美國高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)氣動布局演化分析

廖孟豪 李憲開 竇相民

摘要：本文梳理了美國軍方和軍工部門提出的4個高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)概念方案，對比分析了各個概念方案的氣動布局特點(diǎn)，按照時間線總結(jié)分析了兩批概念方案氣動布局的演化特征和方向。分析認(rèn)為，美國高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)氣動布局呈現(xiàn)出提升低速特性、降低內(nèi)外流耦合程度、增加機(jī)身容量等演變方向，為緊密掌握高超聲速飛機(jī)發(fā)展方向提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：高超聲速；作戰(zhàn)飛機(jī)；氣動布局；演化

中圖分類號：V2文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.11.001

高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)是一種顛覆性的航空武器裝備，是作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)展的戰(zhàn)略方向。世界各國都在大力研究高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)技術(shù)，氣動布局就是其中一個重要的研究方向。各國當(dāng)前對于高超聲速巡航飛行器的氣動布局主要關(guān)注點(diǎn)放在了乘波體布局上，這種布局多應(yīng)用于單點(diǎn)巡航的高超聲速巡航導(dǎo)彈，對于高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)的氣動布局特性關(guān)注較少，特別是美國自2003年提出高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)發(fā)展以來，已先后公布了至少4個高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)概念方案。這些方案在氣動外形設(shè)計上發(fā)生了顯著變化，并呈現(xiàn)出逐步收斂的演變趨勢。本文將從啟動布局特性的角度梳理分析美國高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)設(shè)計要求和理念的變化，以深化對高超聲速飛機(jī)發(fā)展方向的理解。

1概念方案及其氣動布局特點(diǎn)

1.1 DARPA/空軍HTV-3X“黑雨燕”方案

美國國防預(yù)先研究計劃局（DARPA）和空軍在2003年聯(lián)合啟動“獵鷹”計劃，首次提出要發(fā)展一型可高超聲速全球快速到達(dá)的高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)，該構(gòu)想最終在2007年催生了HTV-3X“黑雨燕”項(xiàng)目[1-2]，目標(biāo)為研制試飛一型可在馬赫數(shù)Ma6巡航1min的高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)。該項(xiàng)目開展了相關(guān)概念方案研究，并制造了一架低速飛行試驗(yàn)縮比樣機(jī)，以驗(yàn)證其低空低速氣動性能，但最終由于獲批預(yù)算遠(yuǎn)低于預(yù)期，項(xiàng)目在2008年被取消。

HTV-3X驗(yàn)證機(jī)（見圖1）采用渦輪基沖壓組合發(fā)動機(jī)（TBCC）作為動力，其中渦輪發(fā)動機(jī)工作范圍為Ma0～4，沖壓發(fā)動機(jī)為Ma3～6，可從跑道上水平起降[1-2]。其氣動布局特點(diǎn)包括：大后掠角小展弦比邊條翼、主翼展長較小、無平尾、雙傾斜垂尾、機(jī)身扁平和前機(jī)身與進(jìn)氣道內(nèi)外乘波高度一體化設(shè)計。進(jìn)氣道布置在靠近飛機(jī)外側(cè)的機(jī)腹。

1.2波音公司MANTA2025方案

美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室在2010年初公開發(fā)布的一份研究報告首次披露了波音公司名為MANTA 2025（見圖2）的高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)概念方案[3]，詳細(xì)展示了其三視圖以及典型飛行剖面等信息。該方案采用兩臺TBCC發(fā)動機(jī)，最大速度達(dá)到了Ma7，可實(shí)現(xiàn)水平起降，未公布渦輪和沖壓動力詳細(xì)性能。

全機(jī)總體布局非常緊湊，機(jī)身主要布置進(jìn)排氣系統(tǒng)和動力系統(tǒng)，二者占據(jù)全機(jī)大部分空間。采用大后掠凸前緣三角翼無平尾布局，機(jī)翼面積進(jìn)一步減?。徊捎孟騼?nèi)傾斜的雙垂尾，全機(jī)僅4塊舵面（兩塊升降副翼、兩塊方向舵）。進(jìn)氣道布置在前機(jī)身側(cè)下方，與機(jī)頭和前機(jī)身側(cè)面高度耦合，采用大膨脹比單邊膨脹噴管。TBCC組合發(fā)動機(jī)采用了渦輪與沖壓水平布置、左右并聯(lián)的布局方式。

