美國的高超聲速計劃

2013年5月1日，x-51A高超聲速飛行器進行了第四次試飛。飛行距離超過426千米，并獲得了370秒的飛行數據。這次試驗雖然比前三次的結果好，但仍未達到預期目標。

近年來，美國進行了一系列高超聲速飛行器的飛行試驗。試驗飛行器的種類很多，試驗結果有成功，有失敗，或成敗參半?？傮w上，美國的高超聲速計劃留給人們的印象是重要、復雜和多變。要了解美國的高超聲速計劃的發(fā)展思路和起伏變化，就必須從其發(fā)展歷史說起。美國高超聲速計劃的起伏與調整

高超聲速飛行器可泛指在大氣層中馬赫數大于5的飛行器。美國的高超聲速計劃已經走過了半個多世紀。早在上世紀40年代，我國著名科學家錢學森在美國就對高超聲速飛行的基本理論進行了研究。60年代初，美國的×-15用火箭發(fā)動機實現了首次高超聲速飛行（飛行M數大于5.3）。在這以后，美國轉而關注利用吸氣式發(fā)動機的高超聲速飛行，開展了超燃沖壓發(fā)動機等關鍵技術的研究，掀起了第一個高潮。由于難度太大，不久之后，研究工作幾乎停頓。在美國設計航天飛機時，仍決定采用較成熟的火箭發(fā)動機。直到1986年，美國航宇局（NASA）決定上馬單級入軌的空天飛機（NASP）計劃，被人們稱之謂“高超聲速的復蘇”。這個計劃在花出30億美元資金后，在1995年下馬。失敗的主要原因是方案過于先進；超燃沖壓發(fā)動機技術還不成熟；所需資金過大而無法承擔；過分依賴于計算流體力學的計算，對地面試驗和飛行試驗重視不夠等。在這之后，NASA認真吸取了教訓，繼續(xù)執(zhí)行了一項規(guī)模較小的飛行演示驗證的Hyper-X計劃，其目的是擴展將來可以軍民兩用的高超聲速技術基礎。它的第一個無人高超聲速驗證機就是X-43A。

X-43A的飛行試驗雖然成功，但其飛行馬赫數是固定不變的（7或10）。由于其技術水平仍與實現空天飛機的距離甚遠，NASA果斷放棄了后續(xù)的以空天飛機為目標的X-43B和X-43C計劃，轉入了基礎研究。

2001年，NASA和美國國防部就聯合提出了“國家航空航天倡議”（NAI）。在這個倡議中，重點討論了采用吸氣式發(fā)動機在大氣層中進行高超聲速巡航飛行的技術。該倡議建議美國發(fā)展吸氣式高超聲速飛行器分三步走：近期致力于高超聲速巡航導彈，中期集中于發(fā)展高超聲速轟炸機，遠期瞄準重復使用的航天運載器。與此同時，美國空軍、海軍都進行了以高超聲速巡航導彈為背景的驗證機研制。

2007年，美國國防部為了整合美軍的高超聲速研究、發(fā)展、試驗和評估（RDTE）活動，并便于與NASA協(xié)調，成立了高超聲速技術聯合辦公室。2008年2月，美國國防部向美國國會遞交了《國防部高超聲速計劃路線圖》。在這個文件中，美軍擴大了高超聲速技術的定義。新的定義是：使大氣層高超聲速機動飛行成為可能的技術。由此計劃發(fā)生了重大轉折，不僅包括吸氣式高超聲速巡航飛行的技術，而且擴展到包括采用火箭發(fā)動機和組合發(fā)動機在大氣層中進行高超聲速機動飛行的技術，采取了“兩邊下注”的策略。

上述路線圖進一步明確了美軍的高超聲速計劃的目的，是為美軍提供三項未來的作戰(zhàn)能力：打擊/持久作戰(zhàn)能力；空中優(yōu)勢/防御能力；快速進入空間能力。這個路線圖對這三方面，都提出了由一系列技術產品支撐的路線。這些技術產品包括了本文所討論的各種試驗飛行器。除此之外，還列出了試驗與設備資源的路線圖和基礎研究的路線圖。

吸氣式高超聲速飛行試驗

X-43A是一個3.66米長的無人高超聲速驗證機。它采用升力體構形、氫燃料雙模態(tài)（亞聲速/超聲速）燃燒；中壓發(fā)動機，機身和發(fā)動機采用一體化設計。驗證機由B-52飛機投放的“飛馬”火箭的第一級來助推。2001年6月2日，在加州愛德華茲空軍基地進行了X-43A的首次試飛，由于助推火箭偏航自爆，試驗宣告失敗。2004年3月27日進行了第二次試飛。在助推火箭的推動下，飛到3萬米的高空，此后靠自身的采用氫為燃料的超燃沖壓發(fā)動機，飛行約6分鐘后，墜入了太平洋。在飛行中，X-43A的飛行M數達到6.83。2004年11月16日進行了第三次試飛?！帮w馬”火箭將X-43A推至大約33，5千米的高空，飛行M數達到9.65。兩次飛行超燃沖壓發(fā)動機工作僅10秒～11秒。從而，x-43A為人類實現高超聲飛行，跨出了艱難的第一步。

