一、高超音速飛行器表面溫度分布

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當(dang)(dang)飛(fei)行器以(yi)高超音(yin)速(su)在(zai)大氣中(zhong)飛(fei)行時(shi)，氣動加熱嚴重。當(dang)(dang)飛(fei)行速(su)度達到8馬赫時，飛行器的頭(tou)錐(zhui)部(bu)位溫度(du)可達(da)1800℃，其它部(bu)位(wei)的溫度也將在600℃以上。因此設計(ji)合(he)(he)適的(de)(de)(de)熱載荷管理系(xi)統成(cheng)為必須。此前的(de)(de)(de)太(tai)空“穿梭(suo)”航天器(qi)，航天飛(fei)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)熱效應主要(yao)是(shi)集中在(zai)升空和(he)(he)再入階段(duan)，時(shi)間相對有限，在(zai)熱防護(hu)上是(shi)以隔(ge)離為主，機(ji)(ji)體材(cai)料(liao)(liao)可選余地較大。但高超音速飛(fei)行(xing)器(qi)在(zai)大氣層內長時(shi)間飛(fei)行(xing)，摩擦熱集中在(zai)機(ji)(ji)體的(de)(de)(de)前端和(he)(he)翼面前緣，氣動(dong)加(jia)熱持(chi)續時(shi)間遠比航天器(qi)要(yao)長，若沒有有效的(de)(de)(de)溫度控(kong)制手段(duan)將無法保證(zheng)結構安全，也無法保證(zheng)機(ji)(ji)體內部設備的(de)(de)(de)工作環境(jing)。對于熱防護(hu)首(shou)先就是(shi)材(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)選擇，選用(yong)(yong)長壽(shou)命、耐(nai)高溫、抗腐蝕、高強度、低密(mi)度的(de)(de)(de)輕質材(cai)料(liao)(liao)。目前研制的(de)(de)(de)和(he)(he)可能采用(yong)(yong)的(de)(de)(de)新材(cai)料(liao)(liao)主要(yao)有輕金(jin)屬(shu)材(cai)料(liao)(liao)、金(jin)屬(shu)基復合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)、聚(ju)合(he)(he)物(wu)基復合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)、陶(tao)瓷基復合(he)(he)材(cai)料(liao)(liao)、碳-碳復合材(cai)料(liao)等(deng)。

只(zhi)不過高超音速(su)飛(fei)行(xing)器(qi)，與空氣(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)摩擦(ca)熱量實在(zai)是太大(da)，對飛(fei)行(xing)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)材料與結構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)選(xuan)擇實在(zai)是巨大(da)難題(ti)。機體材料很可(ke)能(neng)因溫度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)飆升發生著膨脹(zhang)形(xing)變(bian)(bian)(bian)，加之機體內不同材料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)膨脹(zhang)系數不同，形(xing)變(bian)(bian)(bian)程度又(you)有著差別(bie)。這(zhe)細微的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)變(bian)(bian)(bian)隨之可(ke)能(neng)引發高速(su)飛(fei)行(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)飛(fei)行(xing)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氣(qi)動控制的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)改(gai)變(bian)(bian)(bian)、機體的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)振動乃至解(jie)體。目前在(zai)美(mei)國多(duo)數高超音速(su)飛(fei)行(xing)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)頭部多(duo)采用鎢基材料，但(dan)這(zhe)種較高價值的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)金屬材料，隨之引發的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)就(jiu)是成本(ben)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)居高不下，對于未來的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)武器(qi)化、大(da)范圍的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)裝備(bei)又(you)會是不小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)障礙(ai)。對于層(ceng)出不窮的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)復合材料，在(zai)新(xin)材料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)設計與加工都還有這(zhe)加工難度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)問題(ti)，就(jiu)像在(zai)美(mei)國“獵鷹(ying)”的試驗計劃(hua)中多次(ci)推遲(chi)的原因就有碳基殼體(ti)材料出現了剝離問(wen)題，研制(zhi)人員不得不改進(jin)工藝來使材料更易制(zhi)造和性能穩定。

