聯(lián)合開發(fā)

高超音速技術專業(yè)面廣，技術極為復雜。它又是投資大、技術和經濟風險極高的領域。例如，所需實驗設備少則幾百萬美元，多則數(shù)十億美元。這是世界上任何一個國家不能獨立承受的。本人于1999年在俄羅斯考察時，親眼目睹了歐洲第一、世界第二（第一在美國）C-16高超音速風洞設施的壯觀。但是這類設施使用頻率極低，多處于閑置狀態(tài)，維護費驚人，“買得起馬，配不起鞍”。俄羅斯當時經濟面臨崩潰的邊沿，巨額的高超音速技術研制費用更無從談起，當時尋求外資和出租設備、聯(lián)合開發(fā)是其唯一的選擇。在技術基礎研究領域，哪怕是政見不同，都能夠采用聯(lián)合開發(fā)的形式。高超音速技術研究難度大、耗費驚人，采用聯(lián)合開發(fā)或者租用實驗設備，避免重復投資，是獲取最大經濟效益的最好辦法。俄羅斯、美國、法國以及西歐其他國家就是在高超音速技術研究領域合作開發(fā)的典型代表。

借雞生蛋

上世紀末俄羅斯憑借在沖壓發(fā)動機領域獨占鰲頭的優(yōu)勢，開發(fā)了有許多飛行試驗計劃，重要的飛行試驗計劃有4個：“冷”（Холод）計劃、“鷹”（Орёл，ИГЛА、IGLA）計劃、和“彩虹”-D2（Радуга-д2）計劃試驗計劃?！苞棥爆F(xiàn)在發(fā)展為GLL-VK高超音速試驗計劃。其中有一些項目，尤其一些基礎性研究是與國外合作開發(fā)的。1999年，我們在俄羅斯考察時，俄方設計局就明確表達了希望與中國聯(lián)合開發(fā)的意向。

“冷”計劃 “冷”計劃是俄羅斯最早進行的高超音速技術飛行試驗計劃，由俄羅斯中央航空發(fā)動機研究院（ЦИАМ）與俄羅斯中央空氣流體動力研究院（ЦАГИ）等單位聯(lián)合承擔。

該計劃研制的軸對稱亞/超燃沖壓發(fā)動機是一個自主系統(tǒng)，它包括攜帶氫燃料的亞/超燃沖壓發(fā)動機、燃料監(jiān)控/測量系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)等。發(fā)動機及支架的很多部件均用普通材料制成，進氣道及中心錐、燃燒室和液氫燃料箱由不銹鋼制成；錐尖和整流罩前緣處用鋁-鐵-鉻粉末冶金材料，可承受1200℃以上的高溫。

該試飛器利用已經開始退役的遠程、中高空地對空導彈系統(tǒng)SA-5“甘蒙”（俄羅斯名稱為Bera“維加”，系統(tǒng)代號C-200）中的5B28導彈。5B28導彈拆除戰(zhàn)斗部及無關系統(tǒng)，增加測量設備，發(fā)動機模型安裝在5B28導彈的頭部。

1991—1998年，該軸對稱亞/超燃沖壓發(fā)動機的驗證性飛行試驗共進行過5次：其中第一次為俄羅斯自籌資金開發(fā)試驗；第二、三次為與法國共同研究；第四、五次為與美國NASA合作試驗項目。這5次試驗均是在哈薩克斯坦拜科努爾航天中心附近的靶場進行的，都使用氫燃料。

1991年11月27日，俄羅斯首次進行軸對稱亞/超燃沖壓發(fā)動機模型的系留試驗。在飛行結束時，將試飛器回收（但在后來的試驗中，試飛器并沒有設計成可回收的，在試驗后就損壞了）。這次試驗基本上獲得成功。導彈飛行180千米，飛行時間約為130秒，最大飛行高度達到35千米，彈道非常平坦；最大飛行速度達到1653米/秒，最大飛行馬赫數(shù)為5.6。試驗驗證了發(fā)動機的點火系統(tǒng)，并在最終5秒，發(fā)動機實現(xiàn)了超音速燃燒。

