流-固-热多场耦合：吸气式高速飞行器一体化设计、技术演进、研究现状与发展趋势

 

吸气式高速飞行器作为航空航天领域的重要发展方向，凭借其高速度、高机动性和远程打击能力，日益成为世界主要军事强国竞争的焦点。机体/发动机一体化设计作为其关键技术，直接影响飞行器的整体性能和可行性。随着超燃冲压发动机及组合发动机关键技术的逐步突破，吸气式高速飞行器正从技术验证阶段迈向工程实用化阶段，并朝着重复使用方向快速发展。

 

一体化设计的本质在于将发动机与机体视为一个整体进行优化，通过协同设计解决高速飞行中的复杂气动、结构和热管理问题。早期研究主要聚焦于解决"推力鸿沟"问题，即如何在高速条件下实现足够的净推力。随着技术的发展，一体化设计的内涵不断扩展，如今已涵盖气动外形、结构布局、热防护系统和飞行控制等多个学科的深度集成。通过一体化设计，能够显著提高飞行器的流量捕获特性、进气性能和升阻比，使飞行器能够保持稳定的高速飞行状态。

本文系统回顾了吸气式高速飞行器一体化方案的发展历程，从技术验证阶段的轴对称与升力体构型，到实用化阶段的腹部进气布局，再到未来重复使用飞行器的翼身融合设计，深入分析了各阶段的技术特点、挑战与解决方案。同时，对一体化设计中的关键技术进行了梳理，并对其未来发展方向进行了展望，为相关领域研究人员提供参考。

 

一、技术验证阶段的一体化方案

在吸气式高速飞行器发展的初期阶段，技术验证成为主要目标，研究者提出了多种一体化布局方案。根据机体构型的不同，这些方案大致可分为轴对称构型和升力体构型两大类，每种构型都有其独特的设计理念和技术特点。

1.1 轴对称构型一体化方案

轴对称构型是早期吸气式高速飞行器研究的主要方向，其显著特征是采用环形或扇环形进气布局，使飞行器整体呈轴对称结构。这种构型具有设计简单、气流捕获面积大、加工制造难度小等突出优势。

美国国家航空航天局（NASA）在20世纪60至70年代提出的高速发动机（HRE）构型是轴对称一体化方案的典型代表。该方案采用了"中心锥+环形唇罩"的进气布局设计。中心曲锥通过激波和压缩波对来流进行减速增压，承担一部分气流压缩任务；唇罩则捕获经中心锥压缩的气流，并在内收缩段通过唇口激波和反射激波进一步压缩气流，最后输送至燃烧室组织超声速燃烧。从气动设计角度看，该方案采用了"激波封口"设计理念，即在设计点条件下，中心锥产生的锥型激波恰与唇口相交，从而避免附加阻力的产生。值得一提的是，这一阶段的设计主要关注发动机自身性能，尚未充分考虑发动机与机体的整体一体化设计。

几乎在同一时期，俄罗斯（前苏联）也开展了类似的超燃冲压发动机技术研究，提出了"冷"计划。该技术试验飞行器同样采用了轴对称头部进气布局，秉承"中心锥+环形唇罩"的设计理念。其独特之处在于，气流在流经中心锥母线的三级压缩折角时会产生三道斜激波，这些斜激波相交于唇口实现"激波封口"，进一步提高了进气效率。

尽管环形进气布局具有设计简单的优点，但也存在明显的技术缺陷——起动性能较差。这主要是因为在进气道不起动状态下，大尺度分离区无法有效溢流，导致进气道工作范围受限。为改善这一状况，研究者提出了多模块扇环进气布局方案。

 

美国高速吸气式飞行器项目（Hyfly） 采用了多模块扇环进气布局的典型案例。该飞行器以双模态冲压发动机为动力，采用多模块进气道与轴对称机体一体化的气动布局。其进气系统由6个进气道沿周向并列布置，其中包括2个亚燃冲压进气道和4个超燃冲压进气道。遗憾的是，在2007年前后开展的多次飞行试验均未能达到预期目标。

与环形进气布局相比，四模块进气道的侧板为大尺度分离区提供了溢流窗口，从而显著提升了进气道的起动能力。在不起动状态下，进气道入口处存在大尺度分离区，而前掠侧板的存在使得分离区内的低速流动能在横向压力梯度作用下向侧边排移，减小分离区尺度，加速进气道起动过程。

