美國推出高超聲速飛行試驗(yàn)平臺概念方案及研制計劃

廖孟豪

高超聲速飛行器是支持美國一小時打遍全球戰(zhàn)略構(gòu)想的武器裝備之一，高超聲速飛行器的研制是美國武器裝備研制的重點(diǎn)，其成功研制的關(guān)鍵與否取決于高超聲速飛行試驗(yàn)平臺。為此，美國正積極地推出高超聲速飛行試驗(yàn)平臺概念方案及研制計劃。

2018年9月19日，美國平流層發(fā)射系統(tǒng)公司在美國佛羅里達(dá)州舉行的第22屆美國航空航天學(xué)會（ AIAA）國際航天飛機(jī)與高超聲速系統(tǒng)及技術(shù)會議上公布了兩型高超聲速飛行試驗(yàn)平臺的概念方案與研制計劃。這兩型平臺均可從公司研制的超大型雙機(jī)身載機(jī)上發(fā)射，無動力自主水平著陸，可重復(fù)使用，其中之一是世界上尺寸最大、性能最高的高超聲速飛行試驗(yàn)平臺。該計劃順應(yīng)了當(dāng)前美國高超聲速技術(shù)高速發(fā)展的強(qiáng)勁需求，一旦實(shí)施，將顯著加速美國高超聲速飛機(jī)和可重復(fù)使用航天運(yùn)載飛行器的發(fā)展。

背景與目的

美國防部正以最高優(yōu)先級大力發(fā)展高超聲速裝備和技術(shù)

美國歷來重視高超聲速技術(shù)，近年來多次將其列入國防部或軍種戰(zhàn)略文件，作為最重大的數(shù)個技術(shù)方向進(jìn)行重點(diǎn)發(fā)展。201 8年3月，新任美國防部負(fù)責(zé)研究與工程的副部長格里芬宣稱，高超聲速將是其任期內(nèi)要推動的最高優(yōu)先事務(wù)。目前，美國在高超聲速裝備和技術(shù)領(lǐng)域的年度國防預(yù)算投入已經(jīng)超過10億美元，并且還在快速大幅增長。系統(tǒng)級重大科研項(xiàng)目包括6個高超聲速導(dǎo)彈型號和演示驗(yàn)證項(xiàng)目、3個高超聲速飛機(jī)技術(shù)驗(yàn)證項(xiàng)目和1個可重復(fù)使用航天運(yùn)載飛行器演示驗(yàn)證項(xiàng)目，全面覆蓋了導(dǎo)彈、飛機(jī)和航天運(yùn)載器等三大高超聲速技術(shù)分支方向。按照當(dāng)前計劃，2020年要完成導(dǎo)彈原型機(jī)研制、飛機(jī)發(fā)動機(jī)地面驗(yàn)證和可重復(fù)使用航天運(yùn)載飛行器飛行驗(yàn)證。

美空軍正新建高超聲速飛行試驗(yàn)?zāi)芰σ约铀俑叱曀偌夹g(shù)發(fā)展

飛行試驗(yàn)是開展高超聲速裝備技術(shù)攻關(guān)不可或缺的關(guān)鍵手段。同時，當(dāng)前高超聲速基礎(chǔ)理論和地面試驗(yàn)手段的欠缺，又進(jìn)一步突顯了對飛行試驗(yàn)的依賴性和重要性。美國對此有充分認(rèn)識和深刻體會。早在上世紀(jì)六十年代就通過成功實(shí)施X-15驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目，獲得了大量高超聲速飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為當(dāng)時大批高超聲速風(fēng)洞校準(zhǔn)和后續(xù)航天飛機(jī)成功研制奠定了堅實(shí)基礎(chǔ)。2016年，美空軍發(fā)布“高頻次低成本高超聲速飛行試驗(yàn)平臺”（ HyRA×）項(xiàng)目，旨在通過研制試飛一型可重復(fù)使用的高超聲速試飛平臺，用于開展高頻次、低成本、航時較長的高超聲速飛行試驗(yàn)，以全面提升高超聲速氣動、自主控制、材料、推進(jìn)、結(jié)構(gòu)和機(jī)載系統(tǒng)等技術(shù)的技術(shù)成熟度。項(xiàng)目計劃制造3架試飛平臺，要求每架壽命達(dá)到200 - 400架次，計劃2020年前實(shí)現(xiàn)平臺首飛，用于支撐2025年前完成各類飛行試驗(yàn)。

