天下武功 唯快不破

（一）

所謂“乘波體”（Waverider），是指一種外形是流線型，其所有的前緣都具有附體激波的超聲速或高超聲速的飛行器。“乘波體”優越的氣動特性已成為現代導彈、特別是高速遠程巡航導彈和航天飛行器的候選外形。“乘波體”的概念最早由諾威勒于1959年提出。由于當時沒有能力制造生產高超聲速吸氣式飛行器，其后的幾十年中鮮有對乘波體飛行器的研究工作。后來隨著高超聲速巡航飛行技術的日漸成熟，從上世紀90年代起興起了對乘波體優化、黏性效應和超燃沖壓發動機的研究。目前，美國正在進行試驗驗證的乘波體飛行器有X-43和X-51。

X-51開發目的是為了驗證一種自由飛行、超燃沖壓發動機驅動的飛行器的可行性，這被認為是高超聲速武器和其他高速平臺發展必須突破的階段。然而，除了2010年5月份首飛取得部分成功，達到馬赫數4.88之外，2011年3月和2012年8月進行的兩次飛行都因出現故障而過早結束。因此，本次飛行成功對于空軍繼續開展后續研究以實現高超聲速能力建設的長期目標至關重要。

本次試驗采用的是波音公司制造的四架飛行器中的最后一架，動力采用普惠洛克達因SJX61雙模態亞燃/超燃沖壓發動機，發動機根據前三次飛行試驗的經驗和教訓進行了改進。這些改進包括在發動機流道截面處采用更好的密封，防止重蹈首次飛行時燃氣侵入到飛行器內部導致飛行過早結束的覆轍；此外，針對第二次試飛進氣道未啟動的故障進行了軟硬件改進；最后，針對第三次試飛時飛行器控制翼面故障進行了改進。

本次試驗仍然采用了之前的任務模式，測試的X-51A和改進的火箭助推器一起在B-52H飛行過程中釋放，助推器完成任務后與X-51A分離，然后超燃沖壓發動機點火工作。

X-51項目完成后美國空軍仍將繼續進行高超聲速研究工作，X-51項目的成功將為后續的研究工作，如美國空軍研究實驗室尚處于早期階段的高超聲速打擊武器（HSSW）提供一定的幫助。

除了目前發展的高超聲速巡航導彈外，高超聲速飛機也在研制過程中。高超聲速飛機具有很強的突防能力，能在短時間內到達全球任何地點執行攻擊、偵察和運輸等任務。它具備的快速反應能力和打擊能力有強大的威懾力，并對未來戰略平衡和戰爭形態產生巨大影響。

（二）

早在上世紀90年代初，美國休斯公司就進行過從高超聲速飛機上投放彈藥的研究。美國空軍在1996年的《新世紀展望》中設想到2025年裝備飛行速度為12至15倍聲速的高超聲速飛機，其飛行高度為28至42千米，航程為22000千米。

目前，美國空軍已與波音、洛克希德·馬丁和諾斯羅普·格魯門等3家公司簽訂了合同，進行未來攻擊飛機（FSA）的研究，并計劃在2035年前投入使用。

美國還在開展高超聲速轟炸機和高超聲速偵察機的研究。

高超聲速偵察機是一種最新的偵察機，它擁有的速度可以使偵察變得更加容易以及更加安全，這種偵察機速度可達馬赫數5～9，航程超過1800千米，裝有超燃沖壓發動機，有人或無人駕駛。主要用于偵察敵方對空防御系統陣地情況，還能執行電子情報搜集等多種任務。

超高聲速轟炸機是一種攻擊范圍大，作戰比較靈活的轟炸機。計劃研制中的高超聲速轟炸機能把炸彈投到地球上任何地點并返回到原起飛點，能精確投擲高爆穿甲彈或動能武器來實施打擊，下一步將配載高能激光武器或粒子束武器攻擊目標，不需中途加油和在國外設置前進基地，飛行高度高、速度快、側向機動性好，目前的防空武器很難打到它。

高超聲速無人機的飛行速度將達到馬赫數12～15，飛行高度26～38千米，可以快速到達目標地點，向后方傳出最新的戰場態勢，從而取代現今高速偵察機。還可以在高超聲速無人機上裝載偵察設備和精確制導武器，用于偵察和攻擊世界各地的重要目標，或伴隨高超聲速巡航導彈執行戰場毀傷評估與偵察任務。

