高超声速飞行总体概念

 

编者按：本文是高超声速飞行推进系统专题文章，给出了高超声速飞行总体概念，确定了适合实现高超声速飞行的两种主要飞行器类型——高超声速滑翔飞行器（HGV）和高超声速巡航导弹（HCM），确定了其飞行可使用火箭发动机或高超声速空气喷气发动机。此外，启动高超声速冲压空气喷气发动机需要较高的初速，这可以通过使用火箭助推器作为第一级来实现。

正文：

追求更高的速度一直是飞机和火箭推进系统的发展动力。对至少5马赫的大气层内飞行速度的需求不断增长，导致出现了所谓的新的高超声速飞行创新性解决方案。

实现5马赫的早期尝试

西方高超声速专家主要以美国宇航局的X-15试验飞机为例，该飞机配备了火箭发动机，早在20世纪60年代就能够达到高超声速飞行。但正是由于其试验性质，它并不能代表有发展前景的高超声速飞行长期解决方案。据称，迄今为止还没有军用飞机或无人驾驶飞行器进行过高超声速飞行。

 

B-52轰炸机机翼下的NASAX-15试验飞机

1986年，美国开始实施一项雄心勃勃的计划，开发能够进入地球轨道的单级航天器（SSTO-单级入轨航天器）--国家空天飞机（NationalAeroSpacePlane，NASP）。作为一个先进技术示范项目，罗克韦尔公司的X-30计划由一个燃烧液氢的内置高超声速冲压式空气喷气发动机提供动力。

当时苏联的答案是图波列夫设计局的图-2000。据推测，图-2000配备一套复杂程度略小的推进系统，由四台涡轮喷气发动机、一台冲压喷气发动机和两台液体火箭发动机组成。这些计划都没有制造出原型机。NASP和图-2000项目都于1993年终止。

 

美国空军研究实验室的图片展示了典型高超声速冲压式空气喷气发动机的布局，以及在超声速气流中保持燃烧的难度

导弹的高超声速飞行

因此，目前只有导弹/火箭能实现高超声速飞行。这种能力水平并不新鲜--早在大约80年前希特勒德国制造的A-4（V-2，又名FAU-2）弹道导弹就实现了接近5马赫的速度。关于俄罗斯声称在2022年3月、4月和5月用高超声速武器攻击乌克兰境内多个目标一事，西方消息人士指出，“使用的是Kh-47M2‘匕首'近程空射弹道导弹，该导弹是9K720‘伊斯坎德尔’陆基导弹（北约代号为SS-26‘石头’）的改型。”他们坚信“匕首”导弹的推进系统和有效载荷与陆基武器相同。

大多数弹道导弹都能达到高超声速，且其弹道是可预测的。新一代高超声速武器将高速与飞行中后期的机动能力相结合。这使它们能够飞得足够低，不遵循可预测的轨迹，并以较高的速度飞行，以避免被导弹防御系统拦截。

高超声速飞行器

高超声速导弹有两种基本形式。较简单的方法是在单级或多级火箭助推器上安装一个或多个非制导高超声速滑翔器（HypersonicGlide Vehicles，HGV）。第二类更复杂的武器是配备空气喷气动力装置的高超声速巡航导弹（HCM）。

顾名思义，高超声速滑翔器的能量全部来自火箭发动机产生的初始脉冲。初始脉冲一旦结束，HGV将开始其下滑（滑翔）阶段。通常情况下，这种飞行器在大约50千米到100多千米的高度从运载火箭上抛射。确定飞行路径的确切高度、速度和角度，使HGV在高层大气中滑行，直至到达目标。

HGV的空气动力外形设计用于在稀薄大气中产生升力，如果飞行器进行机动，升力等于或略大于其重量。当遇到迎面阻力时，能量将开始消散，导致速度逐渐降低，并在缓慢降低的高度上飞行，以便增大的空气密度能够维持所需的升力。

