一、高超音速飛行器表面溫度分布

當(dāng)飛行器以高超音速在大氣中飛行時(shí)，氣動(dòng)加熱嚴(yán)重。當(dāng)飛行速度達(dá)到8馬赫時(shí)，飛行器的頭錐部位溫度可達(dá)1800℃，其它部位的溫度也將在600℃以上。因此設(shè)計(jì)合適的熱載荷管理系統(tǒng)成為必須。此前的太空“穿梭”航天器，航天飛機(jī)的熱效應(yīng)主要是集中在升空和再入階段，時(shí)間相對(duì)有限，在熱防護(hù)上是以隔離為主，機(jī)體材料可選余地較大。但高超音速飛行器在大氣層內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間飛行，摩擦熱集中在機(jī)體的前端和翼面前緣，氣動(dòng)加熱持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)比航天器要長(zhǎng)，若沒(méi)有有效的溫度控制手段將無(wú)法保證結(jié)構(gòu)安全，也無(wú)法保證機(jī)體內(nèi)部設(shè)備的工作環(huán)境。對(duì)于熱防護(hù)首先就是材料的選擇，選用長(zhǎng)壽命、耐高溫、抗腐蝕、高強(qiáng)度、低密度的輕質(zhì)材料。目前研制的和可能采用的新材料主要有輕金屬材料、金屬基復(fù)合材料、聚合物基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳-碳復(fù)合材料等。

只不過(guò)高超音速飛行器，與空氣的摩擦熱量實(shí)在是太大，對(duì)飛行器的材料與結(jié)構(gòu)的選擇實(shí)在是巨大難題。機(jī)體材料很可能因溫度的飆升發(fā)生著膨脹形變，加之機(jī)體內(nèi)不同材料的膨脹系數(shù)不同，形變程度又有著差別。這細(xì)微的形變隨之可能引發(fā)高速飛行的飛行器的氣動(dòng)控制的改變、機(jī)體的振動(dòng)乃至解體。目前在美國(guó)多數(shù)高超音速飛行器的頭部多采用鎢基材料，但這種較高價(jià)值的金屬材料，隨之引發(fā)的就是成本的居高不下，對(duì)于未來(lái)的武器化、大范圍的裝備又會(huì)是不小的障礙。對(duì)于層出不窮的復(fù)合材料，在新材料的設(shè)計(jì)與加工都還有這加工難度的問(wèn)題，就像在美國(guó)“獵鷹”的試驗(yàn)計(jì)劃中多次推遲的原因就有碳基殼體材料出現(xiàn)了剝離問(wèn)題，研制人員不得不改進(jìn)工藝來(lái)使材料更易制造和性能穩(wěn)定。

在基礎(chǔ)材料之外，高超音速飛行器還必須在飛行器的總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮熱防護(hù)因素，采用主動(dòng)降溫技術(shù)措施。比如，在X-51A上，不僅有著結(jié)構(gòu)熱防護(hù)措施，又將燃料作為結(jié)構(gòu)散熱的載體，在熱交換器內(nèi)流動(dòng)后帶走發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱的作用。在高溫段吸熱后的燃料裂解成低分子產(chǎn)物，循環(huán)到超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)后更適合工作要求。消耗，利用燃料循環(huán)系統(tǒng)作為外殼持續(xù)降溫的手段。正是隔熱層、耐熱結(jié)構(gòu)材料，降低熱流，減少熱應(yīng)力、熱傳送和熱冷卻等多項(xiàng)措施的全面綜合采用，才有熱防護(hù)問(wèn)題的解決可能，才有飛行器向高超音速的沖刺。

二、美國(guó)高超音速飛行器型號(hào)簡(jiǎn)介

X-43

X-43系列高超音速飛機(jī)是美國(guó)航空航天總署秘密研制的無(wú)人駕駛飛機(jī)，看上去很像一塊漂亮的沖浪板。1996年開始研制。2004年第二次試飛成功，并突破7倍音速。

