本文2009211218收到，沈娟系中国航天科工集团三院三一〇所助理工程师，李舰系北京机电工程研究所工程师
沈 娟 李 舰
摘 要 介绍美国高超声速推进技术研究所取得的成就及其后续发展进程，阐述其对未来航空武器装备发展和作战方式的影响，指出超燃冲压发动机的技术难点。
关键词 高超声速 推进技术 材料引 言
高超声速(M a >5)飞行器是军、民用航空航天领域重要的战略发展方向之一。为推进美国“全球到达，全球打击”计划，美国国防部加快发展X 251A 高超声速巡航飞行器，计划将其发展为一种马
赫数达到5～7的高超声速全球精确打击武器。虽然美国声称,X 251A 高超声速飞行器验证机计划的主要目标是验证有关高超声速巡航飞行所需的关键技术，而不是制造一种武器，但据美国战略司令部最近透露，这个计划的终极目标就是要发展一种比目前美国武器库中任何一种导弹的速度都要快5倍以上、可以在1h 内攻击地球任意位置目标的新武器，并称一旦这种武器投入使用，美国就可以在避免引发世界范围的核战风险和不需要利用盟国或海外基地支持的情况下，对目标发起迅雷不及掩耳的攻击。
美国是开展高超声速推进技术研究最早的国家之一，从20世纪60年代开始,NAS A 和美军就一直没有间断过此领域的研究和验证。2007年，波音公司研制的X 251A 乘波超燃冲压发动机验证机通
过关键设计评审(CDR )以及首次发动机地面点火，标志着美国在高超声速推进技术领域取得了新进展。2009年4月完成了首架X 251A 乘波体静态飞行试验飞行器的组装工作，为下一步的高超声速飞行试验做准备。2009年7月开始各项地面试验，各
项关键技术均取得了重大突破，飞行试验估计在
2009年10月底进行。波音公司还在继续评估X 251的后续型号，其编号从X 251B 延续到X 251H 。美国X 251A 计划的目标，很可能是发展一种高超声速远程打击导弹，同时将推动吸气式空间往返飞行器的研制。按照X 251A 的发展进程安排，高超声速导弹可能将于2015年前后问世。
1 美国X 251A 超燃冲压发动机验证计划取得阶段
性进展
X 251A 具有典型的导弹特征，机体有一个扁平的头锥、弹体中部设有4片可以偏转的小翼(襟翼)，进气道在腹部。X 251A 长度为4.27m ，质量为680kg，采用乘波构型设计，通过扁平头锥，可以形成按精确角度分布的激波系，使激波系产生的所有压力直接作用在导弹下方，从而为导弹提供升力，同时，头部形成的激波系还能将空气引入到矩形发动机进气道中，有助于X 251A 发动机的燃烧过程。X 251A 机体由铝合金和钛合金制造。头锥采用钨合金，前缘采用复合材料，飞行器表面和喷管涂有轻质耐蚀材料，可以承受1260℃的表面温度。完整的X 251A 巡航飞行器由助推器、中间级和巡航级组成，总长度7.65m 。助推器由陆军战术导弹系统的固体火箭助推器改进而来，增加了气动整流罩和轻质钛喷管。因其质量和体积与联合防区外空地导弹差不多，所以能搭载在B 252等轰炸机和其它喷气战斗机上投射。
超燃冲压发动机是X 251A 项目能否成功的关键。由普惠公司研制的全尺寸X 21发动机样机从2006年12月到2007年4月在NAS A 兰利中心的高
▲ 加挂在B252H机翼下的X251A
温风洞中进行了大量的试验。2007年5月，在NAS A兰利研究中心风洞内首次完成了X21发动机马赫数为5的模拟飞行试验。在成功点燃X21发动机验证机期间，工程师用全权数字电子发动机控制器(F ADEC)来模拟M a=5的空速，经历了大约40多次循环，马赫数从4.6逐渐增加到5.0，最后增加到6.5。通过试验也验证了冷却发动机硬件并调节进入燃烧室燃料的闭路热管理系统的工作状态。据介绍，发动机的性能超过预期，这是该项目开始迈入实际应用的重要一步。同时,X251A验证机也在2007年5月通过了关键设计评审，政府和工业界部门的官员们经过评审，通过了飞行器的设计、装配、系统一体化和飞行试验计划。表明飞行器的设计满足要求，可以采购飞行硬件、制造和装配，并准备在2009年夏天开始马赫数为6～7的飞行试验。X251A团队将进行飞行前的风险评估，该评估将冻结研制进度并解决遗留的采购、制造、装配和飞行试验计划等问题。
