美國(guó)典型高超飛行器項(xiàng)目研發(fā)及啟示

張蒙正，鄒 宇

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100）

0 引言

近期，美國(guó)X-51A、HTV-2及先進(jìn)高超聲速武器 （Advanced Hypersonic Weapon，AHW）陸續(xù)進(jìn)行飛行試驗(yàn)，引發(fā)了研究者對(duì)高超聲速飛行器應(yīng)用、前景和相關(guān)技術(shù)發(fā)展的極大關(guān)注。本文對(duì)美國(guó)典型高超聲速飛行器及其動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀、發(fā)展態(tài)勢(shì)及從中可能得到的教益進(jìn)行分析，供相關(guān)人員參考。

1 典型高超飛行器及動(dòng)力技術(shù)發(fā)展歷程簡(jiǎn)要回顧

20世紀(jì)60年代以來(lái)，美國(guó)十分注重高超聲速技術(shù)的研發(fā)，連續(xù)啟動(dòng)多項(xiàng)高超聲速飛行器的立項(xiàng)與研發(fā)。近年來(lái)，X-43A、Hyfly、X-51A、HTV-2和AHW等一系列高超聲速飛行器陸續(xù)開(kāi)展飛行試驗(yàn)，分別、陸續(xù)和不同程度驗(yàn)證高超聲速氣體動(dòng)力學(xué)、飛行器設(shè)計(jì)、制導(dǎo)與控制、熱防護(hù)、材料及動(dòng)力系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，并獲得部分成功，高超聲速飛行器及其動(dòng)力技術(shù)的應(yīng)用前景逐漸清晰，關(guān)鍵技術(shù)逐步突破，工程應(yīng)用日趨接近。

1.1 以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的項(xiàng)目

1.1.1 NASP和Hyper-X

NASP計(jì)劃源于美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）1982-1985年期間開(kāi)展的 Copper Canyon（銅谷）項(xiàng)目，主要內(nèi)容之一就是驗(yàn)證以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為主體的吸氣式組合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)。1989-1990年，普惠公司和洛克達(dá)因公司分別試驗(yàn)了全尺寸和1/4尺寸的NASP計(jì)劃中的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)[1-2]，地面模擬速度分別達(dá)到Ma 6.0和Ma 7.0。1994年11月，因技術(shù)和資金等原因，尤其是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)遲遲得不到突破，NASP計(jì)劃被迫取消。后續(xù)的Hyper-X計(jì)劃主要研究并演示用于高超聲速飛機(jī)和可重復(fù)使用天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)及一體化設(shè)計(jì)技術(shù)[3]。X-43A（圖1）是其最早的演示飛行器，動(dòng)力系統(tǒng)為氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。2004年3月24日和12月16日，X-43A的兩次飛行試驗(yàn)均獲成功，飛行馬赫數(shù)分別達(dá)到Ma 7.0和Ma 9.8，成為世界上速度最快的吸氣式飛行器。

1.1.2 X-51A驗(yàn)證機(jī)與Robust Scramjet計(jì)劃

X-51A（圖2）驗(yàn)證機(jī)可以看作NASP計(jì)劃和高超聲速技術(shù) (HyTech)計(jì)劃的延續(xù)，源于空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）在2003年開(kāi)展的“吸熱式碳?xì)淙剂蠜_壓發(fā)動(dòng)機(jī)飛行驗(yàn)證機(jī)”（EFSEFD）計(jì)劃，此計(jì)劃后改稱為“超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)-乘波機(jī)”（SED-WR）[4]。X-51A驗(yàn)證機(jī)機(jī)體采用乘波體構(gòu)型，使用JP-7為燃料的SJX61系列超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其中SJX61-2（簡(jiǎn)稱X-2）采用全權(quán)限數(shù)字式發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)和閉環(huán)熱管理系統(tǒng)。

X-51A驗(yàn)證機(jī)首飛于2010年5月26日，采用的SJY61-4超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)用乙烯，再轉(zhuǎn)換到JP-7。飛行中，因發(fā)動(dòng)機(jī)密封失效，工作140 s（預(yù)期300 s），飛行試驗(yàn)部分成功。2011年6月13日，第二次飛行試驗(yàn)因發(fā)動(dòng)機(jī)而失敗。