美國(guó)航天局在加利福尼亞當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月16日，成功地進(jìn)行了無(wú)人駕駛的高超音速試驗(yàn)飛機(jī)X-43A飛行試驗(yàn)。X-43A試驗(yàn)飛機(jī)飛上了太平洋上空，飛行速度為每小時(shí)1萬(wàn)多公里，此時(shí)飛行馬赫數(shù)為9.6，即飛行速度為音速的9.6倍，從而打破了一架同樣型號(hào)的X-43A試驗(yàn)飛機(jī)創(chuàng)造的馬赫數(shù)為7的紀(jì)錄，再次創(chuàng)造了飛機(jī)飛行最高飛行速度紀(jì)錄。當(dāng)?shù)貢r(shí)間昨天下午，X-43A試驗(yàn)飛機(jī)在加利福尼亞州洛杉磯北部沙漠中愛(ài)德華空軍基地被一架改型的B-52飛機(jī)運(yùn)載到1.2萬(wàn)米的高空，在這個(gè)高度它脫離母機(jī)，啟動(dòng)自己的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，加速到每小時(shí)1萬(wàn)多公里的速度,沖到3.35萬(wàn)米高空。

美國(guó)航天局的X-43A計(jì)劃目標(biāo)是制造能到達(dá)地球大氣層邊緣的飛機(jī)，計(jì)劃的研制周期為8年，研究預(yù)算為2.3億美元。計(jì)劃中的主要研制目標(biāo)就是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，科學(xué)家認(rèn)為這是為實(shí)現(xiàn)研制出能接近地球大氣層邊緣的飛機(jī)這一目的最安全和便宜的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，因?yàn)檫@種發(fā)動(dòng)機(jī)能將空氣中的氧氣吸進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中，而一般的航空發(fā)動(dòng)機(jī)需要自帶氧化劑，從而增加燃料重量。

X-51

X-51A是美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）與國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）聯(lián)合主持研制的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)——乘波飛行器（SED-WR，Scramjet Engine Demonstrator-Waverider）。它由 波音公司與普拉特·惠特尼（簡(jiǎn)稱普惠）公司共同開發(fā)，由一臺(tái)JP-7碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)，設(shè)計(jì)飛行馬赫數(shù)在6～6.5之間。這個(gè)計(jì)劃的終極目標(biāo)就是要發(fā)展一種比美國(guó)原武器庫(kù)中任何一種導(dǎo)彈的速度都要快5倍以上，可以在1小時(shí)內(nèi)攻擊地球任意位置目標(biāo)的新武器。

x-51a

X-51A（又名：“乘波者”），為美國(guó)軍方最新研發(fā)的實(shí)驗(yàn)型高超音速飛行器。美國(guó)X-51A型高超音速飛行器成功完成最后一次試飛。此前，“乘波者”共進(jìn)行過(guò)三次試飛，均未能實(shí)現(xiàn)以6倍音速飛行300秒的初始計(jì)劃。X-51A超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)將應(yīng)用到其他領(lǐng)域，比如研發(fā)可一小時(shí)內(nèi)攻擊全球任一目標(biāo)的武器。

HTV

除了研發(fā)X-51A外，美國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）還有HTV計(jì)劃，但是其在2011年8月的測(cè)試中墜毀，工程師希望其能達(dá)到20馬赫的飛行速度。2011年進(jìn)行的HTV任務(wù)歷時(shí)9分鐘，但是飛行器只進(jìn)行了大約3分鐘的可控飛行，它與X-51A相比，HTV并沒(méi)有配備吸氣式的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

B-3

美國(guó)飛機(jī)研制專家正精心設(shè)計(jì)一種能以5倍音速飛行的高超音速隱形戰(zhàn)略轟炸機(jī)B-3，在2030年左右替代時(shí)下的B-2隱形轟炸機(jī)，獨(dú)霸新世紀(jì)的天空。設(shè)計(jì)中的B-3隱形戰(zhàn)略轟炸機(jī)的作戰(zhàn)能力將不同凡響，主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：驚人的高超音速遠(yuǎn)程飛行能力，可在1小時(shí)之內(nèi)轟炸世界任何地點(diǎn)；力求最佳的隱形效果；強(qiáng)大的攻擊能力，其載彈量將達(dá)到或超過(guò)B-52的水平，因此它將成為轟炸機(jī)中的“大哥大”。

SR-91

“曙光女神”高超音速戰(zhàn)略偵察機(jī)

國(guó)別：美國(guó)

類型：偵察機(jī)

型號(hào)：“極光”/“曙光女神

研制單位： 保密未公開 造價(jià)：研發(fā)費(fèi)用大約為44億到80億美元，購(gòu)買24架大約還要100億到240億美元

現(xiàn)狀： 保密未公開

“曙光女神”高超音速偵察機(jī)(Aurora)，又名“極光”，據(jù)稱其正式編號(hào)為CP-140或SR-91 ，是美國(guó)續(xù)SR-71“黑鳥”戰(zhàn)略偵察機(jī)之后新一代戰(zhàn)略偵察機(jī)。盡管美國(guó)官方一再否認(rèn)該機(jī)的存在，但有越來(lái)越多的證據(jù)表明該機(jī)已存在多年，只是美國(guó)軍方的保密工作做得極好，如同當(dāng)年的B-2。