美企飛行試驗(yàn)平臺旨在滿足公司自身發(fā)展和外部市場兩大需求

美國平流層發(fā)射系統(tǒng)公司此次提出高超聲速飛行試驗(yàn)平臺計劃當(dāng)然是看到了美軍對這類平臺的急迫急需。公司在文件中明確指出，將與工業(yè)部門合作開發(fā)可用于美國政府各類高超聲速科研項(xiàng)目的飛行試驗(yàn)平臺，具體包括氣動力/熱、高溫材料、飛行控制、設(shè)計工具驗(yàn)證，以及吸氣式高超聲速推進(jìn)技術(shù)（進(jìn)氣道/流道、超聲速燃燒、后機(jī)身/尾噴管、組合發(fā)動機(jī)、等離子控制等）和火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)（液體火箭發(fā)動機(jī)、低溫油箱、低溫推進(jìn)劑管理等）。除此之外，更為重要的是，美國平流層發(fā)射系統(tǒng)公司首要定位是航天運(yùn)載供應(yīng)商，正在研制系列航天發(fā)射運(yùn)載器，包括多型小至中等載荷的空射運(yùn)載火箭以及一型完全可重復(fù)使用的航天飛機(jī)。而此次新公布的兩型飛行試驗(yàn)平臺可作為一個重要的墊腳石，為這些運(yùn)載器提供寶貴的技術(shù)儲備和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，降低其研制風(fēng)險。方案與計劃

美國平流層發(fā)射系統(tǒng)公司公布

的兩型高超聲速飛行試驗(yàn)平臺是縮比關(guān)系，其中小型平臺命名為“高超-A”（ Hyper-A），大型平臺為“高超-Z”（ Hyper-Z），二者外形、動力等均相似，分別定位于Ma6級和Mal0級飛行試驗(yàn)平臺。相比而言，“高超-Z”大型平臺是公司的發(fā)展重心。

概念方案設(shè)計

“高超-A/Z”平臺采用無人駕駛設(shè)計，采用大后掠三角翼加翼尖垂尾布局;動力采用公司自研、推力可調(diào)的液氫液氧火箭發(fā)動機(jī)，低溫油箱采用商用貨架產(chǎn)品;機(jī)身上表面綜合應(yīng)用了西亞斯一哈克（ Sears-Haack）面積分布和超聲速面積律等特征;機(jī)身下表面則非常平坦，主要用于安裝推進(jìn)系統(tǒng)或流道結(jié)構(gòu)等載荷進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，也可安裝翼狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行邊界層轉(zhuǎn)捩或其他高超聲速試驗(yàn);同時機(jī)身內(nèi)部也有空間用于安裝試驗(yàn)所需的相關(guān)設(shè)備和儀器等。

運(yùn)行概念構(gòu)想

“高超-A/Z”平臺搭載“平流層發(fā)射”載機(jī)從跑道上起飛爬升至高度10km、Ma0.6左右后，與載機(jī)分離，火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火加速，按照既定計劃自主飛行，最后采用無動力滑翔方式在常規(guī)跑道上水平著陸?！案叱?A/Z”平臺是可重復(fù)使用平臺，每次飛行后僅需要開展最小程度的維護(hù)工作，包括補(bǔ)充推進(jìn)劑、輕微修護(hù)熱防護(hù)系統(tǒng)以及常規(guī)檢查和維護(hù)。

“高超-A/Z”平臺能以水平加速模式和助推滑翔模式等兩種典型方式進(jìn)行飛行，以滿足不同的飛行試驗(yàn)要求。水平加速模式可在稠密大氣層內(nèi)達(dá)到最大馬赫數(shù)、最高溫度等條件，助推滑翔模式則可爬升進(jìn)入外太空/亞軌道、達(dá)到最大高度并獲得滑翔再人大氣層的飛行條件。研制進(jìn)展與計劃

目前，平流層發(fā)射系統(tǒng)公司科研團(tuán)隊的工作主要聚焦于“高超-A/Z”的計算流體力學(xué)分析，以及它們與載機(jī)的掛載方案。公司已經(jīng)在美國海軍學(xué)院馬里蘭州的4ft×4ft約1.22m×1.22m）亞聲速風(fēng)洞中完成了3.5ft（約1.1m）縮比模型的風(fēng)洞試驗(yàn)，為近進(jìn)著陸設(shè)計提供了初始數(shù)據(jù)，計劃201 8年秋季在美國航空航天局（ NASA）馬歇爾航天飛行中心的跨聲速風(fēng)洞中開展部分高速和高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)。如果進(jìn)展順利，“高超-A”平臺將最早在2020年進(jìn)行首飛，“高超-Z”則最快可2025年實(shí)現(xiàn)首飛。其中“高超-A”的一個重要作用是為“高超-Z”降低技術(shù)風(fēng)險。