另一种与环形、扇环形截然不同的头部进气方案是采用流线追踪方法获得的多模块流线追踪进气道。约翰霍普金斯大学提出的超燃冲压发动机飞行器（SCRAM）方案采用了四个流线追踪Busemann进气道拼接的进气布局。该构型通过流线追踪技术将二维轴对称流场的一部分转化为三维进气道流场，在继承基准流场优良性能的同时，通过合理设计入口型线实现了与机体较高的一体化程度。尽管该方案仅停留在概念阶段，但流线追踪技术的引入无疑是进气道设计领域的一个重要里程碑，极大地丰富了进气道设计方法和构型样式。

 

1.2 升力体构型一体化方案

随着对飞行器性能要求的不断提高，尤其是对更远航程、更高升限和更快速度的追求，传统的轴对称构型已难以满足高升阻比的需求。在这种情况下，升力体构型应运而生。与轴对称构型不同，升力体构型的前体多采用偏二维设计，利用较为"扁平"的前体产生更大的升力和更高的升阻比。同时，升力体前体还作为进气道的预压缩面，与发动机进气口进行一体化融合设计。从进气方式来看，升力体构型主要分为二维进气和三维内转进气两大技术路线。

1.2.1 二维进气升力体方案

二维进气升力体方案采用矩形或近似矩形的进气道结构，通过多级斜板产生系列斜激波，对来流进行压缩。这种方案的优点是设计相对简单，流动特性易于分析，且具有较好的起动性能。

典型的二维进气升力体方案通常将发动机布置在飞行器腹部，利用前体下表面作为进气道的预压缩面。当前体设计为乘波体外形时，前体产生的压缩激波可被精准捕获用于进气道的进一步压缩，从而实现前体与进气道的高效一体化。这种设计不仅提高了流量捕获能力，还显著降低了阻力。

值得注意的是，二维进气的侧板设计对进气道性能有重要影响。合适的侧板设计能够有效限制横向溢流，提高进气道的压缩效率，但同时也会增加结构重量和摩擦阻力。因此，在具体设计中需要综合考虑多方面因素，寻求最优平衡点。

1.2.2 三维内转进气道升力体方案

随着进气道设计方法的发展，三维内转进气道技术逐渐成熟，并在升力体构型中得到了广泛应用。三维内转进气道基于轴对称基准流场，通过流线追踪方法生成，具有高压缩效率和低流动损失的优点。

HyCAUSE(Hypersonic Collaborative Australia/United States Experiment)项目是三维内转进气道一体化构型的典型代表。该项目采用的三维内转进气道直接布局在飞行器前体下方，实现了高度的一体化设计。这种布局使得前体下表面与进气道唇口平滑过渡，既保证了前体预压缩效果，又减少了外部阻力。

另一种创新布局是将三维内转进气道直接布置在机身背部。这种布局方案有效利用了背部空间，避免了与起落架等部件的冲突，同时在一定程度上减轻了底部阻力。不过，这种布局也可能面临进气预压缩不足和复杂流场干扰的挑战。

三维内转进气道的优势在于其出色的压缩特性，但在实际应用中也存在一些技术难点，如流动分离控制、起动特性保证以及与机体的一体化集成等问题。特别是对于内转进气道，由于流动的三维特性更为复杂，对设计方法和制造工艺都提出了更高要求。

 

二、 实用化阶段的一体化设计

随着超燃冲压发动机关键技术的相继攻克，吸气式高速飞行器研究逐渐从技术验证转向工程实用化阶段。这一转变带来了一系列新的挑战和要求，一体化设计的内涵和方法也随之发生了显著变化。实用化阶段的一体化设计不再仅仅关注气动性能，而是需要综合考虑多种工程约束和实际应用条件。

2.1 工程应用中的约束条件

实用化吸气式高速飞行器面临比技术验证阶段更为严苛的约束条件，这些约束主要来源于任务多样性、环境适应性和工程可行性等方面。

在实用化阶段，一体化设计需要解决的矛盾从单纯追求高性能转变为平衡流量捕获、设备装载和升阻比之间的复杂关系。飞行器需要携带更多任务设备，如探测系统、武器载荷或商用载荷，这些设备的空间需求往往与进气道和燃烧室的空间需求产生冲突。同时，实用化飞行器对可靠性和鲁棒性的要求远高于验证机，需要在更宽的飞行包线内保持稳定性能。

另一个重要约束来自热管理需求。实用化飞行器通常要求长航时飞行，气动加热和发动机热辐射导致全机温度显著升高，这不仅对材料提出更高要求，也需要考虑热防护系统与气动外形的一体化设计。此外，结构重量和推进效率的平衡也成为实用化设计中必须考虑的关键因素。