2008年11月初，惠普公司洛克达因分部向波音公司交付了4台用于飞行试验的发动机。第一台发动机组装在波音公司制造的X251A巡航飞行器上，然后与助推器连接，成为一个完整的组合系统。该系统作为静态试验飞行器于2009年4月进行地面振动试验和结构模态试验。试验后对其进行改装，使其成为第4架用于飞行试验的X251A巡航飞行器。
X22超燃冲压发动机试验样机已经完成19次地面试车，其中8次是在M a=4.6的条件下进行的,11次是在M
a=5的条件下进行的。飞行试验预计从2009年10月持续到2010年3月，计划进行4次飞行试验。试验目标：超燃冲压发动机顺利点火，并加速到预期的马赫数。试验时，由B252轰炸机载带升空,B252轰炸机从爱德华空军基地起飞，爬升到15.2km高度，然后释放X251A巡航飞行器。助推器燃烧大约30s后，将X251A助推到20k m高度，速度加速到M a=4.6～4.8。波音公司X251A项目官员认为，仅仅依靠4次试验就成功完成高超声速飞行器的飞行试验项目面临着一定的风险，最好能进行10次飞行试验，但他对只依靠有资金支持的4次试验就成功完成项目也表示乐观。波音公司已经向美国空军研究试验室提交了X251A 飞行试验次数由4次增加到6次所需的经费和技术数据。增加飞行次数，可以同时增加试验的安全系数和试验内容，如利用X251A的GPS天线验证导航点制导技术。
X251A飞行试验是采用燃料冷却超燃冲压发动机进行的，其飞行试验时间从X243A的10s增加到5m in。目前，超燃冲压发动机技术已接近成熟，并将进入工程应用阶段。
2 高超声速推进技术对未来航空武器发展和作战方式的影响
按X251A计划的后续发展进程，高超声速可能于2015年前后问世，它将具备许多独特作战使用优势并给防空系统带来新的重大威胁。与亚声速和超声速相比，高超声速在快速反应、突防和常规打击加固目标的能力上均有明显优势:
1)战场空间更加广阔。M a=6的高超声速飞行器能在很短的时间内抵达地球上的任何一点，迅速打击数
千或上万公里外的各类军事目标，这大大地拓展了战场的空间。
2)突防能力更加强大。高超声速飞行器的飞行速度太快，使得防空系统的拦截概率因反应时间太短而大幅度下降，因而具有较高的突防成功率，可有效地制约预警和武器系统整体功能的发挥。如果高超声速飞行器与隐身技术相结合，那么防空探测
系统的应急反应时间将会更短，其生存能力将更强，更易夺取战场主动权。
3)精确作战效能更高。高超声速动能武器不仅能通过热辐射和冲击波造成毁伤，而且能依靠直接命中来破坏目标的内部结构，精确打击时附带的损伤比常规精确制导武器要小得多。比如一种高超声速炮弹只有1.5kg，但其威力足以使一座桥梁解体；高超声速导弹的体积较小，可由轰炸机装载，作战威力显著增强。
现役亚声速打击1000k m 远的目标需要近1h，而高超声速只要约10m in；现有亚声速
主要靠超低空飞行和隐身技术来提高突防能力，但因速度较低而在被目视发现后很容易遭到“低技术”兵器拦截，而现有和今后相当长时期内的防空系统对高空飞行的高超声速将无能为力；高超声速具有极大的动能，可有效提高深埋地下的加固目标的常规摧毁能力。高超声速所具备的这些使用优势甚至能打击可移动的并严密设防的高价值目标，如航母等。3 超燃冲压发动机研究的技术难点
NAS A 曾经在较早的时候提出过一种超燃冲压
发动机的工程性方案，称为模块式方案。这个方案
的特点就是发动机的整体由若干个矩形模块组成，每个模块可独立工作，整个发动机在结构设计上与飞机融为一体，前机身和后机身可起到进气道和尾喷的延展作用。矩形模块使可调部件的设计相对简化，燃料可从每个模块的侧壁和设在中间的支板喷出。当然，超燃冲压发动机既要在范围很宽的飞行状态下工作，又要在超声速气流中组织有效的燃烧，其技术实施难度应该说是非常大的，这基本包括如下几个方面。3.1 超声速燃烧
气流速度越大，组织燃烧越困难。当超声速发动机以很高的速度飞行时，燃料必须在极短的时间内完成喷雾、混合和有效燃烧，这个难度很大。而且燃烧室内还存在着激波和附面层的相互干扰，使燃烧过程更为复杂。3.2 进气道和尾喷的调节