此外，2003年，波音在AFRL資助下，起動(dòng)了“穩(wěn)健的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)”（Robust Scramjet）計(jì)劃，目的之一是為X-51B研制一種熱力喉道沖壓（TTRJ）發(fā)動(dòng)機(jī)。ATK公司為其研制的ATRJ-51-4發(fā)動(dòng)機(jī)采用了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的亞聲速燃燒室，不僅避免了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)較為復(fù)雜的燃油控制系統(tǒng)，且無(wú)需對(duì)燃油進(jìn)行熱平衡，實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行。X-51B驗(yàn)證機(jī)飛行速度相比X-51A較慢，為Ma 4～5.5，但飛行高度更高，且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，同時(shí)，其采用的JP-10密度比JP-7高，飛行距離更遠(yuǎn)。

1.1.3 Hyfly計(jì)劃

Hyfly計(jì)劃的目標(biāo)是驗(yàn)證以雙燃燒室沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)（DCR）為動(dòng)力的高超聲速導(dǎo)彈技術(shù)[6-7]。DCR發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)點(diǎn)，約有25%的空氣流量通過(guò)旋流和導(dǎo)流通道流入亞聲速燃燒室，而其中約1/4的空氣通過(guò)旋流通道強(qiáng)迫旋轉(zhuǎn)后進(jìn)一步減速，與霧化的燃料形成適合于點(diǎn)火的最佳油氣比混合氣，其余3/4的空氣則從導(dǎo)流通道進(jìn)入與碳?xì)淙剂匣旌铣筛挥突旌蠚?，點(diǎn)燃并保持穩(wěn)定燃燒，未完全燃燒的混合氣經(jīng)收斂通道膨脹到超聲速狀態(tài)，進(jìn)入超聲速燃燒室。與此同時(shí)，大約75%的空氣流過(guò)收斂通道，加速到超聲速后，進(jìn)入到超聲速燃燒室內(nèi)與超聲速的富油混合氣均勻摻混，實(shí)現(xiàn)完全燃燒。這樣，DCR發(fā)動(dòng)機(jī)就可實(shí)現(xiàn)較大范圍穩(wěn)定燃燒，獲得Ma 3～6范圍的高性能。2007年9月25日，Hyfly首飛，因發(fā)動(dòng)機(jī)燃油控制系統(tǒng)軟件發(fā)生故障，導(dǎo)致飛行失敗；2008年1月16日，Hyfly第二次飛行，因高壓、高溫燃料系統(tǒng)泄漏再次失?。?010年7月29日，Hyfly第三次飛行試驗(yàn)，飛行控制軟件問(wèn)題致使飛行又一次失敗。

Hyfly三次飛行試驗(yàn)失敗，原因均在發(fā)動(dòng)機(jī)輔件系統(tǒng)，與DCR發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒組織技術(shù)并無(wú)關(guān)聯(lián)。未來(lái)，美國(guó)海軍有可能自籌資金，繼續(xù)開(kāi)展Hyfly導(dǎo)彈的試驗(yàn)研究工作。

1.2 以組合發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的項(xiàng)目

在高超聲速飛行器技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，美國(guó)一直在進(jìn)行組合發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是火箭沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作。NASP計(jì)劃之后，其組合發(fā)動(dòng)機(jī)研究大體可分為以下幾個(gè)階段。

1.2.1 ISTP計(jì)劃

1999 年NASA提出綜合航天運(yùn)輸計(jì)劃（Integrated Space Transportation Plan，ISTP)，其中設(shè)想的第三代可重復(fù)使用運(yùn)載器Spaceliner 100[8]以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)基組合循環(huán)（RBCC）為主。此階段，Aerojet公司的Strutjet（支板引射）火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和Rocketdyne公司的A5發(fā)動(dòng)機(jī)最受關(guān)注。

1）Strutjet發(fā)動(dòng)機(jī)[9-11]