1.3洛馬公司SR-72方案

2013年，洛馬公司首度披露了SR-72高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)概念方案及其發(fā)展計劃[4]（見圖3）。該機(jī)可作為SR-71“黑鳥”高空高速偵察機(jī)的后繼機(jī)，主要用于反介入/區(qū)域拒止環(huán)境下的突防和區(qū)域情報、監(jiān)視與偵察任務(wù)，并具備對地面目標(biāo)實(shí)施打擊的能力。

SR-72高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)全長超過30m，最大速度為Ma6，最大航程與SR-71相當(dāng)（約5400km），采用兩臺并聯(lián)式TBCC發(fā)動機(jī)（即高速渦輪發(fā)動機(jī)與亞燃-超燃雙模態(tài)沖壓發(fā)動機(jī)并聯(lián)），其中渦輪發(fā)動機(jī)的最大工作速度將超過Ma3，沖壓發(fā)動機(jī)工作范圍為Ma3～6[4]。

SR-72采用了更近于常規(guī)高速飛機(jī)的布局，采用大后掠角邊條、大后掠角無尾三角翼、翼身融合和單垂尾外形。飛機(jī)前體下部可在高速時為進(jìn)氣道來流提供壓縮，機(jī)身設(shè)計有凸出的脊背延伸至機(jī)身后段，脊背區(qū)主要用于布置油箱，邊條和三角翼可兼顧低速起降和高超聲速巡航升力的需求；兩個推進(jìn)系統(tǒng)艙布置在機(jī)身靠近內(nèi)側(cè)的位置，其進(jìn)氣道大幅后放，始于邊條翼下中部。

1.4波音公司2018年新方案

2018年1月，波音公司在美國航空航天學(xué)會2018年度科技研討及展覽會上首次公開展出了高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)概念方案模型（見圖4），并現(xiàn)場披露了相關(guān)概念方案及研制計劃等信息[5]。波音公司披露，該方案瞄準(zhǔn)的背景型號是未來高速打擊和偵察飛機(jī)，計劃研制一型SR-71偵察機(jī)大小、采用兩臺TBCC發(fā)動機(jī)的高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)。波音公司未披露該方案的任何指標(biāo)，只透露最大飛行速度可超過Ma5。

采用大后掠雙三角翼無尾加雙垂尾布局，機(jī)身有明顯的細(xì)長型凸起脊背，機(jī)腹平坦，兩側(cè)有明顯的棱線型大后掠邊條。采用兩臺TBCC發(fā)動機(jī)，二者共用進(jìn)氣道和尾噴管。兩臺TBCC發(fā)動機(jī)并排緊密布置在機(jī)腹中央，TBCC內(nèi)部則沿用了此前MANTA2025采用的渦輪發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)左右并聯(lián)的布置方式，但推測渦輪和沖壓等動力單元的具體方案都發(fā)生了變化。內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道采用了凸出的中間隔板設(shè)計，進(jìn)氣道的位置剛好可以捕獲前機(jī)身在機(jī)頭處產(chǎn)生的激波[5-8]。

2氣動布局演變方向及動因分析

2.1氣動布局演變方向

綜合對比新老兩批概念方案，氣動布局的演變呈現(xiàn)出以下幾個方向。

（1）常規(guī)高速飛機(jī)布局特征增加，乘波體布局特征減少

老方案突出的特點(diǎn)是采用乘波前機(jī)身與乘波進(jìn)氣道耦合設(shè)計，通過內(nèi)、外乘波流流場追蹤前機(jī)身外形和內(nèi)轉(zhuǎn)進(jìn)氣道外形，通過獲得機(jī)身乘波特性，提高寬速域飛行性能，滿足最大速度Ma6～7飛行。而新方案前體與進(jìn)氣道耦合程度降低，前體以近似平面壓縮的形式為進(jìn)氣道提供預(yù)壓縮氣流，機(jī)身只是滿足大容量低阻力設(shè)計要求，通過邊條和機(jī)翼設(shè)計實(shí)現(xiàn)寬速域飛行性能。