美國空軍在完成HyTech（1995～2002）計劃的基礎上，推動了一個采用碳氫燃料的超燃燒沖壓發(fā)動機的飛行驗證器（X-51A）計劃。該項目由波音公司、普惠公司和美國空軍研究實驗室共同研制，其飛行M數將達到6～7。驗證器為乘波外形，長7.9米，重1810千克。X-51A沿用了X-43A時采用過的雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機。

2010年5月26日，X-51A進行了的第一次飛行試驗。B-52從愛德華茲空軍基地起飛，爬升到15千米高空，馬赫數為0.8時，釋放了由助推器和驗證機組成的組合體。大約4秒后，助推器按照預定程序點火，將X-51A驗證機，助推到M數4.8。隨后，X-51A驗證機與助推器、級間段分離，按照預定程序，成功地完成了一個平緩的180度滾轉機動。在這一過程中，X-51A將進氣口從上方位置改變?yōu)楦共课恢?，飛行速度略微降低到馬赫數4.73。隨后，超燃沖壓發(fā)動機先點燃乙烯，然后過渡到JP-7碳氫燃料的點火、燃燒。接著，X-51A開始逐步加速。此時遙測數據表明，加速度略低于設計值，而且發(fā)動機艙后部的溫度明顯高于設計值。通過監(jiān)測數據發(fā)現，X-51A開始減速，并且遙測信號丟失，于是下令終止試飛，飛行器啟動了自毀程序。結果，超燃沖壓發(fā)動機只工作了143秒，并未達到預期的300秒時間，最大M數只達到4.87。美軍主管X-51A的美國空軍研究實驗室（ANRL）認為，在結束試驗前30秒，噴管前的密封失效而導致發(fā)動機推力減少。

2011年6月13日，×-51A又進行的第二次飛行試驗。在飛行中由于超燃沖壓發(fā)動機的進氣道未能正常啟動，飛行試驗被迫提早終止。在操控人員的控制下，飛行器濺落到加利福尼亞沿海。

2012年8月14日，X-51A的第三次試飛又宣告失敗。在當天的試驗中，助推火箭順利點火，但在飛行16秒后，飛行器上一個平衡尾翼出現問題，導致其超聲速燃燒沖壓發(fā)動機無法成功點火，飛行器很快失去控制，墜入太平洋。

今年5月1日X-51A進行了第四次試飛。這次試驗前根據前三次飛行試驗的教訓，對飛行器進行了多項改進。組合體在固體火箭的推進下飛行。當飛行M數達到4.8時，X-51A與固體火箭脫離，并點燃了雙模態(tài)沖壓發(fā)動機。在240秒之內，發(fā)動機內的燃料就已耗盡，最大飛行M數達到5.1。然后，X-51A又滑行了幾分鐘，按照預定的計劃墜毀在太平洋中。X-51A在這次飛行試驗中的飛行距離超過了426千米，并獲得了370秒的飛行數據。這次試驗比前三次的結果雖好，但并未達到預期目標。X-51A的飛行試驗原定的目標是飛行馬赫數達到6～6.5，發(fā)動機工作時間達到300秒。假若用了如此復雜的超燃沖壓發(fā)動機，只能達到現在這個試驗結果，那么，只用固體火箭發(fā)動機就能達到，或用簡單可靠的亞燃沖壓發(fā)動機，也可得到類似的結果，

美國海軍的高超聲速飛行試驗計劃進展也很不順利。2001年，美國國防高級研究計劃局（DARPA）和海軍研究辦公室聯合開展了“高超聲速飛行驗證計劃（HyFly）”。美國ATK公司為HyFly制造了與X-43A和X-51A的雙模態(tài)發(fā)動機完全不同，但使用碳氫燃料的雙燃燒室沖壓發(fā)動機。2005年8月、2008年1月和2010年7月，HyFly的連續(xù)三次飛行試驗，均因出現故障而宣告失敗。第一次為燃油系統(tǒng)出現故障，第二次為燃油泵故障，第三次是助推器沒有成功點火。