Strutjet發(fā)動(dòng)機(jī)采用矩形流道，從前到后依次分為進(jìn)氣道、燃燒室和噴管三部分，突出特點(diǎn)是進(jìn)氣道/二次燃燒室/噴管一體化、模塊化設(shè)計(jì)思路，采用矩形流道以減少飛行器阻力。三種循環(huán)方式在同一流道中接替工作，平穩(wěn)轉(zhuǎn)換。針對(duì)軍事用途，采用凝膠紅發(fā)煙硝酸/甲基肼推進(jìn)劑組合；針對(duì)未來(lái)運(yùn)載器，采用LOX/LH2組合，推進(jìn)劑供應(yīng)均用泵壓式系統(tǒng)。Aerojet公司制定了一個(gè)完整的試驗(yàn)計(jì)劃，對(duì)整個(gè)飛行軌跡內(nèi)的工作模態(tài)進(jìn)行了上千次試驗(yàn)，獲得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和研究成果，驗(yàn)證了支板噴射發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性。

2）A5發(fā)動(dòng)機(jī)[12]

A5發(fā)動(dòng)機(jī) （圖3）采用LOX/LH2推進(jìn)劑，發(fā)動(dòng)機(jī)的海平面推力為111.16 kN，海平面比沖約為3 500 s；火箭發(fā)動(dòng)機(jī)海平面推力2 669 N，海平面比沖大于400 s。發(fā)動(dòng)機(jī)采用全固定式流道，一次火箭位于隔離段出口上下兩側(cè)，使用流向渦混合技術(shù)加強(qiáng)燃料與空氣的混合，主動(dòng)冷卻燃燒室。

截至2000年，A5的模型發(fā)動(dòng)機(jī)已進(jìn)行了82次試驗(yàn)，累計(jì)工作時(shí)間超過(guò) 3 600 s，并于2000年在 GASL成功進(jìn)行了模擬實(shí)際飛行狀態(tài)下的引射到亞燃模態(tài)過(guò)渡試驗(yàn)。

2002年，新版ISTP將原計(jì)劃的二代和三代RLV計(jì)劃合為“航天發(fā)射倡議” (Space Launch Initiative，SLI)，其第三階段計(jì)劃（下一代發(fā)射技術(shù)（NGLT））計(jì)劃中，進(jìn)行火箭沖壓組合循環(huán)和渦輪組合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)研究。NGLT發(fā)射系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域主要分為飛行器系統(tǒng)研究和飛行演示器兩個(gè)方面。前者包括基礎(chǔ)飛行器系統(tǒng)，如機(jī)體結(jié)構(gòu)、材料和熱保護(hù)系統(tǒng)；后者繼承了前期Hyper-X計(jì)劃的主要研究成果，包括X-43A、B、C、D和大尺寸可重復(fù)使用演示器 (LSRD)5個(gè)飛行演示器。其中X-43A兩次飛行均獲得成功。X-43B（即可重復(fù)使用組合循環(huán)飛行演示器、RCCFD)目的是演示亞燃到超燃的推進(jìn)模式，探索工作包線，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性。ISTAR（Integrated System Test of an Air-breathing Rocket）是X-43B的動(dòng)力系統(tǒng)，它以Strutjet發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，用JP-7/H2O2作為推進(jìn)劑，在Ma 0.7～7.0范圍內(nèi)演示引射增益火箭、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作模態(tài)，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)接力點(diǎn)為Ma 2.5，Ma5時(shí)轉(zhuǎn)為超燃。X-43C用于演示驗(yàn)證碳?xì)淙剂侠鋮s雙模超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的飛行器在Ma 5.0～7.0范圍穩(wěn)定和機(jī)動(dòng)飛行時(shí)的性能，發(fā)動(dòng)機(jī)從亞燃到超燃組合模式轉(zhuǎn)換、吸氣式高超聲速飛行器在有動(dòng)力和無(wú)動(dòng)力飛行時(shí)的飛行特性等。X-43D是全尺寸演示器形成前用于降低風(fēng)險(xiǎn)的演示器，采用可工作在Ma15的氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。大尺寸可重復(fù)使用演示器 (LSRD)則是一臺(tái)完全集成推進(jìn)和飛行器技術(shù)的可重復(fù)使用演示器。2004年3月，由于NASA工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)向“星座”計(jì)劃，試驗(yàn)被取消。