此外，“平流層發(fā)射”載機(jī)目前正在加州莫哈維基地進(jìn)行飛行前測試，2018年2月已完成了高速滑跑試驗(yàn)，計劃2019年首飛。

前景分析

總體方案技術(shù)可行性高，但在技術(shù)集成上仍需開展大量工作

“高超-A/Z”平臺要求飛行空域大、飛行速域?qū)挕⒖芍貜?fù)使用，涉及大空域?qū)捤儆驓鈩硬季趾惋w行控制技術(shù)、變推力可重復(fù)使用液體火箭發(fā)動機(jī)技術(shù)、大熱流高溫?zé)岱雷o(hù)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，但這些技術(shù)美國依托X-15、航天飛機(jī)、X-37B等項(xiàng)目均有雄厚的積累，況且“高超-A/Z”平臺沒有載荷、航程或航時等要求，設(shè)計空間更大，技術(shù)可行性更高。但由于“高超-A/Z”畢竟達(dá)到了高超聲速范圍，氣動、控制、結(jié)構(gòu)、材料、動力等技術(shù)高度耦合，即使每項(xiàng)技術(shù)都成熟，光是技術(shù)集成就需要開展大量的設(shè)計和試驗(yàn)工作，因此研制“高超-A/Z”的工程難度并不小。

設(shè)計理念上更重視性能而不是成本，不全是市場化的考慮

從目前公布的方案來看，突出的性能是兩型平臺，特別是“高超-Z”平臺的最大亮點(diǎn)。最大起飛總量近30t，最大速度超過Mal0，最大高度達(dá)150km，這些性能指標(biāo)是空前的，堪稱全球最大的高超聲速飛行試驗(yàn)平臺，但這同時也帶來了成本高的問題。該平臺估計光研制費(fèi)就需要數(shù)億至數(shù)十億美元，再加上運(yùn)行費(fèi)用，綜合下來每次飛行試驗(yàn)的成本不會低。當(dāng)然，總重僅2.7t的“高超-A”更具成本優(yōu)勢，但它卻采用載重高達(dá)250t的載機(jī)來發(fā)射，同樣會面臨極大資源浪費(fèi)的問題，進(jìn)而造成成本虛高。事實(shí)上公司在文件中也只字未提成本的問題。然而，美空軍最重視高超聲速飛行試驗(yàn)的成本問題，新啟動的HyRAX項(xiàng)目明確要求高超聲速飛行試驗(yàn)平臺必須能夠低成本、高頻次地使用，并要求可重復(fù)使用200 - 400架次。目前參與競標(biāo)的美國時代軌道公司G01飛行試驗(yàn)平臺也采用空射方案，總重僅1.2t，載機(jī)為非常成熟的NASA C-20飛機(jī)（總重僅32t）。因此分析認(rèn)為，“高超-A/Z”平臺更側(cè)重于開展數(shù)量較少、但要求較高的某些大型部件的飛行試驗(yàn)，而不全是為了爭奪高超聲速飛行試驗(yàn)的主體市場。同時，這也印證了“高超-A/Z”平臺不單是飛行試驗(yàn)平臺，也是公司后續(xù)產(chǎn)品墊腳石的定位。

主要服務(wù)于高超聲速飛機(jī)和可重復(fù)使用航天運(yùn)載飛行器技術(shù)

美國平流層發(fā)射系統(tǒng)公司將“高超-Z”作為主打平臺，而“高超-A”更多是為“高超-Z”打基礎(chǔ)，因此公司可能更多瞄準(zhǔn)的是支撐大型高超聲速飛行器的技術(shù)攻關(guān)，包括高超聲速飛機(jī)和可重復(fù)使用航天運(yùn)載飛行器。目前美國在高超聲速導(dǎo)彈方向已經(jīng)臨近全面突破關(guān)鍵技術(shù)，2021年便可形成早期作戰(zhàn)能力;而尺寸更大、技術(shù)體系更復(fù)雜的高超聲速飛機(jī)和可重復(fù)使用航天運(yùn)載飛行器則仍處于技術(shù)儲備階段，需要大量開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)來推動相關(guān)技術(shù)成熟，例如大尺寸進(jìn)氣道模態(tài)轉(zhuǎn)換、中等尺寸/大尺寸雙模態(tài)沖壓發(fā)動機(jī)、進(jìn)發(fā)排一體化等需要開展較大尺寸部件飛行試驗(yàn)的技術(shù)。

因此綜合來看，美國平流層發(fā)射系統(tǒng)公司“高超-A/Z”高超聲速飛行試驗(yàn)平臺技術(shù)上完全可行，但工程量較大;定位首先是為公司后續(xù)產(chǎn)品降風(fēng)險、打基礎(chǔ)，其次才是滿足美軍等外部對高超聲速飛行試驗(yàn)平臺的需求，并且更側(cè)重于滿足數(shù)量較少、但要求較高的大型部件飛行試驗(yàn)的特種需求。