高超声速飞行器发表论文

钱学森。知名科学家钱学森是高超音速概念和技术最早的倡导者和推动者之一。1945年，钱学森发表论文《论高超声速相似律》，提出高超音速的飞行速度大于5马赫这一标准。高超音速飞行器大致分为两类。一类是依靠自身高性能动力，推进系统实现大气层内数倍音速。超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机是这类高超音速飞行器的关键技术和仪器。

飞得更快、更高、更远，是人类永恒的追求。上个世纪初，国际航空界为了实现人类首次有动力持续可操纵飞行，做出了艰苦卓绝的努力，美国莱特兄弟终于在1903年12月17日，实现了这个追求。现在正在航行的"协和"号旅客机的最大飞行M数是2，美国的高空侦察机SR-71的最大飞行M数是3，整整一百年过去了。新世纪初，国际航空界为了实现人类首次使用吸气式发动机进行的高超音速(飞行M数大于5)有动力持续可操纵飞行，又在进行不屈不挠的努力。实际上，上个世纪60年代初，美国X-15用火箭发动机实现了首次高超音速飞行(飞行M数大于5.3)，而利用空气中氧气的吸气式发动机进行的高超音速飞行，历时半个世纪经多次起伏仍然没有实现。由于这项技术在新世纪的重要战略地位，许多国家至今仍在继续投入大量的人力和物力，坚持不懈地进行着努力。 高超音速飞行的应用 说起高超音速飞行，就会想起美国总统里根在1986年宣布的"东方快车"的高超音速客机计划，设想的这种客机从纽约飞到东京只要两小时。当今经济发展的全球化，促使全球的空运量大大增加，特别是21世纪跨太平洋的客运量肯定会大幅度增加。由于高超音速客机飞行时间短，对于这样长远距离的飞行就很有吸引力。因此，民用高超音速客机在21世纪将有广阔的前景。当然，研制和运行这样的高超音速客机，不仅要解决发动机和材料等关键技术，还要解决噪声和起飞着陆段在飞行中所占的时间过长等运行方面的许多问题。 当今高超音速飞行，最有前景的应用是穿越大气层的飞行。这种飞行器就叫"空天飞机"(AerospacePlane)。任务分析表明，空天飞机将对21世纪的世界航空航天的发展，提供非常有价值的新能力。首先，空天飞机将引发航天运载器的革命。航天运载器代表了进入空间的能力，它不仅是开发空间资源的基础，而且是军队战斗力的一个重要组成部分。目前的航天运载器，明显存在下列不足：1.高的运输费用。目前的一次性运载火箭运送1公斤有效载荷到低地球轨道的费用高达3500～13300美元，美国航天飞机费用也高达1万美元左右。这么高的运运输费用已经成为人类进一步开发空间资源的"瓶颈"。如在卫星通信领域，著名的全球个人通信系统"铱"星系统的失败，已充分证明了这一点。 2.低的安全性和可靠性。一次使用的火箭，在使用前无法对火箭进行考验，在使用后也无法完全了解可能发生的故障实情，从而难以大幅度提高可靠性。重复使用的飞机经过千万次飞行的考验，其可靠性可高达0.999999。重复使用能降低成本的原因是每次飞行分担了贵重材料和设备的成本，每次飞行主要消耗的是便宜得多的燃料，从而大大降低了运输成本。同时，飞行器提高了可靠性实际上也降低了成本。 3.差的使用性能。包括对任务的适应性差，维护性能不好，地面准备时间和周转时间太长，发射和回收时需要的大量辅助设备等。从长远来看，必须进一步发展水平起降使用吸气式组合发动机的空天飞机，才能满足未来按需发射的要求。 使用吸气式组合发动机的空天飞机，其优点不仅是由于利用了大气层中的氧和实现了飞机式的运行而能够大幅度降低费用；而且还因为它是水平起飞和利用升力的，在每个任务阶段都可以安全救生，所以增加了安全性；由于简单的地面操作和具有巡航能力，所以增加了运行的适应性。