這是世界上首次在飛行試驗中實現(xiàn)了沖壓發(fā)動機從亞音速燃燒模態(tài)到超音速燃燒模態(tài)的轉換。這一事件在現(xiàn)代發(fā)動機技術發(fā)展領域具有重大意義，它標志著超燃沖壓發(fā)動機從地面試驗的理論性研究到了應用開發(fā)階段，更加確立了俄羅斯在這一專業(yè)技術領域的領先地位。試驗成功之后，俄羅斯向西方國家通報了試驗結果。1992年年初美國一家科技刊物報道說，“當我們還在進行理論研究時，俄羅斯人已經在進行飛行試驗了?！鄙鲜兰o90年代中期，美國加速發(fā)展高超音速技術，與這一事件可能有很大關系。

早在1990年年底，俄羅斯航空航天官員就曾訪問了美國NASA的幾個研究中心，其中包括德賴登研究中心。訪問期間俄羅斯就介紹了“冷”計劃的概要，并提出合作開發(fā)的意向。NASA則始終把6.5馬赫超燃發(fā)動機試驗作為追求的目標。最后，俄美終于在1991年11月達成了合作開發(fā)的協(xié)議。

美國與俄羅斯聯(lián)合試驗研究的目的是：驗證基礎理論研究成果；驗證建造的數(shù)學模型、軟件及修正系統(tǒng)；計算推力；增加對飛行試驗復雜性的認識；將兩國的試驗設備與試驗技術水平進行比較。另外，美國認為，本國相同的計劃成本要高得多，該協(xié)議聯(lián)合試驗方式是獲得有價值飛行數(shù)據(jù)的低成本有效方法；而俄羅斯的目的在于利用其設備、場地優(yōu)勢獲得持續(xù)發(fā)展的資金。

1992年11月17日進行了第二次試驗飛行，這是俄羅斯與法國共同進行的試驗。飛行速度為1535米/秒，最大飛行高度為22.4千米，飛行馬赫數(shù)為5.35，亞/超燃發(fā)動機工作時間為41.5秒，克服了第一次試驗中高度控制的問題，實現(xiàn)高度的穩(wěn)定控制。據(jù)俄羅斯報道，第二次試驗是5次發(fā)動機飛行試驗中最為成功的，獲得的數(shù)據(jù)最全。

1995年3月1日進行了第三次試驗，這次與法國合作的試驗是一次失敗的試驗。由于電源系統(tǒng)故障，導彈沒有達到預定點。其飛行速度為1712米/秒，最大高度為30千米，最大飛行馬赫數(shù)為5.8。由于電源出了問題，控制氫燃料的閥門沒有打開，氫燃料未進入到燃燒室，試驗發(fā)動機未點火工作。但是，試驗并未造成災難。

1997年8月1進行了第四次試驗。

1998年2月12日進行了第五次試驗。

第四、五次試驗是俄羅斯中央航空發(fā)動機研究院與美國NASA合作進行的，合同金額為180萬美元。當時NASA曾提出飛行馬赫數(shù)大于6.5，力爭達到7。但是，俄羅斯認為這樣的試驗做不到，即使發(fā)動機可以達到8馬赫，但試飛器不能在這樣條件下飛行，最后試驗要求是6～6.5馬赫。這項合同要求對SA-5試飛器進行改進。SA-5導彈試飛器的翼面積加大了，去掉了與試驗無關的部件以減輕總質量。

NASA的合同要求要重新設計和制造4臺相同的試驗發(fā)動機。美國在對其中的2臺進行結構試驗和測試，后又運回NASA蘭利研究中心，并在2.438米高溫風洞中進行新一輪地面試驗。第三臺發(fā)動機為試驗用發(fā)動機，第四臺為備用發(fā)動機。endprint

由于考慮到軸對稱亞/超燃沖壓發(fā)動機在實際應用時會碰到許多難以克服的困難，所以，俄羅斯中央航空發(fā)動機研究院在完成上述5次飛行試驗后，就宣布“冷”計劃終結。而美國NASA為獲得更全面的試驗數(shù)據(jù)，與該研究院商討繼續(xù)進行飛行試驗事宜。用NASA的錢來豐富自己的成果和數(shù)據(jù)，俄羅斯又何樂而不為呢？一次飛行試驗最早的報價為100萬美元以上，但是俄羅斯現(xiàn)在的要價可不只這些了。