如果需要极远的航程，可在HGV上安装小型火箭发动机或其他推进装置。这将最大限度地减少由于迎面阻力造成的速度损失，并保证更大程度的姿态控制或方向控制。不可避免的是，在这些补充能力、增加的质量和飞行器结构之间需要权衡。

据西方消息源称，“俄罗斯的‘先锋’滑翔体用图解说明了此类系统进入高超声速飞行的最简单方法”——在现有弹道导弹上安装一个或多个滑翔体作为有效载荷。据报道，“先锋”最初被命名为“Yu-71”和“Yu-74”，于2015年或2016年开始飞行试验。在这些早期测试中，滑翔体被安装在UR-100UTTKh洲际弹道导弹（SS-19Mod 3“短剑”）上，并从奥伦堡州的一个基地发射。2016年10月，R-36M2重型洲际弹道导弹（SS-18Mod 5 “撒旦”）从同一平台发射，据消息人士称，这是首次完全成功的试验。

 

带有“先锋”滑翔体的“萨尔马特”导弹系统

“先锋”长5.4米，重约2000千克，可携带核弹头或常规弹头。它被用作UR-100UTTKh、R-36M2和新型RS-28“萨尔马特”洲际弹道导弹的分导式多弹头（MIRV）有效载荷。据西方专家推测，尽管“先锋”没有独立的推进系统，但它能够进行突然的水平和垂直规避机动。其接近目标时的速度约为20-27马赫。

使用现有弹道导弹作为HGV有效载荷的助推器可能是最简单的工程解决方案，允许导弹在必要时进行改装以适应新的角色。朝鲜于2021年9月试射了一枚高超声速有效载荷，其外形与中国产品类似。据信，其是使用朝鲜“火星”-12中程弹道导弹的缩短版发射的。

 

如上所述，高超声速武器有两种主要形式：高超声速滑翔器（HGV）和配备空气喷气式发动机的高超声速巡航导弹（HCM）。

按需求中断推力

对于HGV，最佳解决方案可能是为其安装专门设计的发动机。2021年年中，在美国国防高级研究计划局（DARPA）“作战火力”(OpFires)计划框架内，美国AerojetRocketdyne公司开发的第二级节流固体推进剂发动机成功完成了全尺寸静态试验，展示了按需终止提供推力的技术。

根据洛克希德·马丁导弹与火控系统公司的合同变更条款，“作战火力”项目已进入第3b阶段。在该项目框架内计划研制地基中程高超声速导弹并进行飞行试验。据专家解释称，从适合快速部署和转移的机动式地面发射平台发射后，要将高超声速滑翔武器投送到不同的距离，就需要具备推力中断功能。

 

使用TERRIER和ORIOLE固体火箭发动机的多级配置用来发射HIFiRE2（高超声速国际飞行研究试验计划-2）产品，并使其达到启动高超音速冲压式空气喷气发动机所需的速度

洛克希德·马丁公司和诺斯罗普·格鲁曼公司于2021年5月27日成功进行了第一级固体燃料火箭发动机的地面测试，该发动机分别为美国海军和陆军的常规快速打击（CPS）和远程高超声速武器（LRHW）项目而设计。CPS和LRHW预计将共用一种适合从水面舰艇、潜艇和陆基机动发射装置发射的导弹。

美国空军也一直在研究洛克希德·马丁公司提出的两个空射高超声速导弹概念：空射快速反应武器（AARW）和高超声速常规打击武器（HCSW）。

在AARW计划框架下开发的AGM-183在2020年初得到优先考虑。AGM-183比HCSW更小，可搭载在F-15“鹰”式战斗机的中线挂架上。据报道，用于保护高超声速滑翔体有效载荷的围壳在运载导弹燃料燃尽并达到约5马赫的速度后会被抛掉。

众所周知，AGM-183的早期飞行试验失败了：火箭要么未能与其发射平台（B-52H“平流层堡垒”轰炸机）分离，要么分离但未能启动助推器。2022年5月14日进行的试验取得成功：火箭与B-52H分离，启动助推器，速度超过了5马赫。