但空天飞机比由火箭发动机推进的重复使用航天运载器(RLV)，需要更大的技术发展。因此。许多国家决定分两步走，先发展RLV，再发展空天飞机。 实现高超音速飞行将大大推动高技术武器平台的发展。巡航导弹具有超低空、机动飞行、精确制导和命中精度高的特点，可实施纵深精确空中打击。现代正在服役的巡航导弹的最低巡航高度一般低于50米，射程一般大于500公里，最大飞行M数一般小于0.9。它的发展和使用，不仅打破了划分战略和战术导弹的传统界限，而且也推动了军事理论和战略战术思想的变革。它是美国目前按"外科手术式"打击理论，打击敌方纵深地区高价值严密设防目标的主要武器之一。提高速度肯定是巡航导弹的一个发展方向。首先，武器系统提高了速度，也就增强了快速反应和打击移动目标的能力；同时，也可以大大提高武器的动能而提高武器的毁伤能力，包括打击硬目标和地下目标的能力。其次，从突防的角度来看，提高武器系统的速度可以提高生存概率。防区外空袭的空中发射的高速导弹，可在远程防空导弹射程外发射。因此，挂载导弹的飞机可以放心地瞄准攻击，人员和装备的损失系数可以降到最低，甚至接近于零。在达到敌方防空导弹射程内时，对方已经没有时间做出反应。但是研制高速巡航导弹不仅要解决动力和防热问题，而且从攻防对抗的角度，还要解决隐形、制导、控制等一系列问题。 据美国《洛杉矶时报》一条消息披露：美国国防部正在考虑研制用于未来战争的另一个杀手锏--太空轰炸机。2001年6月，美国国防部长拉姆斯菲尔德曾指示国防部研究"对实施快速全球打击有价值的亚轨道太空飞行器"。这实际上是一种军用的跨大气层飞行器(TAV)，综合国外有关报道，它将有以下几个特点： 1.它有很高的速度，从而具有很大的动能，使其效能倍增，可以采用很小的弹药，并能同时打击多个目标。同时，由于它速度很高，可以在很短时间内攻击世界上任何地方的目标。再有，它采用亚轨道飞行或在大气层内作高超音速飞行，可以在政治上躲开太空军事化的敏感问题。 2.它具有出其不意的优点。在战略上，可以出其不意地打击敌人几乎没有防备的纵深目标；在战役上，可以选择最佳的攻击时间；在战术上，可以使用多种亚轨道飞行路线，攻击敌方防空的薄弱环节。 3.它可以在执行完任务后，快速回收、快速装备、重新起飞。它与远程弹道式导弹相比，可以为了威慑对方使用后回收，避免了立即引发战争的危险。 4.它除了担负全球攻击任务外，还可用于全球侦察。它既是发射卫星与回收、维修卫星的平台，又是发射反卫星武器的平台。 艰难的发展历程 上个世纪60年代，国际上广泛开展了超音速燃烧冲压发动机(Scramjet)等一批关键技术的研究，但由于技术不成熟，在美国设计航天飞机时却不得不仍然使用风险小得多的火箭发动机。1986年美国的空天飞机(NASP)计划上马，被人们称之为"高超音速技术的复苏"。1995年这个耗资超过30亿美元的计划，因种种原因下马时，国内外不少同行惊呼吸气式高超音速飞行"路在何方?"。NASP计划终止后，美国航空航天局(NASA)继续执行了一项较小的计划，即高超音速X飞行器(Hyper-X)计划，其目的是为将来军用和民用的高超音速飞行打技术基础。它将研制一个3.66米长的无人高超音速验证机。验证机采用升力体构形，发动机采用氢燃料、双模态(冲压/超燃冲压)，工作范围是M=7～14，机身和发动机采用一体化设计。这个验证机将由B-52飞机投放，由"飞马座"火箭的第一级来助推。2001年6月2日，这个计划的第一次飞行试验(X-43A)，由于"飞马座"火箭出现故障而失败。与此同时，美国空军也开始了另一个计划，即高超音速技术(HyTech)计划。