在基礎材(cai)料(liao)之外，高(gao)超(chao)音(yin)速(su)飛行器還必(bi)須在飛行器的總(zong)體設計和結構設計中考慮熱防護因素(su)，采用主動降溫技術措施。比(bi)如，在X-51A上，不僅有著結構熱(re)(re)(re)防(fang)護措施，又將燃(ran)料作(zuo)為(wei)結構散熱(re)(re)(re)的載體，在(zai)熱(re)(re)(re)交換(huan)器(qi)內(nei)流動(dong)后(hou)帶走發(fa)動(dong)機的熱(re)(re)(re)量承擔發(fa)動(dong)機散熱(re)(re)(re)的作(zuo)用(yong)(yong)。在(zai)高(gao)溫段(duan)吸熱(re)(re)(re)后(hou)的燃(ran)料裂解(jie)成(cheng)低分子產物，循(xun)環到超燃(ran)沖壓發(fa)動(dong)機動(dong)力(li)系(xi)統后(hou)更適合工作(zuo)要(yao)求(qiu)。消耗，利(li)用(yong)(yong)燃(ran)料循(xun)環系(xi)統作(zuo)為(wei)外殼持續降溫的手段(duan)。正是隔(ge)熱(re)(re)(re)層、耐熱(re)(re)(re)結構材(cai)料，降低熱(re)(re)(re)流，減少(shao)熱(re)(re)(re)應力(li)、熱(re)(re)(re)傳(chuan)送和(he)熱(re)(re)(re)冷卻等(deng)多(duo)項措施的全面(mian)綜(zong)合采用(yong)(yong)，才有熱(re)(re)(re)防(fang)護問題的解(jie)決可能，才有飛行器(qi)向高(gao)超音(yin)速的沖刺。

二、美國高超音速飛行器型號簡介

X-43

X-43系列(lie)高超音速飛機是(shi)美國航空航天總署秘密研(yan)制(zhi)的(de)無人駕駛飛機，看(kan)上去很像(xiang)一塊(kuai)漂亮(liang)的(de)沖(chong)浪板。1996年開始研制。2004年第二次(ci)試飛成(cheng)功，并突破(po)7倍音速。

美國(guo)航天(tian)局在加利福尼亞(ya)當地時(shi)間11月16日，成功地進行(xing)了無人(ren)駕駛的高超音(yin)速(su)試驗飛機X-43A飛行試驗。X-43A試驗飛機飛上(shang)了太(tai)平洋上(shang)空，飛行速(su)度為每小時(shi)1萬多公里，此時(shi)飛行馬(ma)赫數為9.6，即飛(fei)行速(su)度(du)為音速(su)的9.6倍，從而打破了一(yi)架同樣型號的X-43A試(shi)驗飛機創造的馬赫數(shu)為7的紀錄(lu)(lu)，再次創造了飛機飛行(xing)最高飛行(xing)速(su)度紀錄(lu)(lu)。當(dang)地時間(jian)昨(zuo)天下午，X-43A試(shi)驗飛機在加利福尼亞州洛杉(shan)磯北部沙(sha)漠中愛(ai)德(de)華空軍基地(di)被(bei)一架改型的B-52飛機運載到1.2萬米(mi)的高空(kong)，在這個高度它脫離母機，啟動自己的沖壓(ya)發動機，加(jia)速到(dao)每小時1萬多公里的速度,沖到3.35萬米高空(kong)。

美國航天(tian)局(ju)的X-43A計劃(hua)目標是制(zhi)造能到達地球大氣層邊緣的飛(fei)機，計劃(hua)的研制(zhi)周期為8年，研究預算(suan)為2.3億美(mei)元。計劃中的主(zhu)要研(yan)制目標(biao)就是沖(chong)壓發動機(ji)，科學家認(ren)為(wei)這是為(wei)實現研(yan)制出能(neng)接近地(di)球大氣層邊(bian)緣的飛(fei)機(ji)這一目的最安全和便(bian)宜的飛(fei)機(ji)發動機(ji)，因(yin)為(wei)這種(zhong)發動機(ji)能(neng)將(jiang)空氣中的氧(yang)氣吸進(jin)發動機(ji)中，而一般(ban)的航空發動機(ji)需要自帶(dai)氧(yang)化劑，從而增加(jia)燃料重量。