 

有效载荷保护装置抛掉后的AGM-183

冲压式空气喷气发动机

自喷气时代开始以来，人们一直在寻找一种能够实现更高速度的空气推进系统。加力涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机满足了2马赫及以上超音速飞行的需要。然而，当速度接近或超过3马赫时，这种技术几乎无法应对。

在3马赫或更高的速度下，冲压空气喷气发动机是一种有效的推进系统。它的结构相对简单，依靠发动机的前进运动产生推力。进气口的设计目的是在超音速气流进入燃烧室之前将其压缩并减速至亚音速。随着冲突喷气发动机飞行所需的速度的增加，进气口的空气温度也随之增加。

这减小了入口和出口的温度差，从而降低了能以推力形式提取的能量。因此，大多数配备冲压喷气发动机的飞行器飞行速度不超过4.5马赫。

 

NASA高超声速飞机

高超声速喷气发动机

为了达到更高的飞行速度，送入空气的减速和压缩程度必须比冲压式空气喷气发动机低得多。这样可以将温度升高降到最低。因此，燃烧室的设计必须能够承受超音速气流。由此产生的推进系统被归类为超音速燃烧冲压式空气喷气发动机。该术语通常称为“高超音速冲压式空气喷气发动机”。

就获得高超声速推力而言，高超音速冲压式空气喷气发动机比火箭发动机更有效。它们能够持续地边供燃料边飞行，但需要助推到高速才能工作。最简单的方法是使用火箭助推器作为第一级。由于助推器的任务仅限于升空后的初始飞行阶段，因此助推器将比HGV所需的更小。因此，要达到相同的射程，配备高超声速冲压空气喷气发动机的武器要比配备滑翔体的解决方案更小更轻。

 

高超声速巡航导弹

所需的初始加速度并不要求飞行器加速到计划的巡航速度，而只要求达到足以使高超声速冲压空气喷气发动机工作的最低速度。启动后，高超声速冲压空气喷气发动机可将导弹加速到计划巡航速度，然后保持该速度飞向目标。高超声速巡航导弹（HCM）的飞行高度可能在20至30千米之间，这部分是由推进系统需要保持足够的推进剂燃烧压力决定的。

2004年3月，美国国家航空航天局（NASA）的X-43A无人驾驶飞机在氢气喷气发动机的驱动下以7马赫的速度飞行，创造了新的飞行速度记录。在同年11月的第二次飞行中，另一架同样由氢气驱动的X-43A在约33528米（11万英尺）的高空达到了9.64马赫（10240千米/小时）的速度。

 

在2004年3月的一次试飞中，使用“飞马座”固体火箭助推器来加速配备高超声速冲压空气喷气发动机的X-43A

在设计高超声速巡航导弹推进系统时，碳氢燃料比氢气更具吸引力。碳氢燃料不难处理，成本低，能量体（积）密度高。然而，发动机设计师面临的挑战是，由于通过高超声速冲压空气喷气发动机的气流速度非常高，很难满足碳氢燃料汽化、混合和燃烧所需的时间。

波音公司开发的X-51“乘波者”设计用于从B-52飞机上空射，高度约为15240米（50000英尺）。与洛克希德·马丁公司的MGM-140（ATACMS）陆军战术导弹系统类似的固体燃料火箭发动机被用来将导弹的速度提高到接近4.5马赫，从而可以启动普惠公司的RocketdyneSJY61碳氢燃料高超声速冲压空气喷气发动机。前三次飞行均未成功，但在2013年5月1日，最后一枚巡航导弹使用启动后的高超声速冲压发动机飞行了210秒，速度达到5.1马赫（5400千米/小时）。

 

B-52“同温层堡垒”轰炸机机翼下的X-51“乘波者”