它以可攻击运动目标的机载远程高超音速导弹为任务目标，巡航M数为7～8，射程为1390公里。计划的核心是验证可供导弹在M=4～8使用的超音速燃烧冲压发动机(Scramjet)。这种发动机使用碳氢燃料，是一次使用的。最近，美国国防部和NASA为了加速高超音速技术的发展，正在推动一个"国家航空航天倡议"。除上述美国的计划外，俄罗斯、法、德、日、印度和澳大利亚等国，都有相应的发展计划。 2002年7月22日，第50届范堡罗国际航展拉开帷幕。每一个来参观展览的人都被NASA的"Hyper-X"系列飞行器所吸引。这一系列已经在地面试验了多年。"Hyper-X"系列飞行器将能够在3万米高空进行时速1万多公里的高速飞行，人类的高超音速飞行的理想将变为现实。因此，NASA把其定为"高超音速投资领域"的首要目标。NASA的"Hyper-X"系列飞行器包括三个验证飞行器：X-43A、X-43B和X-43C。这个系列体现了NASA和美国军方的合作。 X-43A是无人驾驶飞行器，在首次飞行实验失败后，不久将进行新的试验。NASA共策划了3次X-43A的飞行实验，并希望在第二次实验中该飞行器的飞行M数能达7，也可能达到10，其速度相应为8000公里/小时或11000公里/小时。 X-43B是"Hyper-X"系列飞行器中体积最大的一款，预计将在2010年进行飞行试验。估计X-43B的长度将达14～15米。要在地面利用X-43A、X-43B进行各种发动机试验后，才能决定X-43B是采用以火箭为基础、还是采用以涡轮为基础的发动机。 X-43C将安装美国空军正在发展的超燃冲压发动机。X-43A上的超燃冲压喷气发动机使用液氢燃料，而X-43C的超燃冲压发动机将改用JP8碳氢燃料。该飞行器的飞行M数期望能达5到7，最大速度相应为8000公里/小时。为了有更大的空间放置燃料，X-43C将比X-43A长出0.6米，其超燃冲压发动机可工作200秒，而X-43A的发动机只有5～7秒的工作时间。NASA计划在2008年进行X-43C的飞行试验。 NASA计划在未来5年中投入大约7亿美元来研究开发高超音速飞行器。NASA希望这一投资将获得空前的回报：为工业开辟新市场；进一步拓展人类在太阳系的探索领域；甚至对国家安全还有极大帮助。NASA表示："在过去4年中进行的试验表明，吸气式推进系统是最有前途的技术，它保证我们能按时实现NASA第三代航天运载器的目标。"目前，NASA计划到2012年研制成功第二代航天运载器RVL，2025年研制成功第三代航天运载器。 先进的吸气式组合发动机 为了实现高超音速飞行，需要攻克许多关键技术，首当其冲的是发动机问题。众所周知，涡轮发动机的比冲，在M数大于3以后，就大大下降。在M数于3～6之间，冲压发动机(Ramjet)具有较高的比冲。在M数于6～14之间，只有超燃冲压发动机具有较高的比冲。超燃冲压发动机是指进气道后的气流速度仍是超音速的冲压发动机。但是冲压发动机在M数小于2时是无法工作的。因此，高超音速飞行只有采用先进的吸气式组合发动机。在这方面，正在从过去进行冲压发动机和涡轮发动机的组合研究，扩展到冲压发动机和火箭发动机的组合研究，以及以火箭发动机为基础的组合循环的研究。国际上首先集中力量，进行单通道、双模态、宽工作范围超燃冲压发动机研究。它包括提高超燃混合效率和燃烧效率的研究；燃烧室冷却技术研究；进气道隔离段的自动补偿作用研究；减轻发动机结构质量的研究等。在这些问题中，最关键的是超音速混合增强方法研究。由于燃烧室的长度有限，气流通过的时间在毫秒量级，在这么短的时间内要使燃料和空气混合燃烧，是一项十分复杂的气动设计问题。 