1.2.2 CCEC計(jì)劃

CCEC（Combined Cycle Engine Components）是美空軍開(kāi)展的組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)組件計(jì)劃，目的在于對(duì)RBCC和TBCC用于兩級(jí)入軌飛行器效果進(jìn)行評(píng)估。CCEC計(jì)劃對(duì)采用RBCC+Rocket、垂直起飛/水平降落的兩級(jí)入軌軍用空天飛機(jī)（Sentinel）（圖4a）和采用TBCC+Rocket、水平起飛/水平降落的兩級(jí)入軌空天飛機(jī)（Quicksat）（圖4b）方案進(jìn)行了比較全面的評(píng)估。

評(píng)估結(jié)果表明：垂直起飛需要大推力的動(dòng)力裝置，在Ma 2.0以前，RBCC動(dòng)力系統(tǒng)不能提供足夠的推力，比沖性能也達(dá)不到要求。水平起飛要求的推力小，但加速時(shí)間長(zhǎng)，消耗燃料多。返場(chǎng)距離大，需要攜帶的返場(chǎng)燃料多，經(jīng)濟(jì)性較差。針對(duì)水平起飛飛行器的研究表明，在有效載荷均為9 072 kg、運(yùn)送到185.2 km圓軌道的情況下，以RBCC為一級(jí)動(dòng)力裝置的水平起飛兩級(jí)入軌飛行器（TSTO）起飛重量最大，是采用TBCC或渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的HTHL飛行器起飛重量的5～6倍，這一結(jié)論為DARPA和空軍共同開(kāi)展的FALCON計(jì)劃遠(yuǎn)期目標(biāo)中的高超聲速武器系統(tǒng)（HSW）采用TBCC作為一級(jí)動(dòng)力提供了理論依據(jù)。

1.2.3 FALCON計(jì)劃

FALCON（Force Application and Launch from the Continental，獵鷹）計(jì)劃 （圖5）旨在驗(yàn)證空間快速發(fā)射、全球范圍內(nèi)的快速運(yùn)輸和打擊，目標(biāo)是高超聲速武器系統(tǒng)（Hypersonic Weapon System,HWS），由美國(guó)DARPA和空軍共同招標(biāo)開(kāi)展。2005年，“獵鷹”聯(lián)合項(xiàng)目辦公室對(duì)計(jì)劃內(nèi)容和進(jìn)度進(jìn)行了調(diào)整，取消與武器相關(guān)的飛行試驗(yàn)，將高超音速武器系統(tǒng)HWS更改為高超音速技術(shù)飛行器HTV (Hypersonic Technology Vehicle)；原908 kg的小型載荷-通用氣動(dòng)飛行器(Common Aerothermodynamic Shell Vehicle，CAV)更名為高超聲速技術(shù)驗(yàn)證樣機(jī)1號(hào)（Hypersonic Technology Testbed Vehicle 1，HTV-1）；增強(qiáng)型CAV(E-CAV)更名為HTV-2；高超聲速巡航飛行器（Hypersonic Cruise Vehicle HCV）驗(yàn)證機(jī)更名為HTV-3。

HTV-1和HTV-2均為無(wú)動(dòng)力飛行器。2010年4月22日，HTV-2首次升空，在大氣層外與火箭分離，其速度超過(guò)了Ma 20，但火箭起飛后9分鐘，HTV-2的遙測(cè)數(shù)據(jù)中斷，隨后飛行器與地面失去聯(lián)系。2011年8月，HTV-2再次發(fā)射，當(dāng)進(jìn)入滑翔階段之后，與監(jiān)測(cè)站失去了聯(lián)系。2010年12月，洛克希德馬丁公司已經(jīng)完成HTV-3X演示飛行器的方案設(shè)計(jì)，據(jù)報(bào)道，該公司正在進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)推進(jìn)系統(tǒng)的縮比試驗(yàn)。