X-51

X-51A是美(mei)國空軍研(yan)究實驗室(shi)（AFRL）與國防高級研究計劃(hua)局（DARPA）聯合主持(chi)研(yan)制的超燃(ran)沖(chong)壓(ya)發動機驗(yan)證機——乘波飛行(xing)器（SED-WR，Scramjet Engine Demonstrator-Waverider）。它由波音公司與普拉特·惠特尼（簡稱普惠）公司共同開發，由一臺JP-7碳氫燃料超燃沖(chong)壓發動機推動，設計飛行馬赫數在6～6.5之間(jian)。這個計(ji)劃的(de)終極目標就是要(yao)發展一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)比美國原武器庫(ku)中任何一(yi)(yi)種(zhong)(zhong)導彈(dan)的(de)速(su)度都要(yao)快5倍以(yi)上，可以(yi)在1小時內(nei)攻擊地球(qiu)任意位置目標的(de)新武器。

x-51a

X-51A（又名：“乘波者”），為美國(guo)軍方(fang)最新研發的實驗(yan)型高超音速飛(fei)行器。美國(guo)X-51A型高(gao)超音速飛行器(qi)成功完成最(zui)后一次試(shi)飛。此前，“乘(cheng)波者(zhe)”共進行過(guo)三(san)次試(shi)飛，均未(wei)能(neng)實現(xian)以(yi)6倍音速(su)飛行300秒的初始(shi)計劃(hua)。X-51A超燃沖壓發動機(ji)技術將應(ying)用到其他領(ling)域，比(bi)如研發可一小(xiao)時(shi)內攻擊全球任一目標(biao)的武器。

HTV

除了研發(fa)X-51A外，美(mei)國防部高級研究計劃局（DARPA）還有HTV計(ji)劃，但(dan)是其在2011年8月的測試中墜毀，工程師希望其能達(da)到20馬赫的飛行速度。2011年(nian)進行的HTV任務歷時9分(fen)鐘(zhong)，但是飛行器只(zhi)進行了(le)大約(yue)3分(fen)鐘的可(ke)控飛(fei)行，它(ta)與X-51A相比(bi)，HTV并沒有配備吸(xi)氣式的超燃(ran)沖壓發動(dong)機。

B-3

美(mei)國飛機研制專家(jia)正(zheng)精心設計(ji)一種能以5倍音速飛行(xing)的高超音速隱(yin)形戰(zhan)略轟炸機B-3，在2030年左右替代時下的B-2隱形轟炸機，獨(du)霸新世(shi)紀的天空(kong)。設(she)計中的B-3隱形戰(zhan)(zhan)略(lve)轟炸機的作戰(zhan)(zhan)能力(li)將不同凡響，主要(yao)表現在三個方面(mian)：驚(jing)人的高(gao)超音速(su)遠(yuan)程(cheng)飛行能力(li)，可在1小時之(zhi)內轟炸(zha)世界任何地點；力求最佳(jia)的隱形效果；強(qiang)大的攻擊能力，其(qi)載彈量將(jiang)達到或超過(guo)B-52的水(shui)平，因此(ci)它將(jiang)成為轟炸機中的“大哥大”。

SR-91

“曙光女神(shen)”高超音速戰略偵察機

國別：美國

類型：偵察機

型號(hao)：“極光”/“曙光(guang)女(nv)神

研制單(dan)位： 保(bao)密未(wei)公開(kai) 造價：研發費(fei)用(yong)大(da)約為44億到80億美元，購買24架大(da)約(yue)還要100億到(dao)240億美元(yuan)

現狀： 保密未(wei)公開

“曙光女神”高超音速偵察機(Aurora)，又名“極光”，據稱其正式編號(hao)為CP-140或SR-91 ，是美國續(xu)SR-71“黑鳥”戰(zhan)(zhan)略偵察(cha)機(ji)之后新一代戰(zhan)(zhan)略偵察(cha)機(ji)。盡管美國官方(fang)一再否認該(gai)機(ji)的存在(zai)，但有越來越多(duo)的證據表明該(gai)機(ji)已存在(zai)多(duo)年，只(zhi)是美國軍方(fang)的保(bao)密工作做得極好，如同(tong)當年的B-2。

SR-72

SR-72偵察機臨界(jie)鷹戰略隱身多用途飛機（ENGLISH：Lockheed Martin SR-72）是由美國洛克希德·馬(ma)丁公司于2007年(nian)提(ti)出的新(xin)型戰略隱身多用(yong)途飛(fei)機(ji)概念，該型機(ji)本身涵(han)蓋完(wan)整(zheng)的偵(zhen)察(cha)系統并(bing)可攜帶(dai)在(zai)超高至臨(lin)界(jie)空域的新(xin)型武(wu)器，集(ji)情報收(shou)集(ji)、偵(zhen)察(cha)、監控(kong)、打擊等諸多功能為(wei)一體。