为了减轻质量和节省燃料，高超音速吸气式组合发动机必须从"一体化"的要求来设计每个部件，这时从单个部件性能出发的优化措施，往往与从系统性能出发的优化措施相互矛盾，此时，部件优化必须服从系统优化。在国际上，除了抓紧超燃冲压发动机的研究外，还正在根据现代高技术的成果，探索各种新的发动机概念。例如利用超导技术的电磁加速器、激光脉冲爆轰、核动力和反物质驱动等。 材料与结构 为了发展未来的高超音速飞行器，材料与结构，特别是能否实现轻的结构和有效的防热系统，是主要的风险之一。一方面，很轻的结构要求材料具有高的对质量的比特性；另一方面，大的结构件必须在-250℃～1800℃的温度范围内正常工作。重复使用要求结构更轻、更坚固。在结构优化设计的基础上，结构材料的选用变得更为关键，例如：先进的石墨复合材料主结构，石墨复合材料和铝-锂推进结构，钛铝、不锈钢和石墨复合材料起落架等。先进的防热系统要求长寿命，低维护，耐用性好，因而，必须在高超音速飞行器的不同部位采用不同的先进的防热材料，如：端头、控制面和机翼前缘采用先进碳-碳或碳-碳化硅复合材料防热结构，大面积上采用金属防热结构，部分区域也可采用可改制的先进柔性隔热毡TABI、复合柔性隔热毡CFBI、先进的防热瓦材料等。为了发展有效的防热系统，除了做好材料与结构的研究外，还要建设必要的地面模拟设备，如大功率的电弧加热器和高温热结构风洞等，并采用模型自由飞试验，对防热结构进行考核。 空气动力学 由于发动机的比冲随飞行M数的增加而下降，对高超音速飞行器的气动布局首先提出了降低阻力的要求。由于对飞行器机动性和起飞降落等性能要求，对高超音速飞行器的升阻比和其它性能也提出了新的要求。飞行器热防护与热结构设计、飞行姿态控制、推进系统也对空气动力学提出了一批需要研究的新概念。为此，必须掌握与高超音速飞行器气动布局及其与推进系统一体化设计相关的高超音速流动规律，解决在真实飞行环境下所出现的气动力、气动热新课题。具体研究内容包括：地面试验设备及数值模拟设备的建设，实验技术与数值模拟技术研究和气动布局研究。目前提出的布局有升力体布局、细长体布局和乘波(Waveriders)布局等。乘波布局是指飞行器前缘都是斜激波的布局，飞行器就像乘在激波之上。Hyper-X的几个验证飞行器都采用了这种布局。对于上述布局，都必须考虑机体与发动机的一体化，力求获得最优的气动性能(如高的升阻比、低的阻力等)和最轻的结构重量。此外，还必须研究真实气体的影响。也就是真实气体不仅影响飞行器的气动力和气动热，而且影响超燃冲压发动机的燃烧过程。 研究、发展、试验和评估的一体化 为了研制出满足设计要求的高超音速飞行器，必须一体化地成功应用三个手段，即模拟和仿真(M&S)、地面试验和飞行试验。过去国内提出的三个手段，是指计算、地面试验和飞行试验。现在由于计算技术的发展，采用模拟和仿真的提法要更确切些。对于吸气式高超音速系统，十分关键的是要将这些手段发展到这样一个状态，这些手段能够有效地平衡，以提供高超音速系统的研究、发展、试验和评估(RDT&E)的一体化。2000年，美国空军咨询委员会(SAB)，对美国空军高超音速技术计划的评估报告指出："限制美国持续发展高超音速能力的关键因素是缺乏飞行试验数据。"为了获得飞行数据，需要一个建立计算模拟、地面试验验证和飞行试验确认一体化的反复渐进过程。进一步，RDT&E的一体化，是一个贯穿在从X飞行器导出概念到系统的发展试验的过程。这就要求在试验发展中广泛采用模拟和仿真，以达到更有效地进行试验和预测新概念飞行器的飞行试验结果。同时还要发展与试验相关的计算技术。