一、高超音速飛行器表面溫度分布

該圖片由注冊用戶"知識君"提供，版權聲明反饋

當飛行(xing)器以高超(chao)音速(su)在(zai)大氣(qi)中(zhong)飛行(xing)時，氣(qi)動加熱嚴重(zhong)。當飛行(xing)速(su)度(du)達到8馬赫時，飛(fei)行器的(de)頭錐(zhui)部(bu)位溫度可達1800℃，其它(ta)部位的(de)溫度也將在600℃以上(shang)。因此設計(ji)合(he)(he)適的(de)熱載荷管理系(xi)統成(cheng)為必須。此前(qian)的(de)太(tai)空“穿(chuan)梭(suo)”航天(tian)(tian)器，航天(tian)(tian)飛(fei)機的(de)熱效(xiao)應主(zhu)要(yao)是集(ji)(ji)中在(zai)升(sheng)空和(he)再入階段(duan)，時間(jian)相(xiang)對有限，在(zai)熱防(fang)護(hu)上(shang)是以隔(ge)離(li)為主(zhu)，機體材料(liao)(liao)可(ke)選余地較(jiao)大(da)。但(dan)高超(chao)音速飛(fei)行(xing)器在(zai)大(da)氣(qi)層內(nei)長(chang)(chang)時間(jian)飛(fei)行(xing)，摩擦(ca)熱集(ji)(ji)中在(zai)機體的(de)前(qian)端和(he)翼面前(qian)緣，氣(qi)動加熱持續(xu)時間(jian)遠(yuan)比航天(tian)(tian)器要(yao)長(chang)(chang)，若沒有有效(xiao)的(de)溫(wen)度控制手段(duan)將無法保(bao)證(zheng)結構安全(quan)，也(ye)無法保(bao)證(zheng)機體內(nei)部設備的(de)工作環境。對于熱防(fang)護(hu)首先就是材料(liao)(liao)的(de)選擇，選用(yong)長(chang)(chang)壽(shou)命、耐高溫(wen)、抗腐(fu)蝕(shi)、高強度、低密(mi)度的(de)輕質材料(liao)(liao)。目前(qian)研制的(de)和(he)可(ke)能采用(yong)的(de)新材料(liao)(liao)主(zhu)要(yao)有輕金(jin)屬材料(liao)(liao)、金(jin)屬基復合(he)(he)材料(liao)(liao)、聚合(he)(he)物基復合(he)(he)材料(liao)(liao)、陶瓷基復合(he)(he)材料(liao)(liao)、碳-碳復合材(cai)料等。

只不(bu)(bu)過(guo)高超音(yin)速飛行(xing)(xing)器(qi)，與(yu)(yu)空氣(qi)的(de)(de)(de)摩擦熱量(liang)實(shi)在(zai)(zai)是(shi)(shi)太(tai)大，對飛行(xing)(xing)器(qi)的(de)(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)與(yu)(yu)結構的(de)(de)(de)選(xuan)擇實(shi)在(zai)(zai)是(shi)(shi)巨大難題。機體材(cai)(cai)料(liao)很可(ke)能(neng)因溫度(du)的(de)(de)(de)飆(biao)升發生著(zhu)膨脹(zhang)形(xing)變(bian)，加之(zhi)機體內不(bu)(bu)同材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)膨脹(zhang)系數(shu)不(bu)(bu)同，形(xing)變(bian)程度(du)又(you)有著(zhu)差別。這細(xi)微的(de)(de)(de)形(xing)變(bian)隨之(zhi)可(ke)能(neng)引(yin)發高速飛行(xing)(xing)的(de)(de)(de)飛行(xing)(xing)器(qi)的(de)(de)(de)氣(qi)動控制的(de)(de)(de)改變(bian)、機體的(de)(de)(de)振動乃至(zhi)解體。目前在(zai)(zai)美國(guo)多(duo)數(shu)高超音(yin)速飛行(xing)(xing)器(qi)的(de)(de)(de)頭(tou)部(bu)多(duo)采用鎢基(ji)材(cai)(cai)料(liao)，但這種較高價值的(de)(de)(de)金屬材(cai)(cai)料(liao)，隨之(zhi)引(yin)發的(de)(de)(de)就是(shi)(shi)成本的(de)(de)(de)居高不(bu)(bu)下，對于未(wei)來的(de)(de)(de)武器(qi)化、大范圍(wei)的(de)(de)(de)裝(zhuang)備又(you)會是(shi)(shi)不(bu)(bu)小(xiao)的(de)(de)(de)障礙。對于層(ceng)出不(bu)(bu)窮的(de)(de)(de)復合材(cai)(cai)料(liao)，在(zai)(zai)新材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)設計與(yu)(yu)加工(gong)都還有這加工(gong)難度(du)的(de)(de)(de)問(wen)題，就像在(zai)(zai)美國(guo)“獵鷹”的(de)(de)試驗計劃中多次推遲(chi)的(de)(de)原(yuan)因就有碳基殼體(ti)材料出(chu)現了剝離問題(ti)，研制人員(yuan)不得不改進工藝來使(shi)材料更易制造(zao)和(he)性(xing)能穩定(ding)。