（2）前機(jī)身與進(jìn)氣道耦合程度顯著降低

老方案進(jìn)氣道幾乎從機(jī)頭就開始，前機(jī)身與進(jìn)氣道前緣高度融合設(shè)計。而新方案的進(jìn)氣道起始位置大幅后撤至中機(jī)身部位，且全都采用傳統(tǒng)的機(jī)腹進(jìn)氣方式，極大降低了內(nèi)外流的耦合程度，使得飛機(jī)設(shè)計工作更加簡潔高效，同時也大幅提高了飛機(jī)操穩(wěn)的魯棒性，有助于飛機(jī)實(shí)現(xiàn)更多戰(zhàn)術(shù)機(jī)動動作。

（3）機(jī)身容量顯著增加

老方案多采用扁平機(jī)身布局，機(jī)體布置更傾向于利用橫向空間，增加機(jī)身投影面積，更側(cè)重于高速段利用機(jī)身實(shí)現(xiàn)增升。新方案則充分發(fā)展了法向空間，放棄了扁平機(jī)身布局，設(shè)計有明顯的脊背，氣動阻力增大，但機(jī)體容量大幅增加，飛機(jī)載荷能力和實(shí)用性大幅增強(qiáng)。

2.2動因分析

從氣動布局的演變可以看出，隨著研究的不斷深入，美國高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)設(shè)計要求和理念也在不斷調(diào)整和變化，這也在一定程度上反映了高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)的發(fā)展趨勢。

（1）速度指標(biāo)要求顯著降低

2007—2009年的HTV-3X和MANTA2025方案速度指標(biāo)為Ma6～7，2013年提出的SR-72方案降低到了Ma6，到2018年時波音公司更是降低到了Ma5。作為高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)最核心的戰(zhàn)技指標(biāo)，速度要求的不斷降低是氣動布局演變的最直接原因。新方案顯然已經(jīng)不再一味追求速度高，相比老方案舍棄了部分高速氣動性能。當(dāng)然，速度指標(biāo)降低應(yīng)該是綜合權(quán)衡了作戰(zhàn)需求和技術(shù)可行性的結(jié)果，氣動設(shè)計難度只是其中考慮的因素之一。

（2）更加注重低速和跨聲速氣動性能

從Ma3級SR-71飛機(jī)不能滿載起飛來看，對于具備一定武器裝載能力和航程需求的寬速域高超聲速飛機(jī)，低速起降升力與高超聲速飛行升力匹配設(shè)計難點(diǎn)極大，升力設(shè)計把起降狀態(tài)作為設(shè)計點(diǎn)；4種方案都采用并聯(lián)組合動力系統(tǒng)，需求總體容量大，同時跨聲速階段沖壓發(fā)動機(jī)工作，內(nèi)流流動復(fù)雜，導(dǎo)致全機(jī)跨聲速阻力急劇增加，軸向過載極小，正是如此，新方案采用大長細(xì)比脊線機(jī)身、跨聲速面積律修形等設(shè)計，提高跨聲速氣動效率。

（3）降低了動力和熱防護(hù)等技術(shù)難度

新方案大幅改善了低速段氣動性能，顯著降低了對TBCC組合動力中的渦輪發(fā)動機(jī)的壓力。事實(shí)上，美國最早第一批方案準(zhǔn)備采用的是Ma0～4的高速渦輪動力，但截至目前美國也只在地面完成了Ma3.2的小尺寸高速渦輪發(fā)動機(jī)試車，距離Ma4尚有較大差距。因此基于Ma3級的渦輪動力，將飛機(jī)速度降至Ma5+顯然是比較科學(xué)合理的決策。此外，新方案布局大幅減少了外露扁平結(jié)構(gòu)，提供了更多內(nèi)部空間，更有利于飛機(jī)熱防護(hù)、綜合熱管理以及其他機(jī)載系統(tǒng)的設(shè)計。