据报道，在HAWC空基高超声速巡航导弹计划框架内，DARPA和美国空军于2021年9月成功试飞了雷声技术公司的技术演示器。在空中发射后，该导弹使用了固体燃料助推器，然后成功启动了以碳氢化合物为燃料的高超声速冲压空气喷气发动机，并演示了5马赫的飞行速度。洛克希德·马丁公司研制的第二种构型的飞行器于2022年初成功完成了测试。它使用AerojetRocketdyne巡航发动机，飞行速度超过5马赫，高度超过19812米（65000英尺），飞行距离超过500千米。

美国空军在2021年底发布了一份3.71亿美元的计划项目概要，该项目旨在开发和演示机载高超声速系统。该项目被称为Mayhem，旨在为新发动机概念研制一次性试验台，如涡轮联合推进系统和双模喷气发动机，能够在亚音速、超音速和高超声速状态下运行。

俄罗斯高超声速飞行技术

据西方消息人士称，俄罗斯3M22“锆石”（SS-N-33）是一种配备高超声速冲压空气喷气发动机的巡航导弹。固体燃料助推器将其加速到超音速，然后喷气发动机（据报道使用碳氢燃料）将高超声速巡航导弹加速到9马赫的巡航速度。最初的型号供俄罗斯海军使用。该产品已在“戈尔什科夫海军元帅”号护卫舰、“北德文斯克”号核潜艇和陆基海岸防御系统上进行了测试。“锆石”用于攻击1000千米范围内的海上或陆地目标。

据公开消息称，俄罗斯的“奥斯特罗塔”（“锐利”）空基高超声速巡航导弹计划于2022年进行首次飞行试验，用于装备苏-34和图-22M3轰炸机。该导弹由以别列兹尼亚克命名的“彩虹”国家机械制造设计局公司研制，使用了由图拉耶沃“联盟”机械制造设计局设计的“产品7”新型推进系统。国外注意到了俄罗斯媒体有关该导弹细节及其推进系统的报道。预计“奥斯特罗塔”的质量不到1000千克，射程为几百千米。

 

3M22“锆石”高超声速导弹

媒体还提到了一种远程空射高超声速导弹，代号“小精灵”。该导弹的推进系统由图拉耶沃“联盟”机械制造设计局负责研制，发动机代号为“产品70”。

在高超声速飞行领域，俄罗斯和法国之间的合作备受瞩目。MBDA集团与法国航空航天研究中心（ONERA）合作，按计划继续研制法国目前的ASMP空基核导弹。据称，未来的研发可能采取能够以高超声速飞行的武器形式。在这个被称为“LEA”的项目框架内，正在研发一种试验性高超声速演示器，计划于2014年-2015年在俄罗斯协助下进行飞行试验。LEA演示器将从图-22M3轰炸机上发射，然后利用经过改装的Kh-22“彩虹”空射反舰导弹液体燃料推进系统加速到与高超声速冲压空气喷气发动机相匹配的速度。后来的计划要求在美国东海岸对LEA进行飞行测试，但至今尚未实现。

印度的努力

为了将高超声速技术演示器（HSTDV）加速到支持高超声速冲压空气喷气发动机工作的速度，印度国防研究与发展实验室使用了“烈火”（AGNI-I）中程弹道导弹的火箭发动机作为助推器。在2019年6月12日进行的试飞中，巡航导弹在高超声速冲压空气喷气发动机的帮助下以6马赫的速度飞行。在2020年9月7日的发射中，使用高超声速冲压空气喷气发动机以近2千米/秒的速度飞行了20秒。

在海平面上，5马赫的速度相当于约5600-6000千米/小时，在高空逐渐降低约5-6%。常规亚音速巡航导弹的飞行速度约为0.6-0.7马赫，因此从发射到与约1200千米外的目标相撞的总飞行时间约为一小时。以5马赫速度飞行的高超声速洲际弹道导弹可在约10分钟内飞越这一距离。但无论高超声速威胁是基于高超声速滑翔器还是高超声速巡航导弹技术，高速、高空、机动性和最短预警时间加起来都将给目前最先进的防空兵器带来压力。

 

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