在(zai)基(ji)礎材料(liao)之外，高(gao)超音速飛(fei)(fei)行(xing)器(qi)還(huan)必須在(zai)飛(fei)(fei)行(xing)器(qi)的總體設(she)(she)計和結構設(she)(she)計中考慮熱防護因素，采(cai)用主動(dong)降溫技術措施。比如，在(zai)X-51A上(shang)，不僅有著結(jie)構(gou)熱(re)(re)(re)防(fang)護措(cuo)施，又(you)將燃(ran)料(liao)作為(wei)結(jie)構(gou)散熱(re)(re)(re)的(de)(de)載(zai)體，在(zai)熱(re)(re)(re)交換器內流動(dong)后帶走發(fa)動(dong)機(ji)(ji)的(de)(de)熱(re)(re)(re)量承擔發(fa)動(dong)機(ji)(ji)散熱(re)(re)(re)的(de)(de)作用。在(zai)高溫段(duan)吸熱(re)(re)(re)后的(de)(de)燃(ran)料(liao)裂(lie)解(jie)成低(di)(di)分(fen)子(zi)產物，循(xun)環到(dao)超燃(ran)沖(chong)壓(ya)發(fa)動(dong)機(ji)(ji)動(dong)力系統(tong)后更適合工作要(yao)求(qiu)。消耗，利用燃(ran)料(liao)循(xun)環系統(tong)作為(wei)外殼持續降溫的(de)(de)手段(duan)。正是隔熱(re)(re)(re)層、耐熱(re)(re)(re)結(jie)構(gou)材料(liao)，降低(di)(di)熱(re)(re)(re)流，減少熱(re)(re)(re)應(ying)力、熱(re)(re)(re)傳送和熱(re)(re)(re)冷(leng)卻等(deng)多項措(cuo)施的(de)(de)全面綜(zong)合采用，才有熱(re)(re)(re)防(fang)護問(wen)題的(de)(de)解(jie)決(jue)可能，才有飛(fei)行器向高超音速的(de)(de)沖(chong)刺。

二、美國高超音速飛行器型號簡介

X-43

X-43系(xi)列(lie)高(gao)超音(yin)速飛機是美國航(hang)空航(hang)天總署秘密(mi)研制的無人駕駛飛機，看上去很(hen)像一塊漂亮的沖浪板。1996年開(kai)始(shi)研制。2004年第二次試飛(fei)成(cheng)功，并突破7倍音速(su)。

美(mei)國航天局在加(jia)利福尼亞當地時間(jian)11月16日，成功地(di)進行了無人駕駛(shi)的(de)高超(chao)音速試驗飛機X-43A飛行試(shi)驗。X-43A試驗飛(fei)機(ji)飛(fei)上了太平洋上空，飛(fei)行速度為(wei)每小時(shi)1萬(wan)多公里，此(ci)時飛行馬(ma)赫數為9.6，即飛(fei)行速度為(wei)音速的9.6倍，從而打破了一架(jia)同(tong)樣型(xing)號的(de)X-43A試驗飛(fei)機創(chuang)造(zao)的馬赫數為7的紀(ji)(ji)錄，再次創造了飛(fei)機飛(fei)行最(zui)高飛(fei)行速度紀(ji)(ji)錄。當地(di)時間昨天下(xia)午(wu)，X-43A試驗(yan)飛機在加利福尼(ni)亞州洛杉磯北部沙漠中愛(ai)德(de)華空軍基地被一架改(gai)型的B-52飛機運載到1.2萬(wan)米的(de)高(gao)空(kong)，在這個(ge)高(gao)度它脫離母機(ji)，啟(qi)動自(zi)己的(de)沖(chong)壓發(fa)動機(ji)，加速(su)到(dao)每小時1萬(wan)多(duo)公(gong)里的速度(du),沖到3.35萬米(mi)高空(kong)。