“彩虹”-D2計劃 該計劃是俄羅斯彩虹設計局與中央空氣流體動力研究院共同開發(fā)一個高超音速技術發(fā)展計劃，前者負責飛行試驗器的研制，后者負責超燃沖壓發(fā)動機的研制。后來，德國航空航天公司、德國航空航天研究院、慕尼黑發(fā)動機渦輪聯(lián)合公司也參加了該計劃，并在德國進行的試驗中取得成功。雖然，“彩虹”-D2試飛器在1997年莫斯科航展上進行過公開展出，但是后來對其詳細資料介紹卻很少?！安屎纭?D2試飛器采用彩虹設計局自行研制的AS-4“廚房”遠程戰(zhàn)略空對面導彈（俄羅斯名稱為“風暴”，代號Kh-22）。

從俄羅斯資料來看，“彩虹”-D2的飛行試驗并沒有獨特之處。它在做好技術準備后，由圖-22M3載帶升空，在預定的飛行條件下發(fā)射“彩虹”-D2試飛器；飛行器在程序控制下完成亞/超燃沖壓發(fā)動機的試驗；然后在預定的著陸點用降落傘進行回收。飛行過程中，圖-22M、米-8直升機進行控制飛行，地面站接收遙測信息，米-8直升機將試驗發(fā)動機和測試設備運回進行評估。

“彩虹”-D2試驗飛行器有一個復雜的回收系統(tǒng)。它采用三級降落傘回收，前兩級減速，最后一級是主傘，回收降落。該系統(tǒng)采用全彈回收，試飛器與試驗發(fā)動機不分離。試飛器用后就報廢了，試驗發(fā)動機進行評估和鑒定。彩虹設計局介紹說，回收時頭部先著地，頭部損傷大，試驗發(fā)動機和測試設備則很安全。

彩虹設計局與中央空氣流體動力研究院均表示愿意為國外公司進行高超音速技術的開發(fā)，也愿意為國外用戶進行試驗服務。預計一次飛行試驗的費用在1000萬美元以上。

1995年，彩虹設計局研制的Kh-90高超音速空射巡航導彈首次公開展出，被稱為GELA試飛器。當時已在圖-95轟炸機上進行過多次飛行試驗，飛行試驗為5馬赫。與此同時，俄羅斯機械設計局也在探索10馬赫的高超音速導彈技術，但后來具體資料甚少。

法、俄聯(lián)合開發(fā)的技術成果 從1993年開始，航天馬特拉公司（MBDA）法國公司和法國航空航天研究中心（ONERA）一直和俄羅斯的許多實驗室和學院合作，研究未來高速吸氣式推進系統(tǒng)。尤其是莫斯科航空學院（MAI）和MBDA法國公司開展了富有成果的合作，其中許多項目由法國政府和MBDA法國公司共同投資。

俄羅斯幾乎參與了法國高超音速技術發(fā)展的全過程，它們?yōu)榉▏谶M行的LEA計劃聯(lián)合設計發(fā)動機，并在莫斯科航空學院的試車臺上進行實驗，積累了豐富的經驗。

MBDA法國公司和俄羅斯MAI學員開發(fā)了實驗性的“寬幅雙燃料雙模沖壓發(fā)動機”（WRR）。這種在研的發(fā)動機具有完全可變的幾何形狀，在整個馬赫數(shù)范圍內都保持高性能。它能使可重復使用的空間運載器加速至最低為3馬赫，最高可達12馬赫。

西方國家聯(lián)合開發(fā)計劃

西方國家開展了該領域的廣泛合作，制定了許多發(fā)展計劃，比較重大的有HyShot、HyCause、HiFiRe等，另外還開展了多項基礎技術的專題研究。

HyShot計劃 HyShot是1999年開始啟動的高超音速技術聯(lián)合開發(fā)計劃，由澳大利亞、美國、英國、德國、韓國、日本等國合作進行，目的是對氫燃料超燃沖壓發(fā)動機進行飛行試驗演示驗證。