（三）

實現高超聲速飛行的關鍵是超燃沖壓發動機。普通噴氣發動機通過燃燒做功再以超聲速噴出完成了飛機的超聲速飛行，隨著飛機速度越來越快，阻力也不斷升高，遲早會有一個階段，飛機的阻力會超過它發動機輸出的推力，這時無論怎樣加力、加燃料速度還是上不去。這就遇到一個速度門檻，這道門檻一般發生在馬赫數5左右，所以超過馬赫數5的速度就不叫超聲速，而叫高超聲速。目前能達到高超聲速的噴氣發動機一般都是超燃沖壓發動機。

超燃沖壓發動機是指燃料在超聲速氣流中進行燃燒的沖壓發動機，一般采用碳氫化合物燃料，飛行速度在馬赫數6～25之間。相對比傳統的吸氣發動機，超燃沖壓發動機是將超聲速氣流在進氣道擴壓到較低的超聲速，然后燃料從壁面或氣流中的突出物噴入，在超聲速燃燒室中與空氣混合并燃燒，最后，燃燒后的氣體經擴張型的噴管排出。超燃沖壓發動機通常利用飛行器機身的前體作為進氣道的一部分來預壓縮來流空氣，利用機身的后體作為尾噴管的擴張面，從而極大地減小了發動機的迎風面積、外阻力和重量。

用超燃沖壓發動機來做推動力并不是一個新概念。國外超燃沖壓發動機技術的發展已有50多年的歷史。20世紀60年代，最早的專利就記錄在案了。60年代中期，一些超燃沖壓發動機已經進行過飛行試驗，最高速度達到馬赫數7.3。通用電氣公司、聯合技術公司、約翰·霍普金斯大學APL實驗室以及NASA蘭利研究中心等研制出典型的氫燃料超燃沖壓發動機。

80年代中期，美國政府在“星球大戰”背景下啟動了以超燃沖壓發動機為動力的國家空天飛機計劃。但是，隨著冷戰結束、財政緊縮，美國政府不得不在1994年取消這個計劃，當時他們已經投資了近20億美元。2004年，NASA的HyperX計劃完成，成功地進行了兩次氫燃料超燃沖壓發動機的飛行試驗。這兩次飛行都是在單一速度和高度下，持續了數秒。同年末，X-43A超燃沖壓發動機試驗飛行器創造了馬赫數9.6的紀錄。

故事并沒有到此結束，2004年初，美國空軍開始實施超燃沖壓發動機驗證機（SED）計劃。普惠公司/波音公司“幻影”工作組聯合小組獲得美國空軍研究實驗室（AFRL）的合同，將對吸熱燃料的超燃沖壓發動機飛行驗證機（EFSEFD）進行試驗，將要試驗的超燃沖壓發動機驗證機又稱“乘波體”。這就是X-51計劃的背景。

回到X-51本身上來，SJX61原來是為了NASA的X-43C項目而準備的，但由于X-43C項目后來被取消，所以SJX61發動機一下子沒有了用武之地，波音公司的選擇，無疑給了它一條出路，在經過SJX61-1后，目前X-51A上使用的是SJX61-2。此外，為了啟動SJX61超燃沖壓發動機，X-51A需要一部固體火箭發動機（來自于MGM-104陸軍戰術導彈系統/ATACMS）進行加速。SJX61是一臺具有飛行重量的超燃沖壓發動機，該發動機將以來自機載熱交換器的燃油為燃料，并用熱燃氣閥門將其引入發動機的燃燒室。整個過程將用一個全權數字電子發動機控制裝置，該裝置由燃氣渦輪發動機上的產品改進而來。

SJX61還可能在馬赫數4.5～5時開始用于驗證該發動機的啟動過程。目前，美國空軍阿諾德工程發展中心的工廠有能調節馬赫數5到7.1試驗速度的噴嘴，空軍實驗室與阿諾德工程發展中心驗室與一起工作，生產出可滿足馬赫數5和6試驗速度要求的噴嘴。空軍實驗室正在與阿諾德工程發展中心和普惠公司最終決定了4次X-51最適合進行飛行試驗的馬赫數。