美國航(hang)天(tian)局的X-43A計劃目(mu)標是(shi)制造(zao)能(neng)到達地球大氣層邊緣的(de)飛(fei)機(ji)，計劃的(de)研制周期(qi)為(wei)8年，研究預算為2.3億美元(yuan)。計劃中的(de)(de)主要(yao)研(yan)制(zhi)目標就是沖壓發動(dong)機(ji)(ji)，科學家認為(wei)這(zhe)(zhe)是為(wei)實現(xian)研(yan)制(zhi)出能接近地球(qiu)大氣層邊緣的(de)(de)飛機(ji)(ji)這(zhe)(zhe)一目的(de)(de)最安全和(he)便宜的(de)(de)飛機(ji)(ji)發動(dong)機(ji)(ji)，因(yin)為(wei)這(zhe)(zhe)種發動(dong)機(ji)(ji)能將空氣中的(de)(de)氧氣吸進發動(dong)機(ji)(ji)中，而(er)一般的(de)(de)航空發動(dong)機(ji)(ji)需(xu)要(yao)自帶氧化劑，從而(er)增加燃料重(zhong)量。

X-51

X-51A是美國空軍(jun)研究實(shi)驗室（AFRL）與國防高級研究計劃局（DARPA）聯合主持研制的超燃沖(chong)壓(ya)發動(dong)機驗證機——乘波飛行器（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(ran)(ran)料(liao)超燃(ran)(ran)沖(chong)壓發動機推動，設計飛行馬赫數(shu)在(zai)6～6.5之間。這個計劃的終極目標就是要發(fa)展一種比美國原武(wu)器庫中任(ren)何一種導彈的速度(du)都要快5倍以(yi)上，可以(yi)在1小時內攻擊地球任意位置目標的新(xin)武器。

x-51a

X-51A（又名：“乘波者”），為美國(guo)軍方最新研(yan)發的實驗型高超音速飛行器(qi)。美國(guo)X-51A型高超音速(su)飛(fei)行器(qi)成(cheng)功完成(cheng)最(zui)后一(yi)次(ci)(ci)試飛(fei)。此前(qian)，“乘波者(zhe)”共進(jin)行過(guo)三次(ci)(ci)試飛(fei)，均未(wei)能實現以6倍(bei)音(yin)速飛行300秒的初(chu)始(shi)計劃(hua)。X-51A超燃沖(chong)壓發動機(ji)技術將應用到其(qi)他(ta)領域，比如(ru)研(yan)發可一(yi)小時內攻擊(ji)全球任一(yi)目標的(de)武器。

HTV

除了研發X-51A外，美國防部(bu)高級(ji)研(yan)究計劃局(ju)（DARPA）還有HTV計劃，但是其在2011年8月的測(ce)試中墜(zhui)毀(hui)，工程師希望其能達到20馬(ma)赫的飛行(xing)速度。2011年進行的HTV任務(wu)歷時9分鐘(zhong)，但是飛(fei)行器只進行了大約3分鐘的可控飛行，它與X-51A相比，HTV并沒有配備吸(xi)氣式的超(chao)燃沖壓發動機(ji)。

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(yin)速(su)飛行(xing)的高超音(yin)速(su)隱形(xing)戰略轟炸機B-3，在(zai)2030年左右替代時下(xia)的B-2隱形轟炸機(ji)，獨霸新世紀的(de)天空(kong)。設計(ji)中的(de)B-3隱(yin)形戰略轟炸機(ji)的作戰能(neng)力(li)將不同凡(fan)響，主要表現在三(san)個方面：驚人的高(gao)超(chao)音速遠程(cheng)飛行(xing)能(neng)力(li)，可在1小(xiao)時之內轟(hong)炸世界任何地(di)點；力(li)求最(zui)佳(jia)的隱(yin)形效(xiao)果；強大的攻擊能力(li)，其載(zai)彈量將達到或超過B-52的(de)水平，因此它將成為轟炸機中的(de)“大(da)哥大(da)”。

SR-91

“曙(shu)光(guang)女神”高(gao)超音(yin)速(su)戰略偵察機

國別：美國

類型：偵(zhen)察機

型(xing)號(hao)：“極光”/“曙光女神

研(yan)制單位： 保密(mi)未公(gong)開 造價：研發費用(yong)大約為44億到(dao)80億美元，購買24架(jia)大約還要100億到240億美元

現狀： 保(bao)密未公開(kai)

“曙光女神”高超音速偵察機(Aurora)，又名“極(ji)光”，據稱其正式編號為CP-140或SR-91 ，是美國(guo)續(xu)SR-71“黑鳥”戰(zhan)略偵(zhen)察(cha)機(ji)之后新(xin)一代(dai)戰(zhan)略偵(zhen)察(cha)機(ji)。盡管美國官方(fang)一再(zai)否認該機(ji)的(de)存(cun)在，但有(you)越來越多的(de)證(zheng)據表明該機(ji)已存(cun)在多年，只(zhi)是美國軍方(fang)的(de)保密工(gong)作做得極好(hao)，如同當年的(de)B-2。