由于超燃冲压发动机要在很广的飞行条件下工作，因此进气道和尾喷管的几何形状需要在很大范
围内进行调节，使发动机时刻处于一种最佳的工作状态。比如，进气道的最大和最小喉道面积变化大，单单从几何结构上来调节是极其困难的。有一种研究称为“热堵塞”，基本原理就是向进气道的气流加热，这样可大大简化几何结构的调节，但如此一来对燃料的喷射则提出了更高的要求。3.3 结构冷却
通常，超燃冲压发动机内工作后燃气的最高温度应该达到或超过3000℃，超过了目前已知的所有结构材料的熔点，解决的办法是用作为燃料的液态氢进行一定复合循环模式的冷却，实验室状态证明是可行的。3.4 耐高温材料和吸热燃料这两项技术是高超声速发动机的基本技术，由于高超声速推进系统的热负荷极大，因此需要采用耐高温的陶瓷基复合材料、碳/碳复合材料，同时需要燃料在工作过程中完成许多部件的冷却任务，尽管低温的液氢是很好的燃料和冷却剂，但它的密度太小，需要较大的容积。对于高超声速用途来说，由于机动性和长时间储存要求，需要采用更合适的吸热燃料。3.5 计算方法
我们知道，发动机在飞行试验以前需要在地面进行模拟试验，但目前原有全尺寸发动机试验设备只能模拟到M a =3～4，类似的设备地面极限也就在M a =9～10之内。所以，必须研究出一套精确可行的计算方法建立数据模型，纳入计算机程序用来预估发动机在高超声速状态下的性能。4 结束语
成功完成关键设计评审(CDR )和X 21地面验证表明,X 251A 正在按飞行试验的目标前进。CDR 和发动机
地面试验是X 251A 项目的关键验证点,X 251A 是一个关键系统，它将解答未来研制高超声速飞行器必须面对的多重问题。下一步,X 251A 团队将进行飞行前风险评估，之后,X 251A 将验证M a =4.5～6.5范围内的超燃冲压发动机推进技术、高温材料、机体/发动机一体化和其它关键技术，从而为包括进入空间在内的若干高超声速飞行
器研制打下基础。NAS A基础航空学项目和美国空军科研办公室计划5年内投资3000万美元。这项联合投资计划能够支持大学基础科学或工程研究，更好地了解高超声速飞行。
东风21当前，许多发达国家都将研制高超声速飞行器作为未来国家的战略目标，在这个领域的研究已走过50多年的历史，但由于对超声速燃烧推进系统的基础理论研究还有欠缺，直至今日仍在继续对其基础理论进行研究。在发展高超声速飞行器时，推进技术的研究首当其冲，并且是一项复杂的系统工程。
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(上接第4页)
洛勒尔公司的小型S AR制导系统工作在Ku波段(15GHz～17GHz)。
2002年4月，美国空军研究试验室弹药管理局先进制导部计划用39个月进行大面积搜索合成孔径雷达(WASS AR)导引头项目研究和开发，其最终目标是研制一种价格便宜的宽波段雷达导引头，导引头能够自动截获静止目标和运动目标。该导引头能在大面积范围内搜索、捕获目标，然后对目标进行分类，最后转换成真实波束(real bea m)方式，跟踪运动目标，并进行末段制导。预计其工作频率范围在5GHz～35GHz，发射机功率为10W～20W，可能使用直径为75mm～178mm的电子扫描阵天线，作用距离为8k m～12k m，分辨率在0.1m～1m之间，帧频约2Hz。进行大面积搜索时，典型高度为3k m，斜角为6km～9.2k m，速度为200m/s。导引头的波束宽度为10°，斜视角为7°～56°，每0.5s可覆盖地面上1km×1.15k m的椭圆形区域。该导引头在24.5s时间内，通过执行49次连续覆盖成像(successive d well)，
可以覆盖7km×7k m的正方形区域。
3 结束语
S AR的研制已经在机载、星载方面取得了丰硕成果，并在高技术战争中显示了其重要军事价值，弹载S AR将会成为今后合成孔径雷达军事应用的重点研究方向。面对越来越广泛的军事需求,S AR 技术将朝着多波段、多极化、多视角、多模式、多功能、超宽带、小型化等方向发展。
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