3結(jié)束語

本文梳理了美國DARPA/空軍、波音公司和洛馬公司自2003年以來公開發(fā)布的HTV-3X等高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)概念方案。分析表明，美國高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)氣動布局向提升低速特性、降低內(nèi)外流耦合程度、增加機(jī)身容量等方向演變，由此進(jìn)一步反映出美國在不斷降低指標(biāo)要求和技術(shù)難度，以顯著增加高超聲速飛機(jī)的可實(shí)現(xiàn)性和實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1]Dr Steven W，Ming T，Sue M. Falcon HTV-3X-A reusable hypersonic test bed[C]// 15th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference，2008.

[2]Ming T，Ramon L C. The quest for hypersonic flight with airbreathing propulsion[C]//15th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference，2008.

[3]The Boeing Company. Predictive capability for hypersonic structural response and life prediction：phase 1-identification of knowledge gaps[Z]. US：AFRL，2010.

[4]SR-72：son of Blackbird [EB/OL].（2013-11-01）. https：// aviationweek. com/Article. aspx？id=/article-xml/awx_11_01_ 2013_p0-632731.xml.

[5]Guy N. Boeing unveils hypersonic‘Son-Of-Blackbirdcontender.[EB/OL].[2018-01-11]. http：//awin. aviationweek. com/Articles Story.aspx？id=6267237e-e466-4c27-be75-cd963a5a6712.

[6]田宏亮.臨近空間高超聲速武器發(fā)展趨勢[J].航空科學(xué)技術(shù)，2018，29（6）：1-6. Tian Hongliang. Development trends of near space hypersonic weapon[J]. Aeronautical Science & Technology， 2018， 29（6）： 1-6.（in Chinese）

[7]劉濟(jì)民，沈伋，常斌，等.乘波體設(shè)計方法研究進(jìn)展[J].航空科學(xué)技術(shù)， 2018，28（4）：1-8. Liu Jimin， Shen Ji， Chang Bin， et al. Development trends of near space hypersonic weapon[J]. Aeronautical Science & Technology， 2018， 28（4）： 1-8.（in Chinese）

[8]王驥飛，蔡晉生.型面漸變內(nèi)收縮進(jìn)氣道設(shè)計方法研究[J].航空科學(xué)技術(shù)， 2017，27（1）：30-35. Wang Jifei，Cai Jinsheng. Research on design of shape morphing inward turning inlet[J]. Aeronautical Science & Technology， 2017， 27（1）： 30-35.（in Chinese）

（責(zé)任編輯王為）

作者簡介

廖孟豪（1985-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：高超聲速飛行器總體論證與情報研究。

Tel：010-57827548

E-mail：liaomhadr@163.com

李憲開（1984-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：高超聲速飛行器氣動設(shè)計研究。

竇相民（1988-）男，碩士，高級工程師。主要研究方向：高超聲速飛行器總體設(shè)計研究。

Evolution Analysis of Aerodynamic Configuration of Hypersonic Military Aircraft in USA

Liao Menghao1，*，Li Xiankai2，4，Dou Xiangmin3，4

1. Chinese Aeronautical Establishment，Beijing 100029，China

2. Yangzhou CIRI，AVIC Shenyang Aircraft Design & Research Institute，Yangzhou 225000，China

3. AVIC Shenyang Aircraft Design & Research Institute，Shenyang 110035，China

4. National University of Defense Technology，Changsha 110035，China

Abstract： The paper reviews all 4 hypersonic military aircraft concepts released publicly by U.S. military departments and industries， contrasts aerodynamic configuration of those concepts， analyses the trends of aerodynamic configuration of U. S. hypersonic military aircraft. It concludes that the developing directions includes improving aerodynamic performance at low speed， reducing coupling degree between the internal and external flow， increasing the airframe volume， etc.， which could help to closely understand the evolution of hypersonic military aircraft.

Key Words： hypersonic； aircraft； aerodynamic configuration； evolution