当然，模拟和仿真是地面和飞行试验的补充，而不是替代它们。 高超音速空气动力学现在主要依靠组合计算流体力学、工作时间较短的高温设备和有限的飞行数据。计算的进步主要取决于对物理化学现象了解的突破和计算机运算速度和存储的提高。计算流体力学的突破，还必须有一定的试验数据来进行确认。计算的优点是在观察现象时，可以将各种机理孤立出来进行研究。计算也可获得大量流场数据。这种能力常用于研究很难进行实验测量的物理现象。在地面设备能力不足时，较便宜的计算流体力学可用来将地面数据外推到飞行条件。但是现在还不可能证明，完全依靠计算流体力学可以完成高超音速飞行器的设计。其原因是它在模拟高超音速流动方面的能力还是不充分的。实际上，计算结果的误差和地面试验设备的误差是相当的。 地面试验设备在恰当地模拟高超音速飞行的能力方面存在一定的局限性。现有的一个设备不可能同时模拟高超音速飞行器对环境、尺度和试验时间的要求，因此必须组合使用不同种类的设备。对于推进系统，美国国家研究委员会(NRC)和SAB评估报告都认为：现有的地面设备的能力可以模拟到M7，对美国空军阿诺德工程发展中心(AEDC)的设备稍加改造后，可以模拟到M8。现在也已提出了一种地面设备的新概念。它是将高功率激光加热空气到50000大气压，可以提供M16左右的模拟试验能力。但是现在建设这样的设备，在技术和经济两方面都缺乏条件。另外，对于碳氢燃料，用于主动冷却时其量很大，目前的地面设备也没有能力实现。 由于计算和地面试验的局限性，为了减少发展高超音速飞行器的风险，必须进行飞行试验。传统的飞行试验是在产品研制的最后阶段进行的，也就是进行样机试飞，而高超音速飞行器的飞行试验的目的在于综合考核新概念和确认设计方法。它对改进手段也有很大的作用。高超音速飞行器只有经过飞行试验的演示验证，才能开始研制。近年来，国外把这种做法叫做"先期概念技术演示验证"(ACTD)。但飞行试验也有很大的局限性。用它来建立一个综合数据库以确认计算流体力学程序，显然是不大可能的。在飞行中也难以进行精确的测量，而且不大可能进行流场的测量。 对于高超音速飞行器，需要发展一种研究、发展、试验和评估的一体化的方法，就必须对上述三种手段很好地综合和协调，而最终还需要进行必要的飞行试验。 我国的发展道路 高超音速技术的应用目标是实现低成本进入太空、研制成功适应未来高技术战争的高超音速武器。由于高超音速技术广泛的应用价值，已引起世界各大国的重视。 我国著名科学家钱学森先生是高超音速技术的最早倡导者之一。他在1945年发表的一篇论文"论高超音速相似律"中，首先采用"Hypersonic"这个词来表示高超音速，即飞行M数大于5的飞行，后来这个词就在全世界流行开来。他在1962年出版的《星际航行概论》一书中，还具体提出了用一架装有喷气发动机的大飞机，作为第一级运载工具；用一架装有火箭发动机的飞机，作为第二级运载工具的航天运载器概念。而关于喷气发动机，他提出要"以涡轮喷气发动机起飞，当高度超过10公里及飞行速度达到两倍声速以上时再把冲压发动机开动，继续爬高和加速，直到极限，然后第二级火箭脱离第一级起飞。"在上世纪80年代后，许多国家又详细研究了钱学森先生提出的这个概念。 我国为了在高超音速技术领域能有所突破，应该集中各方面的力量，在认真总结国外经验教训的基础上，大力创新，研究和提出结合国情的发展战略和具有中国特色的高超音速飞行器和其发动机的概念，并根据我国的条件，吸取美国NASP计划的下马在方法论方面的经验教训，充分利用模拟和仿真、地面试验和飞行试验等三种手段，尽可能开展各种先期的演示验证。我们相信，我国一定会在高超音速技术方面作出杰出的贡献! 责任编辑：兆然■