1.2.4 FAST計(jì)劃

繼CCEC計(jì)劃之后，美空軍在完全可重復(fù)使用進(jìn)入太空技術(shù)（Fully Reusable Access to Space Technologies，F(xiàn)AST）的計(jì)劃下分別對(duì)以Turbo，Rocket，TBCC，RBCC為動(dòng)力裝置的兩級(jí)入軌（TSTO）飛行器（圖6）在體積和空載質(zhì)量等方面進(jìn)行分析，結(jié)果表明：對(duì)常規(guī)的運(yùn)載類任務(wù)和軌道交會(huì)對(duì)接任務(wù)，以Rocket+RBCC為動(dòng)力的垂直起飛水平著陸（VTHL）TSTO飛行器為最優(yōu)方案。就水平起飛水平著陸（HTHL）飛行器而言，Turbo+RBCC或TBCC+RBCC較優(yōu)。美國(guó)防部2008年度發(fā)布的高超聲速飛行器發(fā)展路線圖就明確提出了以可重復(fù)使用渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)或TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)為第一級(jí)動(dòng)力、可重復(fù)使用RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)為第二級(jí)動(dòng)力的TSTO飛行器發(fā)展計(jì)劃，使美國(guó)空間進(jìn)入能力由一次性垂直“按計(jì)劃發(fā)射”轉(zhuǎn)換到像飛機(jī)一樣的“按要求發(fā)射”。2008年，美國(guó)空軍委托Astrox公司對(duì)二級(jí)入軌 (TSTO)飛行器的構(gòu)型進(jìn)行了比較。其研究表明，在8種TSTO飛行器中，一級(jí)為可重復(fù)使用LOX/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)為一次性使用的RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)射系統(tǒng)全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量最優(yōu)。

2010年5 月，美國(guó)空軍發(fā)布《技術(shù)地平線：2010至2030空軍科技發(fā)展愿景》 （Technology Horizons--A Vision for Air Force Science&Technology During 2010-2030），該計(jì)劃將一級(jí)采用可重復(fù)使用火箭，二級(jí)采用火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的高超聲速空間飛行器作為TSTO飛行器。

2 美國(guó)高超飛行器技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)分析

2.1 高超飛行器技術(shù)始終作為國(guó)家航空航天發(fā)展的重要方向

70年代至今，美國(guó)高超聲速飛行器計(jì)劃的大體發(fā)展歷程如圖7所示，主要可分為三條主線：①NASA主導(dǎo)的著重于可重復(fù)使用空天飛機(jī)計(jì)劃，由此導(dǎo)致的氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研究從1982年到2004年持續(xù)了22年。②美國(guó)空軍主導(dǎo)的高超聲速飛行器系列計(jì)劃，從1995年啟動(dòng)Hytech計(jì)劃至2010年X-51A首飛部分成功，持續(xù)了15年。特別是2001年，當(dāng)普惠公司在研制中遇到重大難題時(shí)，面對(duì)DARPA和海軍項(xiàng)目終止的不利局面，空軍堅(jiān)決支持普惠公司的高超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)研究更是X-51A能夠成功首飛的關(guān)鍵。③海軍主導(dǎo)的高超聲速導(dǎo)彈應(yīng)用背景計(jì)劃，動(dòng)力系統(tǒng)采用軸對(duì)稱雙燃燒室沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)劑為JP-10。以JP-10為燃料的軸對(duì)稱雙燃燒室沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)從1977年研究至今，已持續(xù)了34年。三十多年來(lái)，高超聲速飛行器從概念研究、技術(shù)突破并走出實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)進(jìn)入技術(shù)驗(yàn)證階段。在技術(shù)研究過(guò)程中，盡管有項(xiàng)目更替，各部門研究側(cè)重點(diǎn)也各不相同，但高超聲速飛行器項(xiàng)目的發(fā)展目標(biāo)都十分明確，基礎(chǔ)技術(shù)研究更是從未停止。美國(guó)高超聲速飛行器發(fā)展歷程見(jiàn)圖7。

2.2 技術(shù)方案與具體應(yīng)用密切相關(guān)

1）NASA主導(dǎo)的 Copper Canyon，NASP和Hyper-X計(jì)劃，對(duì)應(yīng)的飛行器為X-30/X-43A，著重于可重復(fù)使用空天飛機(jī)的技術(shù)驗(yàn)證，采用氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，飛行器為升力體外形。