可以預測，在X-51A完成第四次飛行試驗后，美國的吸氣式高超聲速計劃將進行調整。

高超聲速助推滑翔飛行試驗

2002年，DARPA提出了“兵力運用與從本土發(fā)射（FALCON）”計劃，也稱獵鷹計劃。獵鷹計劃近期目標是研制一次性小型運載火箭（SLV）和通用氣動飛行器（CAV），使用SLV把CAV發(fā)射到亞軌道并再入大氣層后，通過高升阻比的氣動外形，進行長時間的大距離滑翔，并具備大范圍機動的能力。2004年美國國會審議獵鷹計劃時，通過了預算撥款但取消了獵鷹計劃中的武器部分，規(guī)定不能用于武器化的CAV開發(fā)，也禁止使用陸基或是潛射彈道導彈發(fā)射CAV。在這之后，CAV改名為高超聲速技術飛行器（HTV）。HTV作為高超音速技術演示和驗證計劃的一部分，著眼于進行在較高的高空，驗證與高超聲速飛行相關的技術，如高超聲速空氣動力學、長時間高超聲速飛行的防熱技術、高超聲飛行下的制導、導航與控制技術等。在計劃的執(zhí)行過程中，HTV-1、HTV-3相繼被撤消，只有由洛克希德馬丁公司的臭鼬團隊研制的HTV-2飛行器，進行了兩次飛行試驗。

HTV-2使用優(yōu)化設計的乘波外形以提高升阻比。它在防熱上在其外部采用了低燒蝕的碳一碳復合材料，配合一系列隔熱措施，來確保內部的常溫環(huán)境。2010年4月，在加州范登堡空軍基地，進行了獵鷹HTV-2首次飛行試驗，用“米諾陶”-4運載火箭將HTV-2送至預定分離點，HTV-2在飛行M數超過2時與火箭上面級分離，但在發(fā)射9分鐘后，與地面控制站就失去了聯系，試驗宣告失敗。2010年末，DARPA公布了獨立的工程審查委員會對HTV-2的調查結果，指出首飛失控最可能的原因是偏航超出預期，并同時耦合滾轉，這些異?，F象，超出了姿態(tài)控制系統(tǒng)的調節(jié)能力，導致飛行器墜毀。2011年8月13日，又進行了“HTV-2”的第二次試飛，但HTV-2在升空大約半小時后，便與地面失去聯系，試飛再次宣告失敗。DARPA對事故分析后表示，高超聲速飛行導致飛行器大部分外殼損毀。研制者推測，部分外殼因局部燒蝕損壞后，快速形成的損傷區(qū)在飛行器周圍，產生了意料之外的強大激波，導致飛行器的飛行迅速終止。

美國DARPA已經決定不再進行HTV-2的第三次試驗。2012年7月，DARPA發(fā)布了綜合高超聲速（IH）計劃招標公告，提出發(fā)展更先進的高超聲速飛行器系列。該計劃是一項綜合性高超聲速發(fā)展計劃，著眼于未來快速全球打擊、控制空間，以及遠程力量投送和時敏目標打擊等作戰(zhàn)意圖，兼顧了多個技術發(fā)展方向。計劃首次進行“高超聲速滑翔飛行器（HGV）”的飛行試驗，將采用較尖的頭錐和翼前緣，其升阻比要比HTV-2高出20%。為了減小飛行器在再入時的氣動加熱，計劃將發(fā)展新的助推火箭，讓飛行器能較平滑地進入滑翔軌道。在控制上，則要采用已在X-37B上成功應用的魯棒控制技術。在這基礎上，這個計劃還將進一步要進行全尺寸的“Hypersonic-X”飛行器的試驗。

在美國陸軍航天與導彈防御司令部/美國陸軍戰(zhàn)略司令部成功地完成“先進高超聲速武器”（AHW）首次飛行試驗前，幾乎無人知道這個項目。AHw項目由上述兩個司令部在亞拉巴馬州亨茨維爾建立的項目辦公室管理和實施。助推器系統(tǒng)和高超聲速滑翔體（HGB）。均由位于新墨西哥州阿伯克基的桑迪亞國家實驗室研制，防熱系統(tǒng)由位于亞拉巴馬州亨茨維爾的美國陸軍航空與導彈開發(fā)與工程中心研制。助推器系統(tǒng)是一個名為戰(zhàn)略目標系統(tǒng)的三級火箭。它的第一級和第二級部采用“北極星”A3發(fā)動機，第三級采用ORBUS 1A發(fā)動機。HGB采用帶有小翼的錐形設計。它的內部設計成適合于安裝有效載荷。2011年11月17日，AHW在位于夏威夷州考艾島的太平洋導彈靶場發(fā)射升空，成功地擊中距離發(fā)射場大約3700千米，位于太平洋夸賈林環(huán)礁的美國陸軍里根試驗場的目標。這次試飛的目的，主要是搜集高超聲速助推滑翔飛行器的數據，重點考核了用于該滑翔飛行器的三項技術：空氣動力；制導、導航與控制和熱防護。