SR-72高(gao)超音速無人(ren)偵察機主要(yao)用于取代上世紀70年代(dai)研制的SR-71“黑鳥”高(gao)速(su)高(gao)空偵察機，其最高(gao)飛行速(su)度將達到驚人的馬赫數6(也就是(shi)聲(sheng)音速度的6倍(bei))，是SR-71高速高空偵(zhen)察機(ji)(ji)最(zui)大飛(fei)行(xing)(xing)速度(du)的兩倍，是目前第四代戰斗機(ji)(ji)最(zui)大飛(fei)行(xing)(xing)速度(du)的三倍，甚(shen)至其(qi)飛(fei)行(xing)(xing)速度(du)比一些常見(jian)的導彈還要快，堪稱(cheng)人類制(zhi)造的“最(zui)快飛(fei)機(ji)(ji)”。因為其(qi)速度(du)優勢，高超音速飛(fei)行(xing)(xing)器對21世紀防空(kong)系統的(de)壓(ya)力極大，一些著名的(de)地空(kong)導彈，如美國的(de)“愛國者(zhe)”、俄羅(luo)斯的(de)S-400和中國的(de)紅(hong)旗-9甚至無法(fa)追上這種飛機，從而無法(fa)攔(lan)截和(he)擊落它[2]。

XS-1

英國(guo)《簡氏防務(wu)周刊》網站7月(yue)31日發表題為《五角大樓用于發射衛星的(de)無人機進入研發新階(jie)段(duan)》的(de)報道稱(cheng)，根據(ju)7月(yue)28日的一份聲明，美國國防部高級研究項目局日前根據合同變更條款，向波音公司追加了660萬美元，以繼續研發XS-1試驗(yan)型太(tai)空飛機。

該項目旨在研發一(yi)種(zhong)可(ke)重(zhong)復使用的無人發射器，其成本、操作方式(shi)和可(ke)靠性與現(xian)代(dai)飛機類似，能將3000至5000磅（1磅約合0.454千克）的小型載荷衛星送入低(di)地球軌道。

可重復(fu)使用(yong)(yong)的第一級(ji)能(neng)夠在亞軌(gui)道高度作高超音速飛行(xing)(xing)。當達到適(shi)當的速度和高度后(hou)，一個(ge)或多個(ge)一次性(xing)的其(qi)他級(ji)將與第一級(ji)分離(li)，并將小(xiao)型衛星(xing)送入低地球軌(gui)道。之后(hou)，可重復(fu)使用(yong)(yong)的第一級(ji)將返(fan)回(hui)地球，為(wei)下(xia)次飛行(xing)(xing)做準備。

美國國防部高級研究項(xiang)目(mu)局在聲(sheng)明中稱，在1B階段，波(bo)音公司負責研發XS-1的展示概念和核心技術(shu)。加上(shang)1B階(jie)段的(de)投入，迄今波音公司(si)研(yan)發(fa)團隊獲得(de)的(de)經費(fei)總額(e)已經從(cong)1000萬美(mei)元增加到1660萬美(mei)元。其中波(bo)音公司提供了(le)600萬美(mei)元，其(qi)余(yu)部(bu)分由美(mei)國國防部(bu)高級研(yan)究項目(mu)局提供。預計(ji)1B階段(duan)的(de)工作將于(yu)2016年(nian)8月之前(qian)完(wan)成。

高級研究項目局計劃(hua)明(ming)年舉行第二階段競賽，以決定哪支團隊(dui)獲(huo)得(de)制造XS-1的(de)合同并進行展示飛行。

X-37B

X-37B空天戰斗(dou)機是(shi)(shi)由(you)美國波(bo)音公司研制的(de)無人(ren)且(qie)可重(zhong)復使(shi)用的(de)太空飛(fei)機，由(you)火箭發(fa)射進入(ru)太空，是(shi)(shi)第一架既能在地球衛星軌(gui)道上飛(fei)行、又能進入(ru)大氣(qi)層的(de)航空器，同時結(jie)束(shu)任務后還(huan)能自動返(fan)回地面，被認為是(shi)(shi)未來(lai)太空戰斗(dou)機的(de)雛(chu)形。其最高(gao)速度能達到(dao)音速的(de)25倍以上，常(chang)規軍用雷達技術無(wu)法捕(bu)捉。