2）空軍領(lǐng)導(dǎo)的Hytech，ARRMD，SED-WR和X-51A驗(yàn)證機(jī)系列，計(jì)劃均采用二元構(gòu)型碳?xì)淙剂希↗P-7）超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，飛行器采用細(xì)長(zhǎng)的乘波體外形。采用二元構(gòu)型是因?yàn)榭哲姷妮d機(jī)可以提供一定的初始加速度，因此對(duì)飛行器助推的要求相對(duì)較低，而且梯形截面的彈身在低可探測(cè)性和旋轉(zhuǎn)彈倉(cāng)及通用掛架的兼容性方面具有優(yōu)勢(shì)。

3）海軍主要關(guān)注研制一種高超聲速巡航導(dǎo)彈所需的動(dòng)力裝置，期望的是單一用途打擊武器，但對(duì)與部署平臺(tái)的兼容性要求較高。高超聲速巡航導(dǎo)彈必須安裝進(jìn)軍艦的垂直發(fā)射系統(tǒng)和潛艇的發(fā)射筒內(nèi)，或者掛載艦載戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼下，這些作戰(zhàn)使用要求都嚴(yán)格限制了導(dǎo)彈的成本、質(zhì)量、長(zhǎng)度和直徑。所以，希望結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的無(wú)需冷卻和軸對(duì)稱的DCR發(fā)動(dòng)機(jī)用于高超聲速巡航導(dǎo)彈。海軍主導(dǎo)的HWT、HISSM、ARRMD和Hyfly系列計(jì)劃，動(dòng)力系統(tǒng)均采用JP-10為燃料的軸對(duì)稱雙燃燒室沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。另一方面，作戰(zhàn)平臺(tái)的尺度也限制了高超聲速巡航導(dǎo)彈助推器的規(guī)模，導(dǎo)致DCR發(fā)動(dòng)機(jī)的接力馬赫數(shù)降低到約Ma 3.5。

2.3 超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和RBCC始終是動(dòng)力技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)

動(dòng)力技術(shù)是高超聲速飛行器的關(guān)鍵，高超聲速飛行器可采用的動(dòng)力系統(tǒng)包括火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、TBCC和RBCC等?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)可以作為全空域飛行的高超聲速飛行器動(dòng)力系統(tǒng)，但主要問(wèn)題在于比沖低；TBCC飛行高度受限。盡管有X-15和SR-71的成功經(jīng)驗(yàn)，但從高超飛行器項(xiàng)目研發(fā)歷程可見(jiàn)，美國(guó)始終將超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)作為高超飛行器主要?jiǎng)恿夹g(shù)予以研究。

2.4 為降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，采取多方案并行模式

在DARPA、NASA、海軍、空軍開(kāi)展各自的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的同時(shí)，為降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，還分別進(jìn)行了并行技術(shù)方案研究工作。如2001年，ARRMD計(jì)劃因普惠公司遇到在超聲速氣流中無(wú)法維持穩(wěn)定燃燒的重大難題而終止后，美國(guó)空軍和海軍不但分別開(kāi)展了技術(shù)方案完全不同的EFSEFD和Hyfly項(xiàng)目，還分別開(kāi)展Robust Scramjet計(jì)劃和RATTLRS計(jì)劃作為降低難度的備份方案。

3 美國(guó)高超飛行器項(xiàng)目啟示

過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)中，美國(guó)提出的多種高超聲速飛行器和動(dòng)力計(jì)劃立而棄，棄又立，X-43A和X-51A已完成了短時(shí)間飛行，但全面突破高超聲速飛行器與動(dòng)力技術(shù)目標(biāo)尚待時(shí)日，未來(lái)還會(huì)出現(xiàn)種種項(xiàng)目和計(jì)劃的反復(fù)。但畢竟高超聲速吸氣式飛行器已由概念變成了可行。歷覽美國(guó)走過(guò)的道路，我們還是可以得到一些啟示。

3.1 統(tǒng)籌規(guī)劃，充分重視頂層設(shè)計(jì)