根據這次飛行試驗成功后媒體的報道，估計AHW可在35分鐘飛行時間內飛行6000千米，精度可小于10米。它的HGB可在全球范圍內中程投送非核的常規(guī)有效載荷。這種武器一旦投入使用，計劃首先裝備在關島，將對中國造成威脅。

2010年7月，DARPA推出了“弧光”遠程高超聲速導彈計劃。按照設想，這種新型導彈主要由導彈助推器和高超聲速滑翔飛行器兩部分組成。導彈助推器采用現役“標準”一3型導彈的助推器，而高超聲速滑翔器則可攜帶500千克—1000千克的有效載荷，能在30分鐘之內對3800千米以外的時間敏感目標實施打擊。2011年4月，美國國防部宣布暫停這個計劃。

小型無人航天飛機飛行試驗

2010年4月22日，美軍的小型無人航天飛機X-37B的第一架軌道試驗飛行器（OTV-1），在卡納維拉爾角空軍基地，由“宇宙神”一5火箭將其發(fā)射入軌。同年12月3日結束任務返航，總共在軌飛行225天。在軌期間曾進行了多次的重大變軌。在OTV-1返回著陸接地時，它的主起落架左機輪輪胎爆裂，但仍準確地沿著跑道中心線滑跑，也成功驗證了其自主控制系統(tǒng)的完整性和健壯性。

2011年3月5日，×-37B的第二架軌道試驗飛行器（OTV-2）成功發(fā)射入軌，并于2012年6月16日凌晨，在加利福尼亞州的范登堡空軍基地，悄悄地順利著陸返回。它在軌飛行長達469天，進行了一系列軌道器技術和有效載荷的試驗。2012年12月11日從卡納維拉爾角空軍基地第三次成功發(fā)射。執(zhí)行本次任務的X-37B與2010年發(fā)射的為同一架。

×-37B的飛行試驗結果表明，它選擇的構型是成功的。在總結了“哥倫比亞”號失事的教訓后，它回到了X-20的火箭頂推式，從而避免了外部燃料箱的隔熱泡沫塑料，會打壞軌道器防熱瓦的問題。它的氣動外形，雖然也采用航天飛機的雙三角機翼，但機身頭部的鈍度更大。它將原來航天飛機的中央垂直尾翼（舵）改為兩個側垂尾翼（舵）。這樣，既改善了X-37B的偏航性能，而且縮小了全機的高度，使其在機身底部安裝減速板后，仍可以放入整流罩內。雖然美國在研制X-37B時，可以參考美國在研制航天飛機的大量數據，但為了正確預測X-37B的氣動性能和熱環(huán)境，它仍在各類風洞中吹風約6000小時。

在X-37B第一次成功返回地面后，美國空軍負責航天項目的副部長理查德·麥肯尼說：“這架飛行器旨在驗證材料和能力，把多項實驗送入太空，并將其帶回地面檢驗這些技術。”美國空軍多次聲稱，X-37B是一個純粹且單純的試驗飛行器。用于驗證技術和能力，但飛行器上的實驗和項目預算仍然保密。由于X-37B的有效載荷很小，估計它只能完成部分偵察有效載荷的試驗任務。其偵察功能相當于美國空軍于1965年開始的非回收的空間試驗計劃（Air Force Space Test Program）中的試驗型偵察衛(wèi)星的功能。

X-37B飛行試驗的另一目的是要驗證重復使用軌道器本身的關鍵技術，包括防熱系統(tǒng)，高溫結構與密封，可重復使用的隔熱技術，先進的制導、導航與控制，航空電子系統(tǒng)，自主返回著陸技術，空間機動技術以及先進的太陽能電池等。

X-37B雖然比航天飛機小了許多，但是由于它的頭部和機翼前緣的鈍度增大，在再入時的氣動熱環(huán)境，仍和航天飛機類似，頭部和前緣的最高溫度約為1627℃，大面積的最高溫度約為1316℃。它的防熱材料采用了美國已經發(fā)展得較成熟的第二代防熱材料。頭部和前緣采用了由NASAAmes研究中心研制的韌化的整體纖維的抗氧化的復合材料（TUFROC），它比增強碳碳材料（RCC）更輕，但可以做得更厚、傳熱過程更慢而抗氧化性能更強。在大面積上采用了韌化的整體纖維的絕熱材料（TUFI）。此外，作為試驗，在舵面上局部還使用了碳/碳化硅的防熱材料。由于X-37B采用了較先進的防熱系統(tǒng)，不僅大大提高了它在再入大氣層時的安全性，而且大大減少了防熱系統(tǒng)在地面維護和修理的工作量，從而縮短再次發(fā)射所需的準備時間。