2.2 腹部进气布局的优势与发展

面对实用化阶段的多种约束，腹部进气布局逐渐成为吸气式高速飞行器一体化设计的主流方案。这种布局通过将进气道布置在飞行器腹部，实现了前体、进气道和机身的深度集成。

腹部进气布局的核心优势在于其出色的流量捕获特性和压缩效率。飞行器前体下表面自然形成进气道的预压缩面，来流在经过一系列斜激波系后被有效减速增压，然后进入进气道。这种设计不仅提高了进气质量，还减少了附加阻力。同时，腹部布局为发动机提供了良好的安装条件，使得整个推进系统能够更紧凑地集成在机身内。

从气动角度看，腹部进气布局还有利于实现乘波设计。通过精心设计前体外形，可以使飞行器在巡航状态下"骑"在自己产生的激波上，从而大幅降低波阻。这种乘波体与腹部进气布局的结合，已经成为高超声速飞行器设计的经典范式。

值得注意的是，腹部进气布局也面临一些独特挑战，特别是前体边界层与进气道的相互作用问题。来流在前体表面流动会形成边界层，如果过厚的边界层进入进气道，可能导致流动分离和性能下降。因此，实用化设计中通常需要考虑边界层隔离或抽吸装置，这进一步增加了一体化设计的复杂性。

2.3 多学科耦合问题

实用化阶段的一体化设计还面临着严峻的多学科耦合挑战，尤其是对于大尺度飞行器，结构变形引发的非线性流-固耦合现象极为复杂。

宽包线飞行带来的气动-推进-结构耦合问题尤为突出。在不同飞行状态下，气动载荷导致结构变形，进而改变气动外形和进气道型线，影响进气质量和发动机性能。这种耦合效应在高速大动压飞行条件下尤为显著，必须在设计初期就予以考虑。

此外，热-结构耦合也是实用化设计必须面对的问题。长时间高速飞行导致表面温度急剧上升，不同材料的热膨胀系数差异会引起结构变形和应力重分布。在极端情况下，热变形可能改变关键气动面形状，影响飞行稳定性与控制效率。

针对这些多场耦合问题，研究者开发了专门的分析方法。例如，基于本征正交分解技术(POD) 的几何非线性结构动力学降阶策略，结合计算流体力学(CFD)与准一维内流分析方法，形成了一套有效的流-固-推进快速耦合分析工具。这些方法为宽包线吸气式运载器的一体化设计提供了技术支撑。

三、实用化一体化关键技术进展

随着吸气式高速飞行器向实用化方向快速发展，一系列关键技术取得了显著进展，为一体化设计的工程实现提供了坚实基础。这些技术涵盖了从设计方法、动力协调到热管理等多个方面，共同推动着高速飞行器从概念走向工程实践。

3.1 飞发耦合数值模拟技术

飞发耦合数值模拟技术是一体化设计的重要支撑工具。随着计算能力的提升和高精度算法的应用，飞发一体化数值模拟的精度和效率得到了显著提高。

传统的一体化模拟多侧重于局部结构和流场的集成优化，而对包括发动机在内全部件集成、全流场数值模拟开展得还较少。当前的飞/发一体化模拟中，发动机内流模拟多采用简化降维模型，甚至仅将发动机作为一个气动部件忽略其燃烧热附加过程。这种简化虽然提高了计算效率，但难以准确反映真实飞行条件下的工作状态。

近年来，研究者开始探索耦合高保真发动机反应内流模拟的飞/发一体化研究方法。随着计算机技术的进步，高解析度大涡模拟等数值手段被引入飞/发一体化内外流耦合模拟中，并在飞行器优化设计中发挥重要作用。例如，改进的"CFD+准一维流"内外流耦合高效分析方法，通过分析一体化构型复杂的内外流耦合特征，引入隔离段核心流和燃烧室热壅塞问题处理方式，能够适应Ma2-8+的双模态冲压发动机一体化性能分析。

此外，基于人工智能算法的一体化优化设计方法也逐渐成熟。西南科技大学提出的一种乘波体与超燃冲压发动机一体化优化设计方法，利用拉丁超立方抽样算法获取样本，构建高效高精度智能预测模型，结合多目标启发式算法，获得满足高超声速飞行器性能要求的最优设计参数。这类方法有效解决了一体化设计中多参数、多目标的优化难题。

 

3.2 宽包线动力协调与控制

针对吸气式高速飞行器极宽的飞行包线，宽包线动力协调与控制技术成为实用化阶段的关键。火箭冲压组合发动机(RBCC)将多种热力循环模式集合于一体，具有工作范围宽、飞行包线大、综合性能优的特点，是下一代空天应用动力系统的主要备选方案之一。