無(wú)疑，高超聲速飛行器和動(dòng)力技術(shù)研發(fā)投入大、風(fēng)險(xiǎn)高，卻對(duì)國(guó)家航空航天技術(shù)整體發(fā)展和戰(zhàn)略利益有巨大作用。美國(guó)的高超聲速飛行器和動(dòng)力系統(tǒng)幾次起落均源于國(guó)家戰(zhàn)略的重大調(diào)整。NASP計(jì)劃提出時(shí)，美蘇冷戰(zhàn)尚未結(jié)束，該計(jì)劃與星球大戰(zhàn)相呼應(yīng)，得到里根政府和國(guó)會(huì)堅(jiān)決支持。布什政府期間，隨著計(jì)劃的發(fā)展，遇到的困難加大，同時(shí)蘇聯(lián)解體導(dǎo)致美國(guó)對(duì)該項(xiàng)目的需求迫切程度下降，行政支持減弱，預(yù)算被減少?？肆诸D政府期間，支持力度進(jìn)一步削弱，最終被取消。而近年來(lái)的高超項(xiàng)目的再次興起無(wú)疑源于美國(guó)當(dāng)前對(duì)保持其全球霸權(quán)的迫切戰(zhàn)略需求。

一個(gè)成功的項(xiàng)目必然是構(gòu)建在明確的任務(wù)需求拉動(dòng)和相關(guān)技術(shù)，尤其是動(dòng)力技術(shù)雄厚積蓄基礎(chǔ)上。美國(guó)高超聲速飛行器項(xiàng)目的屢次下馬均有動(dòng)力技術(shù)的問(wèn)題。軍用的、單次使用高超聲速飛行器項(xiàng)目需求十分明確，因此，空軍和海軍的高超聲速巡航導(dǎo)彈研究開(kāi)展較為深入，甚至進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證飛行試驗(yàn)。而NASA的可重復(fù)使用運(yùn)載器需求模糊不清，導(dǎo)致高超聲速飛行器和動(dòng)力系統(tǒng)研究工作很難進(jìn)行。

高超聲速飛行器與動(dòng)力系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)十分密切，飛行器總體在很大程度上影響乃至決定了動(dòng)力系統(tǒng)的總體方案及其關(guān)鍵技術(shù)。而另一方面，沒(méi)有相關(guān)的動(dòng)力系統(tǒng)基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)的支撐，會(huì)導(dǎo)致總體處于“空中樓閣”的境地。這類項(xiàng)目的研發(fā)思路應(yīng)是在國(guó)家戰(zhàn)略指導(dǎo)，飛行器總體規(guī)劃和牽引下先期開(kāi)展動(dòng)力系統(tǒng)基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)研究。

3.2 持之以恒，確保技術(shù)延續(xù)繼承

隨著國(guó)際國(guó)內(nèi)環(huán)境的改變以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，發(fā)展戰(zhàn)略可能也應(yīng)該及時(shí)調(diào)整，但某些動(dòng)力系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，尤其是影響國(guó)家未來(lái)技術(shù)發(fā)展的重大基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)給予持續(xù)不斷的支持。美國(guó)近些年的高超聲速飛行器技術(shù)發(fā)展（見(jiàn)表1）恰能從正反兩方面說(shuō)明此問(wèn)題的重要性。

表1 美國(guó)航天計(jì)劃的發(fā)展情況Tab.1 Development synopsis of American space plan

自“航天飛機(jī)”項(xiàng)目完成之后，美國(guó)4個(gè)大型航天項(xiàng)目（NASP、X-33、ISTP和星座計(jì)劃）都未獲得圓滿成功。這些計(jì)劃持續(xù)時(shí)間從5年到9年不等，缺乏連貫性，NASP計(jì)劃和ISTP計(jì)劃是吸氣式動(dòng)力為主，而X-33和星座計(jì)劃，則采用了相對(duì)成熟的火箭動(dòng)力。這些計(jì)劃的交錯(cuò)進(jìn)行，無(wú)疑對(duì)美國(guó)高超聲速技術(shù)持續(xù)性發(fā)展產(chǎn)生了不利影響。高超聲速飛行器動(dòng)力和組合動(dòng)力作為一項(xiàng)革新性新技術(shù)，從概念研究、技術(shù)突破并走出實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)進(jìn)入到技術(shù)驗(yàn)證階段。但既是這樣，十幾年，也許數(shù)十年之后，我們才能看到它帶來(lái)的巨大影響和作用，動(dòng)力系統(tǒng)研究工作必須著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)、持之以恒。