SR-72

SR-72偵察機(jī)臨界鷹戰(zhàn)略隱身多用途飛機(jī)（ENGLISH：Lockheed Martin SR-72）是由美國(guó)洛克希德·馬丁公司于2007年提出的新型戰(zhàn)略隱身多用途飛機(jī)概念，該型機(jī)本身涵蓋完整的偵察系統(tǒng)并可攜帶在超高至臨界空域的新型武器，集情報(bào)收集、偵察、監(jiān)控、打擊等諸多功能為一體。

SR-72高超音速無(wú)人偵察機(jī)主要用于取代上世紀(jì)70年代研制的SR-71“黑鳥”高速高空偵察機(jī)，其最高飛行速度將達(dá)到驚人的馬赫數(shù)6(也就是聲音速度的6倍)，是SR-71高速高空偵察機(jī)最大飛行速度的兩倍，是目前第四代戰(zhàn)斗機(jī)最大飛行速度的三倍，甚至其飛行速度比一些常見(jiàn)的導(dǎo)彈還要快，堪稱人類制造的“最快飛機(jī)”。因?yàn)槠渌俣葍?yōu)勢(shì)，高超音速飛行器對(duì)21世紀(jì)防空系統(tǒng)的壓力極大，一些著名的地空導(dǎo)彈，如美國(guó)的“愛(ài)國(guó)者”、俄羅斯的S-400和中國(guó)的紅旗-9甚至無(wú)法追上這種飛機(jī)，從而無(wú)法攔截和擊落它[2]。

XS-1

英國(guó)《簡(jiǎn)氏防務(wù)周刊》網(wǎng)站7月31日發(fā)表題為《五角大樓用于發(fā)射衛(wèi)星的無(wú)人機(jī)進(jìn)入研發(fā)新階段》的報(bào)道稱，根據(jù)7月28日的一份聲明，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局日前根據(jù)合同變更條款，向波音公司追加了660萬(wàn)美元，以繼續(xù)研發(fā)XS-1試驗(yàn)型太空飛機(jī)。

該項(xiàng)目旨在研發(fā)一種可重復(fù)使用的無(wú)人發(fā)射器，其成本、操作方式和可靠性與現(xiàn)代飛機(jī)類似，能將3000至5000磅（1磅約合0.454千克）的小型載荷衛(wèi)星送入低地球軌道。

可重復(fù)使用的第一級(jí)能夠在亞軌道高度作高超音速飛行。當(dāng)達(dá)到適當(dāng)?shù)乃俣群透叨群?，一個(gè)或多個(gè)一次性的其他級(jí)將與第一級(jí)分離，并將小型衛(wèi)星送入低地球軌道。之后，可重復(fù)使用的第一級(jí)將返回地球，為下次飛行做準(zhǔn)備。

美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局在聲明中稱，在1B階段，波音公司負(fù)責(zé)研發(fā)XS-1的展示概念和核心技術(shù)。加上1B階段的投入，迄今波音公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)獲得的經(jīng)費(fèi)總額已經(jīng)從1000萬(wàn)美元增加到1660萬(wàn)美元。其中波音公司提供了600萬(wàn)美元，其余部分由美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局提供。預(yù)計(jì)1B階段的工作將于2016年8月之前完成。

高級(jí)研究項(xiàng)目局計(jì)劃明年舉行第二階段競(jìng)賽，以決定哪支團(tuán)隊(duì)獲得制造XS-1的合同并進(jìn)行展示飛行。

X-37B

X-37B空天戰(zhàn)斗機(jī)是由美國(guó)波音公司研制的無(wú)人且可重復(fù)使用的太空飛機(jī)，由火箭發(fā)射進(jìn)入太空，是第一架既能在地球衛(wèi)星軌道上飛行、又能進(jìn)入大氣層的航空器，同時(shí)結(jié)束任務(wù)后還能自動(dòng)返回地面，被認(rèn)為是未來(lái)太空戰(zhàn)斗機(jī)的雛形。其最高速度能達(dá)到音速的25倍以上，常規(guī)軍用雷達(dá)技術(shù)無(wú)法捕捉。