更宽的工作范围对发动机不同部件之间的协调匹配的稳定性提出了更高要求。RBCC发动机的设计需要考虑多模态兼顾，保证宽飞行攻角和飞行动压范围内高比冲、爬升段内大推力的工作需要。研究表明，预燃激波串在前移过程中，波前马赫数增加导致激波串的增压比提高，可实现进气和高压燃烧之间的压力平衡。而集中释热导致流道内出现热力壅塞，对燃气加速降压，实现了外界环境和高压燃烧的压力平衡。

针对宽包线工作的特点，研究者提出了基于多点/多目标优化的宽包线机体/推进一体化耦合设计流程。通过分析宽包线机体/发动机一体化设计需求，采用多个评估点及权重系数的一体化性能评价指标，建立了分阶段的宽包线一体化设计流程。这一方法成功解决了兼顾高低速条件下一体化性能的难题。

3.3 热管理与材料防护技术

热管理是实用化吸气式高速飞行器面临的最严峻挑战之一。高速飞行时，由于冲击生热和表面摩擦，飞行器外表面和进入发动机的空气会变得非常热。这些因素需要专门的技术和推进系统来为飞行器提供高速动力。

欧洲航天局的"Invictus"项目采用了基于预冷器的技术方案，可在空气进入发动机之前对其进行冷却，从而使传统飞机发动机能够以高超声速飞行。该预冷系统基于欧空局SABRE（协同吸气式火箭发动机）研究开发的技术，由英国Reaction Engines Ltd公司设计，可在几分之一秒内冷却过热空气。

在材料方面，针对前体/进气道压缩面壁面的高动压和高热流飞行环境，研究者建立了适应于多层防热壁板的流-固-热多场耦合分析方法。基于Von Karman大变形板理论和二阶活塞理论，改进了一类用于壁板的双向流-固-热耦合分析方法，能够分析不同马赫数下进气道压缩面壁板的非线性流-固及流-固-热耦合现象和机理。

研究表明，长宽比是影响壁板流-固耦合稳定边界的重要因素，且气动热影响下的壁板流-固耦合特性的时间效应对一体化性能有较大的负面影响。这些研究成果为实用化飞行器的热防护设计提供了重要依据。

 

四、未来重复使用飞行器的一体化设计

随着实用化吸气式高速飞行器一体化设计技术的成熟，水平起降、重复使用的吸气式高速飞行器日益受到关注。这类飞行器不仅能够大幅降低运营成本，还能提高飞行器的使用灵活性和任务多样性，是未来航空航天运输系统的重要发展方向。

4.1 实用型宽域重复使用飞行器面临的新问题

重复使用吸气式高速飞行器在设计和操作层面面临一系列新的技术挑战，这些问题远超传统一次性使用飞行器的范畴。

首先，宽域飞行带来的设计矛盾极为突出。重复使用飞行器要求从起飞低速状态到高空高速状态的全程工作能力，而不同飞行状态对气动外形和推进系统的要求往往相互冲突。例如，低速状态下需要较大翼面积以保证起降性能，而高速状态则希望减小翼面积以降低阻力。这种设计矛盾需要通过高度的一体化设计来缓解。

其次，可重复使用性对材料和结构提出了更高要求。与一次性使用飞行器不同，重复使用飞行器必须承受多次高温、高载荷循环而不失效，这需要对疲劳寿命和材料退化进行精确预测和设计。特别是热防护系统，在经历多次加热-冷却循环后，其性能和完整性必须得到保证。

另外，操作维护也是一大挑战。重复使用飞行器需要在任务间隔进行快速检查、维护和必要的修复，这就要求一体化设计不仅要考虑飞行性能，还需兼顾可维护性和可检测性。例如，发动机的布置应便于检修，热防护系统应易于更换受损部件。

4.2 重复使用飞行器一体化设计发展方向

针对重复使用吸气式高速飞行器的特殊需求，一体化设计呈现出几个明显的发展趋势。

高效、宽范围的动力系统是重复使用飞行器的核心。传统的单一类型发动机难以覆盖从起飞到高超声速的整个飞行范围，因此组合动力系统成为研究热点。例如，涡轮-冲压-超燃冲压组合循环发动机能够充分发挥不同类型发动机在各自工作区间的优势，实现从零到高超声速的无缝衔接。