3.3 加強(qiáng)基礎(chǔ)，注重關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

美國(guó)高超聲速飛行器動(dòng)力和組合動(dòng)力的研究已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)十年的研究，陸續(xù)突破高超聲速涉及的氣體動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力系統(tǒng)與飛行器的一體化、控制與制導(dǎo)、超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等重大技術(shù)難題，X-43A和X-51A陸續(xù)獲得成功。就超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)而言，超音速條件下碳?xì)淙剂系狞c(diǎn)火與穩(wěn)定燃燒、吸熱型碳?xì)淙剂霞夹g(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生足夠推力、超燃下的壓力振蕩等技術(shù)難題陸續(xù)取得重大進(jìn)展。但X-51A飛行實(shí)驗(yàn)表明，進(jìn)氣道、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)與模態(tài)轉(zhuǎn)換尚待繼續(xù)研究。Strutjet和A5發(fā)動(dòng)機(jī)盡管進(jìn)行了地面試驗(yàn)，但尚未進(jìn)行飛行實(shí)驗(yàn)，也即，一些重要關(guān)鍵技術(shù)并未得到必須的驗(yàn)證。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和組合發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)仍非常重要。

3.4 動(dòng)力先行，研究設(shè)備首當(dāng)其沖

高超聲速技術(shù)研發(fā)在很大程度上依賴于實(shí)驗(yàn)條件。動(dòng)力先行，必須設(shè)備先行。必須要有適當(dāng)規(guī)模、配套齊全、相當(dāng)技術(shù)水平的地面研究設(shè)施，包括高焓風(fēng)洞、發(fā)動(dòng)機(jī)直連實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、燃油供應(yīng)與控制系統(tǒng)及必要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)量與流場(chǎng)顯示設(shè)施。

3.5 集智攻關(guān)，充分發(fā)揮專業(yè)優(yōu)勢(shì)

高超聲速動(dòng)力技術(shù)涉及推進(jìn)劑、氣動(dòng)、燃燒、熱結(jié)構(gòu)、材料和工藝等多種專業(yè)，科研院所和大專院校在理論研究和工程研制方面各有所長(zhǎng)。超燃沖壓和RBCC動(dòng)力系統(tǒng)研究研制既不能“全面開(kāi)花”、“各自為戰(zhàn)”，也不能“唯我一家”，應(yīng)發(fā)揮各自的專業(yè)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)和集智攻關(guān)是我們最佳選擇。關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)對(duì)總體方案提供支撐，而基礎(chǔ)研究應(yīng)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)提供支撐。

4 結(jié)束語(yǔ)

能夠預(yù)見(jiàn)，使用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和組合動(dòng)力系統(tǒng)的高超聲速飛行器將是人類遠(yuǎn)程高速到達(dá)的發(fā)展途徑。盡管高超聲速技術(shù)仍然面臨許多技術(shù)問(wèn)題，發(fā)展過(guò)程中會(huì)遇到這樣那樣的困難和挫折，但相信人類追求進(jìn)步的步伐不會(huì)停止。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)使飛行器在大氣層內(nèi)以高超聲速巡航變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)；RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)將使飛行器在臨近空間領(lǐng)域以高超聲速機(jī)動(dòng)巡航成為可能。

就迄今為止的發(fā)展史來(lái)看，對(duì)基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)研究不足，高估當(dāng)時(shí)技術(shù)基礎(chǔ)儲(chǔ)備，低估可能面臨的問(wèn)題，可能會(huì)使項(xiàng)目規(guī)劃、進(jìn)度和經(jīng)費(fèi)等諸方面出現(xiàn)不合理，最終導(dǎo)致無(wú)法完全實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。反之，看好未來(lái)，沒(méi)有較多“貪心”，“小步快跑”可能會(huì)產(chǎn)生更好的效果。

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