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    高超声速与空天飞行器技术前景研究

    时间:2020-12-10 08:02:08 来源:雅意学习网 本文已影响 雅意学习网手机站


      摘 要:更高的速度和更高的高度是人类永远的追求,“空天一体”战略的提出将使传统的空天之间的界限不复存在,更使先进的高超声速与空天飞行器成为必需。目前,高超声速飞行器已成为各航空航天大国努力研究的对象,更被认为是“继作战飞机和核武器后又一个改变战争游戏规则的革命性产物”。本文对高超声速飞行技术多年来的发展探索及未来发展进行了介绍和分析。
      关键词:高超声速 空天飞行器 空天一体
      中图分类号:TJ760 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2017)11(a)-0076-03
      高超声速飞行器是指大气层内飞行马赫数在5以上的飞行器。20世纪50年代末以来,以火箭发动机为动力的高超声速技术已广泛用于各种战术和战略导弹、航天器等。受限于火箭发动机较低的比冲,这类飞行器飞行时间有限且很不稳定,现在各国均着力于研制新型的以吸气喷气发动机为动力的高超声速飞行器,也被称为临近空间飞行器或空天飞行器。近年来,包括我国在内的各军事与航天强国均在高超声速方面有较大投入和成果,高超声速技术可能将成为下一次技术革命的主角。
      1 各国高超声速与空天飞行器技术发展现状
      1.1 美国
      美国是最早开始发展高超声速飞行器技术的国家之一。早在1950年,美国军方就启动了旨在研制出高超声速轰炸机和侦察机的“超级盗贼”项目,后演变为著名的SR-71“黑鸟”超声速侦察机。同期进行的还有X-15高超声速验证机项目等。1985年美国启动国家空天飞机(NASP)计划,获得了Ma>8情况下的超燃冲压发动机设计技术,建立了高超声速气动数据库[1];后启动了Hyper-X计划,于2004年成功试飞X-43A高超声速飞行器,实现了Ma9.68的喷气式飞机速度纪录;2010年又成功试飞X-51高超声速飞行器,实现了在18288m高度以Ma5.1连续动力稳定飞行200s的目标;还与包括前苏联在内的多国合作开展高超声速相关研究。其拥有多个先进的高超声速研发和试验设施,可进行高速下的发动机燃烧和空气动力试验。在相关的工程实践、经验数据积累等方面处于世界前列。
      1.2 前苏联/俄罗斯
      前苏联的高超声速技术研究几乎与美国同期开始,由于保密,公开资料很少。已知的项目包括米格-105“螺旋”空天战斗机计划和著名的“暴风雪”航天飞机等。苏联解体后,俄罗斯除与美国合作进行“冷”项目之外,还独立进行了“彩虹”“针”和“射手”等高超声速飞行器项目并多次在航展上展出概念设计。试验设施方面,中央航空发动机研究院有一台具备Ma7气流速度下模拟试验能力的大型试车台,其水平仍处于世界前列。
      1.3 日本
      日本无法将高超声速技术用于军事方面,但仍较为重视其在民用方面的应用。其研究起源于20世纪80年代末,目前正计划与美国或欧洲合作研制6马赫级别的高超声速客机,其国内的研究设施包括一座Ma4-8的大型高超声速发动机试车台和大型高温激波风洞。
      1.4 中国
      中国是这方面的后起之秀。具体研发项目公开资料很少,但在高超声速技术应用方面处于世界前列,是世界上唯一公开确认组合式涡轮冲压发动机进入原型机试飞阶段[2]的国家。中国也有研发使用高超声速技术的空天飞机计划,并计划在2025—2030年进行飞行试验。还有连续旋转爆轰发动机等先进技术,在试验设施方面具备多座大型如JF12、FD21和M4-7等高超声速风洞。总体水平与美俄并驾齐驱。
      2 高超声速与空天飞行器发展概况
      2.1 一次性高超声速飞行器
      包括采用高超声速技术的弹道导弹、巡航导弹等和一次性使用的验证机,飞行方式有助推滑翔式和动力滑翔式等,是目前各国试验和使用最多的高超声速飞行器/武器。
      (1)美国。
      美国试验过多种一次性高超声速飞行器,其中最富有代表性的是Hyper-X计划和空军HyTECH计划中的吸气式动力验证机X-43A和X-51A,以及国防部高级研究计划局(DARPA)的HTV-2助推滑翔试验飞行器。
      (2)俄罗斯。
      已知的项目包括类似美国X-43和X-51的“针”“彩虹”项目。公开程度较多的是GLL-31“射手”高超声速飞行器。此外,還与印度合作研发“布拉莫斯”II高超声速巡航导弹。
      (3)中国。
      项目保密程度较高。2014年1月,美国防部探测到中国进行类似于HTV-2的高超声速助推滑翔飞行器飞行试验并称之为WU-14,中国官方随后予以承认。根据美方监测数据,共进行过7次试飞,全部取得圆满成功,且已有实际应用案例,据称东风-26反舰导弹就装备了类似WU-14的助推滑翔机动弹头,具备Ma7速度下40°大攻角的极强高超声速机动能力。中国还进行过类似于“冷”项目的超燃冲压发动机试验。
      (4)欧盟各国。
      欧盟各主要发达国家均较重视高超声速技术,尤以航空工业实力雄厚的法国最突出。其研究计划制定于1992年,主要项目包括“浅黄”超燃冲压发动机和“普罗米修斯”高超声速巡航导弹。还与美国SR-72同期研制类似的无人高超声速侦察机。实用成果包括ASMP空射核巡航导弹。英国则侧重于空天飞机,先后提出过布里斯托尔188、霍托尔号、桑格尔号和正在研制中的云霄塔等多个方案。
      2.2 多次使用高超声速/空天飞行器
      指使用高超声速技术的飞机等可在完成任务后返回的飞行器。目前这类飞行器均处在研制阶段,已正式开始研发的只有美国的SR-72无人高超声速侦察机。中国也在研制被称为“腾云工程”的两级高超声速空天飞机,并有公开论文称发动机将于年内开始试车。英国则在研发“云霄塔”空天飞机以及衍生型A2高超声速客机。日本也在与欧洲合作设计高超声速客机并计划在此基础上研发空天飞机。
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