超聲速航空器試驗（HVX）項目，并在范堡羅航展上首次公布了“5號方案”軍用高超聲速驗證機模型及其概念方案，如圖6 所示[13]。HVX 項目旨在加速新型吸氣式高馬赫數(shù)發(fā)動機架構(gòu)設計、發(fā)動機與飛機集成設計、高超聲速飛機作戰(zhàn)概念開發(fā)、飛機方案設計等關(guān)鍵技術(shù)的研究進度，實現(xiàn)高超聲速飛行器可重復使用和降低研發(fā)成本。這標志著英國成為繼美國之后，第二個官方宣布開展軍用高超聲速飛機研制計劃的國家。

圖6 “5號方案”概念圖Fig.6 “Concept V” design

根據(jù)模型和概念設想圖，“5號方案”采用了鴨式、單垂尾、翼身高度融合的總體布局；寬大的三角翼前緣呈S 形，采用鷗翼設計，翼梢?guī)в邢路唇?，以加強高馬赫數(shù)時的乘波效應；機頭進氣方式采用二維進氣道設計。“5號方案”驗證機長約9m，翼展長約4m，起飛總重為4～6t量級，將采用單臺串聯(lián)式TBCC 發(fā)動機，依靠加裝預冷卻器的渦輪發(fā)動機水平起飛并加速至Ma3 左右，完成模態(tài)轉(zhuǎn)換后，沖壓發(fā)動機將飛機推進至Ma5及以上。

英國推動HVX項目及“5號方案”高超飛機驗證機研究表明，英國正從國家層面推動高超聲速技術(shù)發(fā)展，加速技術(shù)成熟，使英國成為可重復使用的吸氣式高超聲速系統(tǒng)的領(lǐng)先者。

3 國外高超聲速飛機發(fā)展趨勢

通過跟蹤現(xiàn)有國外高超聲速飛機的發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)總體需求以軍用需求為主，主要用于滿足情報、監(jiān)視、偵察、打擊一體高超聲速飛機的發(fā)展愿景和日益增加的高超聲速試驗平臺建設需求；部分考慮了民用商業(yè)需求，構(gòu)想了未來高超聲速遠程運輸和空天飛行的場景。國外軍用超聲速飛機的發(fā)展目標主要分為以下三類。

（1） 高超聲速試驗飛行器

高超聲速試驗飛行器用于快速實現(xiàn)高超聲速飛行試驗，測試總體布局或機載系統(tǒng)等技術(shù)，并收集數(shù)據(jù)，加快推動高超聲速技術(shù)成熟，預計從2024年投入使用。此類飛行器主要設計特點為：采用靈活的發(fā)射形式，包括空中載機分離發(fā)射或地面火箭發(fā)射，以快速達到Ma5 以上；采用靈活的動力系統(tǒng)，使用火箭發(fā)動機或超燃沖壓發(fā)動機；攜帶數(shù)據(jù)記錄和傳輸系統(tǒng)，可實時傳輸和備份高超聲速試驗數(shù)據(jù)；尺寸大小根據(jù)研究目的靈活設計。

（2） 高超聲速技術(shù)驗證機

高超聲速技術(shù)驗證機用于測試TBCC 發(fā)動機性能、總體布局、水平起降和可重復使用能力，預計在2024 年開始飛行測試，但短時間內(nèi)無法達到高超聲速。此類飛行器主要設計特點為：采用水平起降方式；采用TBCC 發(fā)動機，串聯(lián)式為主，采用預冷器拓展渦輪發(fā)動機工作包線；機長在10m左右，重量在5t左右；速度在Ma4～5區(qū)間內(nèi)，重點驗證高馬赫數(shù)飛行性能。

（3） 高超聲速飛機

高超聲速飛機未來實現(xiàn)情報、監(jiān)視、偵察、打擊一體的任務能力或開發(fā)點對點運輸能力和空天運輸能力，預計在2030年開始完成原型機制造并逐步開展測試。此類飛行器主要設計特點為：采用水平起降方式，可重復使用；采用TBCC 發(fā)動機，并聯(lián)式為主；機長在30m 以上，起飛重量在80t 左右，有效載荷大于2t；速度在Ma5～6 區(qū)間內(nèi)，航程在5500km 左右。無人駕駛為主，可選有人駕駛，攜帶情、監(jiān)、偵載荷或武器系統(tǒng)，按需執(zhí)行任務。

4 啟示與建議

在綜合考慮國外高超聲速飛機發(fā)展趨勢和我國國情的基礎上，提出以下建議。

（1） 積極謀劃，警惕出現(xiàn)高超聲速飛機代差。高超聲速飛機具有突防能力強、響應速度快、靈活機動的作戰(zhàn)優(yōu)勢，將成為未來大國競爭和空天對抗的重要裝備。國外高超聲速技術(shù)呈提速和蔓延趨勢，多個國家設立高超聲速武器項目，高超聲速飛機項目近年來顯著增加。我國應充分把握同場競爭的機遇窗口，加強作戰(zhàn)能力論證、布局基礎研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，防止出現(xiàn)代差。

（2） 動力先行，大力開展高超聲速動力技術(shù)攻關(guān)。高超聲速飛機與動力的關(guān)系非常密切。國外近年來高超聲速飛機提速的背后支撐正是動力技術(shù)的突破。高超聲速飛機要實現(xiàn)自主水平起降， TBCC發(fā)動機是主要技術(shù)路徑，建議持續(xù)加強大推力高速渦輪發(fā)動機、大尺寸重復使用寬域超燃發(fā)動機、多動力模態(tài)轉(zhuǎn)換等技術(shù)攻關(guān)。

（3） 系統(tǒng)布局，全面開展關(guān)鍵技術(shù)研究。高超聲速技術(shù)是一項流、固、熱多學科高度耦合技術(shù)，材料、熱結(jié)構(gòu)、能量管理、通信導航等方面仍存在巨大的挑戰(zhàn)，需加強多學科總體優(yōu)化研究，全面開展各專業(yè)內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)研究及多學科耦合影響研究，為未來飛行器的研制奠定基礎。

（4） 重視驗證，加快建設飛行試驗能力。高超聲速技術(shù)的成熟需基于堅實的理論基礎和足夠的試驗驗證，而試驗又是推動理論完善和驗證設計方案的關(guān)鍵手段。高超聲速風洞建設成本高，模擬高溫高速來流難度大、能耗高，需加強試驗技術(shù)研究。同時，要注重飛行試驗能力建設，打造適應不同試驗需要的試驗設施體系，為高超聲速飛機研制和技術(shù)攻關(guān)提供可靠的物質(zhì)保障。