高度一体化的翼身融合构型是另一个重要发展方向。翼身融合设计(BWB)通过消除传统的机身-机翼-尾翼界限，使整个飞行器成为一个统一的升力面，不仅能提高升阻比和内部空间利用率，还能与推进系统实现更深层次的集成。波音公司2018年公布的高速飞机方案就采用了类似的翼身融合布局。

更优的进气布局方案也是未来发展的重要方向。针对重复使用飞行器的特殊需求，变几何进气道设计越来越受到重视。这种设计能够通过调节进气道几何形状，在不同飞行状态下保持最佳工作性能。例如，通过调节唇口角度和压缩面角度，优化不同马赫数下的流量捕获和压缩效率。

4.3 重复使用飞行器关键技术分析

实现重复使用吸气式高速飞行器需要突破多项关键技术，这些技术主要集中在动力系统、结构设计和操作控制等方面。

在动力系统方面，组合循环发动机的一体化设计是核心挑战。以欧洲航天局的"Invictus"项目为例，该项目计划在2031年初建造并试飞一架速度达5马赫的飞行器，以验证氢燃料预冷吸气式推进系统在水平起飞和高超声速飞行中的适用性。这类发动机的一个关键特征是预冷器技术，能够在几分之一秒内冷却过热空气，使传统发动机架构能够适应高超声速条件。

在结构设计方面，轻量化与热防护的一体化设计至关重要。重复使用飞行器要求结构在保证强度和耐热性的同时尽可能减轻重量，这需要采用多功能材料和一体化结构设计。例如，热防护结构同时也作为主承力结构，这就要求材料既具有优良的耐高温性能，又具备足够的力学强度。

在控制方面，宽域智能控制技术是确保飞行安全的关键。重复使用飞行器在起飞、模式转换、再入和着陆等阶段面临完全不同的气动环境和飞行状态，需要控制系统具备极强的自适应能力。基于机器学习和人工智能的智能控制系统能够在线适应飞行条件的变化，为宽域飞行提供安全保障。

此外，健康监测与寿命预测技术也是重复使用飞行器特有的关键技术。通过嵌入在结构内部的传感器网络，实时监测飞行器关键部位的状态，预测剩余使用寿命，制定科学的维护计划，确保每次飞行的安全可靠。

 

五、总结与展望

吸气式高速飞行器的一体化设计经历了从技术验证到工程实用化，并正向重复使用方向发展的历程。在这一过程中，一体化设计的内涵不断丰富，方法不断更新，技术不断成熟，呈现出明确的发展轨迹和趋势。

从技术发展脉络来看，吸气式高速飞行器一体化方案经历了从轴对称构型到升力体构型，从二维进气到三维内转进气，从单一性能优化到多学科协同设计的演变。早期技术验证阶段主要集中在冲压发动机关键技术攻关，一体化方案主要服务于发动机研制和技术验证。实用化阶段则更加注重解决工程应用中的实际约束，逐渐形成了以腹部进气布局为代表的一体化方案。未来，面向重复使用需求，翼身融合和宽范围动力系统将成为发展重点。

在关键技术方面，飞发耦合数值模拟、宽包线动力协调和热管理等技术取得了显著进展。特别是随着计算机技术的进步，高解析度大涡模拟等数值手段被引入飞/发一体化设计中；基于多点/多目标优化的宽包线机体/推进一体化耦合设计方法有效解决了宽范围工作的难题；预冷器技术为高超声速条件下的热管理提供了创新解决方案。

 

展望未来，吸气式高速飞行器一体化设计将在以下几个方向继续深化发展：

一是智能化设计方法的进一步应用。基于人工智能的一体化设计优化、基于大数据的性能预测和故障诊断、以及智能自适应控制等技术将深刻改变传统设计范式，大幅提升设计效率和系统可靠性。

二是新材料与新工艺的融合。特别是耐高温复合材料、多功能一体化结构和轻量化设计技术的发展，将为空天飞机这类完全重复使用飞行器提供物质基础。

三是更深入的学科融合。未来的一体化设计将不再局限于气动-推进-结构的耦合，还将进一步纳入热、控、电、隐等多学科要求，形成真正的全系统优化设计。

四是绿色空天技术的引入。随着环保要求的提高，低排放甚至零排放的动力技术将逐渐应用于高速飞行器，这将对一体化设计提出新的要求和挑战。

吸气式高速飞行器的一体化设计作为一项复杂的系统工程，其发展不仅依赖于相关单项技术的突破，更需要从系统层面进行创新和优化。随着各国在该领域投入的不断增加和研究力量的持续聚集，吸气式高速飞行器必将迎来更加广阔的发展前景，为人类探索和利用空天领域提供强有力的技术支撑。

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