該計劃進行了大量的地面試驗，包括傳感器響應時間、各部件的結構整體性、振動試驗、沖擊試驗、真空試驗和源碼評估等。最重要的地面發(fā)動機風洞試驗在澳大利亞昆士蘭大學高超音速中心的T-4激波風洞中進行（2004年對該風洞進行了升級，升級后能模擬在30千米高度進行10馬赫的飛行）。

2001年10月30日，HyShot計劃在澳大利亞的武麥拉靶場進行進行首次發(fā)射試驗。所用的超燃沖壓發(fā)動機是澳大利亞昆士蘭大學設計的二維燃燒室發(fā)動機，稱為HyShot-1。但這次試驗中，在超燃沖壓發(fā)動機進入試驗前，運載火箭出現(xiàn)故障，要求達到369千米高度，實際只達到100千米，最終導致試驗失敗。

2002年7月30日，第二次發(fā)射在武麥拉導彈靶場進行，試驗獲得成功。此次試驗受日本航空航天研究開發(fā)機構的委托，用于開發(fā)未來的空間運輸系統(tǒng)，對超燃沖壓發(fā)動機較高的壓力和溫度進行測試，目的是得到真實飛行條件下質量為100千克的超燃沖壓發(fā)動機（采用日本提供的先進燃料噴射器）的試驗數(shù)據(jù)，并用這些數(shù)據(jù)與在日本的地面試驗結果進行比較。

在飛行的最后階段進行了超燃沖壓發(fā)動機試驗。在向地面回落的過程中，超燃沖壓發(fā)動機出現(xiàn)短暫的點火燃燒，速度達到7.6馬赫。澳大利亞聲稱這是世界上超燃沖壓發(fā)動機首次發(fā)射成功（實際上，俄羅斯在1991年首先獲得成功，但俄羅斯使用的是亞/超燃沖壓發(fā)動機）。

2006年3月25日下午1點45分，英國奎奈蒂克公司在武麥拉試驗場進行了HyShot-3發(fā)射，取得成功，耗費100萬英鎊。飛行試驗使用該公司設計的三維燃燒室發(fā)動機。

2006年3月30日進行了HyShot-4發(fā)射，飛行試驗使用的日本超燃沖壓發(fā)動機的質量為100千克，采用了先進的燃料噴注器。

HyShot計劃原定還將進行3次飛行試驗：HyShot-5在高超音速自由飛行的滑翔試驗；HyShot-6在8馬赫條件下的超燃沖壓發(fā)動機推進的自由飛行試驗；HyShot-7在8馬赫條件下由超燃沖壓發(fā)動機推進的持續(xù)飛行。

HiFiRe計劃 2006年11月10日，美國和澳大利亞合作的“高超音速國際飛行研究試驗”（HiFiRe）項目正式啟動，總投資預計為5400萬美元，預定將持續(xù)8年。美、澳雙方的項目牽頭單位分別是美國空軍研究實驗室（AFRL）和澳大利亞國防科學技術機構（DSTO）。endprint

HiFiRe項目計劃將試驗21世紀用于先進超燃沖壓發(fā)動機推進的航天運載火箭和武器中的航空航天技術。該項目的目標是為新型波音X-51超燃沖壓發(fā)動機演示器提供支持，同時為快速響應太空發(fā)射研究和高超音速快速打擊武器建立一個強大的飛行試驗數(shù)據(jù)庫。

該項目以美澳合作的高超音速飛行試驗HyShot-2和HyShot-3為基礎，計劃在2007—2011年之間，在南澳大利亞州的武麥拉試驗場開展10次飛行試驗，這些試驗將收集大于5馬赫高超音速飛行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將構成一個“世界級數(shù)據(jù)組”。

據(jù)最新消息，HiFiRe飛行計劃已經從最初的多達10次縮減至6～8次。Flight-2也將從位于夏威夷的太平洋導彈靶場設施發(fā)射，有些試飛將改在白沙導彈靶場。經過這些變化，澳大利亞參與飛行的程度有所降低，但DSTO稱他們將保持對HIFiRE項目的竭力支持。