SR-72

SR-72偵察機(ji)臨(lin)界鷹戰略隱身多用途(tu)飛(fei)機(ji)（ENGLISH：Lockheed Martin SR-72）是(shi)由美(mei)國洛克希(xi)德·馬丁公司(si)于2007年提(ti)出的新(xin)(xin)型戰(zhan)略隱身多用途(tu)飛機概念(nian)，該型機本(ben)身涵(han)蓋完整的偵察(cha)系統并可攜(xie)帶在超高(gao)至臨界(jie)空域的新(xin)(xin)型武器，集(ji)情報收集(ji)、偵察(cha)、監控、打擊等諸(zhu)多功能為一體。

SR-72高(gao)超音速無人(ren)偵(zhen)察機主要用于(yu)取代上世紀(ji)70年(nian)代研制的(de)SR-71“黑鳥”高速高空偵察機，其最(zui)高飛行速度將達到驚人的馬(ma)赫數6(也就是聲音速度的6倍)，是SR-71高速(su)(su)高空偵察機(ji)最大飛(fei)(fei)行(xing)速(su)(su)度的兩倍，是目前第四(si)代戰斗機(ji)最大飛(fei)(fei)行(xing)速(su)(su)度的三(san)倍，甚(shen)至其飛(fei)(fei)行(xing)速(su)(su)度比(bi)一些(xie)常見的導彈還要快，堪稱(cheng)人類制造(zao)的“最快飛(fei)(fei)機(ji)”。因為其速(su)(su)度優勢，高超音速(su)(su)飛(fei)(fei)行(xing)器對21世紀防空(kong)系統的(de)(de)壓力(li)極(ji)大，一些(xie)著名(ming)的(de)(de)地空(kong)導(dao)彈(dan)，如美國的(de)(de)“愛國者(zhe)”、俄羅(luo)斯的(de)(de)S-400和中國的紅旗-9甚至無法(fa)追上(shang)這種飛機，從(cong)而無法(fa)攔截和擊落(luo)它[2]。

XS-1

英國《簡(jian)氏防務周刊(kan)》網站(zhan)7月(yue)31日發表(biao)題為(wei)《五角大樓用于發射衛星的無(wu)人機進入(ru)研(yan)發新階(jie)段》的報道(dao)稱，根據7月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試驗型太空飛機。

該項目旨在研發(fa)一(yi)種可重復使用的無人發(fa)射器，其成本(ben)、操作方式和(he)可靠(kao)性(xing)與現代飛機類似，能將3000至5000磅（1磅約合0.454千克）的小型載荷衛星送(song)入低地球軌道。

可(ke)(ke)重復(fu)使用(yong)的第(di)一(yi)級(ji)能(neng)夠在亞軌道高(gao)(gao)度作(zuo)高(gao)(gao)超音速飛(fei)行(xing)。當達到適當的速度和(he)高(gao)(gao)度后(hou)，一(yi)個或多個一(yi)次性(xing)的其他級(ji)將與(yu)第(di)一(yi)級(ji)分離，并(bing)將小(xiao)型衛星送(song)入(ru)低地(di)(di)球軌道。之后(hou)，可(ke)(ke)重復(fu)使用(yong)的第(di)一(yi)級(ji)將返回地(di)(di)球，為下次飛(fei)行(xing)做準備。

美(mei)國國防部高級研究項目局在(zai)(zai)聲(sheng)明中稱(cheng)，在(zai)(zai)1B階段(duan)，波(bo)音公(gong)司負責研發XS-1的(de)展示概念(nian)和核心技術。加上1B階段的投入，迄今波音公司研(yan)發團隊獲得的經(jing)費總額已經(jing)從(cong)1000萬美元增加到1660萬美元。其(qi)中(zhong)波音公司提(ti)供了(le)600萬(wan)美元，其余部分由美國(guo)國(guo)防部高級研究項目局(ju)提供(gong)。預(yu)計1B階段(duan)的工作將于2016年8月之前完成。

高級研究項目(mu)局計(ji)劃明年舉行第(di)二階段競賽(sai)，以決定哪支(zhi)團隊(dui)獲得制(zhi)造XS-1的合同并進行(xing)展示(shi)飛行(xing)。

X-37B

X-37B空天戰斗(dou)(dou)機是(shi)(shi)由美國(guo)波音公(gong)司(si)研制的無(wu)人且可重復使用的太空飛機，由火箭發射(she)進入太空，是(shi)(shi)第一架既(ji)能(neng)(neng)(neng)在地球(qiu)衛星(xing)軌道上(shang)飛行(xing)、又能(neng)(neng)(neng)進入大氣層的航空器(qi)，同時結(jie)束任務后還能(neng)(neng)(neng)自(zi)動(dong)返(fan)回地面，被認為是(shi)(shi)未來太空戰斗(dou)(dou)機的雛形。其最高速度能(neng)(neng)(neng)達(da)到(dao)音速的25倍以上，常(chang)規軍(jun)用雷達技(ji)術無(wu)法捕捉。