HyCAUSE計劃 2004年4月正式啟動的澳大利亞/美國高超音速聯(lián)合試驗（Hypersonic Collaborative Australian/United States Experiment， HyCAUSE）計劃是美國和澳大利亞聯(lián)合進行的一個研究項目，由美國DARPA和澳大利亞DSTO共同負責，美國和澳大利亞的多個研究小組參與了此項計劃。

HyCAUSE項目旨在研究極高速飛行條件下氫燃料超燃沖壓發(fā)動機的性能和可操控性，將地面試驗結果和飛行試驗結果進行對比，研究低成本飛行試驗方法。這一目的是和DARPA的FALCON計劃的遠期目標是一致的。HyCAUSE項目最初在澳大利亞和美國進行了多項地面試驗。

歐盟LARPCAT計劃 2005年春季，歐盟啟動了一項持續(xù)3年的項目，名為“長期先進推進概念和技術”（LAPCAT），為高超音速飛行推進概念研究。歐洲航天局-歐洲航天技術中心聯(lián)合了來自6個歐洲國家的工業(yè)界、研究所以及大學共同參與該項目，由位于荷蘭的歐洲空間研究和技術中心（ESTEC-ESA）負責協(xié)調。研究團隊包括4個工業(yè)界成員、4個研究所成員和4個大學成員。

該項目的目標為：在系統(tǒng)層面上定義高速飛行的需求和工作狀態(tài)；建立針對超音速下的高速氣動高壓燃燒以及流體現(xiàn)象的試驗數(shù)據(jù)庫；通過數(shù)字仿真工具建立并驗證物理模型，從而確定超音速、高壓燃燒、湍流以及轉捩現(xiàn)象；對質量性能渦輪和熱交換器部件的可行性進行研究。

LAPCAT項目希望能夠重新評估超音速運輸機（SST），并且通過采用輕型先進材料突破“和諧”號超音速飛機的材料極限，從而實現(xiàn)4～8倍音速的飛行。LAPCAT項目的初步研究顯示，到目前為止4～5馬赫是可行的，并且有實現(xiàn)8馬赫飛行的潛力。目前，歐洲正在對飛行速度為8馬赫的飛行器進行研究，以確定其性能。

為了實現(xiàn)遠距離飛行，研究人員對超燃沖壓發(fā)動機及組合系統(tǒng)進行了充分的研究，并盡量利用已經取得的渦輪發(fā)動機的成果。設計了兩種分別采用航空煤油和氫燃料作為推進燃料的渦輪-超燃沖壓發(fā)動機，以及在8馬赫狀態(tài)下采用氫助推器實現(xiàn)亞燃到超燃轉換的沖壓發(fā)動機。

SCRAMSPACE計劃 超燃沖壓發(fā)動機進入空間系統(tǒng)（SCRAMSPACE）為澳大利亞昆士蘭大學牽頭、多國聯(lián)合開發(fā)的高超音速技術發(fā)展計劃。該計劃為大型長期計劃，用來規(guī)劃澳大利亞未來20年組合超燃沖壓發(fā)動機的技術發(fā)展，基于這種發(fā)動機的空天飛行器能夠安全、可靠、經濟地進入空間。試驗在武麥拉試驗場進行。

該計劃于2010年啟動。2010—2013年為第一階段，主要進行超燃沖壓發(fā)動機自由飛行試驗，驗證高超音速自由飛行時超燃沖壓發(fā)動機的推力、高溫性能及試驗設備的性能等。澳大利亞已投入經費500萬美元，國際合作單位出資900萬美元。

第一階段，試飛器由S-30“獵戶座”改進型探空火箭助推升空，在離開大氣層時火箭與試飛器分離。試飛器返回時，尾翼展開并鎖定。在滑翔過程中，飛行器在27～32千米的高空、以8馬赫的速度進行試驗。澳大利亞將根據(jù)第一階段的試驗情況制定后續(xù)的研究計劃和研究內容。

SCRAMSPACE是在HyCAUSE 、HiFiRe 、HyShot計劃的基礎上進行的，也得到了德國SHEFEX-2計劃的支持。該計劃充分利用了先前計劃取得的技術成果。所取得的成果將會對歐洲的未來空間運輸系統(tǒng)提供技術支持。

（編輯/萬力）endprint