（逸文）

高超聲速 美國之外的三股勢力

俄羅斯飛行器=導彈

高超聲速飛行器技術將為航天運載領域、遠程打擊武器領域等帶來革命性的變化，是俄羅斯人早就認識到的。所以當美國人高調開展多種高超聲速飛行器研制計劃之后，俄羅斯政府終于放棄沉默，于2009年宣布重新向該領域投入巨資，與美國展開競賽。不過，與美國人不同的是，俄羅斯從一開始就將重點放在了武器研制上，即開發高超聲速導彈。

2012年初，時任俄羅斯副總理的德米特里·羅戈津在視察了彩虹設計局的高超聲速武器項目——“戰術導彈特別項目”之后，曾經對媒體表示“高超聲速武器是俄羅斯政府支持的優先項目，即使現在困難重重，也要繼續研制下去。”這在當時讓很多人都認為是項目遇到了困難。

然而，就在羅戈津視察彩虹設計局幾個月后，俄羅斯軍方于2012年夏在阿赫圖賓斯克州的飛行測試中心進行了一次武器發射試驗，俄羅斯《消息報》發布的消息稱“試驗武器與現役所有的武器都不一樣，它應該就是高超聲速武器的技術驗證設備。”

據報道，在這次發射試驗中，試驗飛行器由載機帶入高空，在與載機分離之后其自身發動機點火，飛行器加速飛行，但是持續時間較短。很顯然，這次試驗沒有達到既定的速度目標。不過，俄羅斯國防部在事后稱此次試驗并非真正意義上的發射試驗，而是彈機分離試驗。試驗中，導彈從載機上分離，發動機點火，然后以亞聲速飛行數千米并著陸。試驗的目的是驗證導彈在飛行中的表現，以及導彈與發射系統和載機的交互能力。俄羅斯政府計劃在今年7～8月間，將進行第二次發射試驗，也將是超高聲速武器的全速測試，地點仍然是阿赫圖賓斯克州的飛行測試中心。事實上，這個測試中心是俄羅斯著名的卡斯普京雅兒靶場的一部分，該靶場主要負責火箭、導彈等武器測試。

以彩虹設計局為首的研制團隊，目標是突破馬赫數4或者更高。當飛行器的飛行速度達到馬赫數4～5時，其表面的溫度會急劇升高，并會遇到許多低速飛行時從未遇到的空氣動力變化等。此外，要達到上述飛行速度，單一的推進模式無法實現，必須采用多種推進模式聯合工作，或者研制一種能夠以多種模式工作的新型推進系統。

如果能夠解決上述技術問題，航空航天領域的很多難題都將迎刃而解。利用這些技術不但可以制造高速巡航導彈，還能制造新型的航天運載器，甚至可以制造常規起降模式的載人航天飛機，從普通跑道水平起飛就能實現入軌。更重要的是，與傳統運載火箭相比，上述航天運載器的成本將大大降低。

印度兩個計劃同時推進

高超聲速技術驗證機

由印度國防與發展組織（DRDO）主導研制的高超聲速技術驗證機（HSTDV），一個關鍵的技術目標是其配備的超燃沖壓噴氣發動機能夠持續工作20秒，也就是說作為助推器的固體火箭脫離后，HSTDV能夠依靠自己的發動機持續飛行20秒。而HSTDV的最終試驗目標，是在32.5千米高度飛行速度達到馬赫數6.5。這項技術成熟后，未來也可以用于開發可重復使用的航天運載器。作為其野心勃勃的高超聲速巡航導彈研制計劃的一部分，印度研究機構正在大力推進HSTDV的硬件及軟件的研制和測試。

按照印度國防研究與發展組織的計劃，早期的飛行測試主要用于驗證HSTDV的氣動外形、熱防護材料的性能，以及發動機的工作穩定性。印度早在數年前的班加羅爾航展上就展出了一個全比例的模型，目前正在制造一架試飛樣機，配備推力590千克的超燃沖壓吸氣式發動機。

據印度媒體透露，印度在2004年就完成了HSTDV及發動機的設計。2008年，DRDO的一位高層透露，印度希望通過HSTDV計劃，驗證高超聲速飛行器的氣動性能，以及超燃沖壓噴氣發動機在15～20千米高度工作的性能。如果技術成熟，未來即可以用于研制可重復使用的航天運載器，也可以用于研制遠程高速巡航導彈。在HSTDV項目上，據傳以色列和英國都向印度提供了幫助，主要是外形設計、風洞測試和腔制技術等方面。此外，作為印度在國防領域的主要合作伙伴，俄羅斯也可能向其提供了幫助，后者在高超聲速飛行器推進系統方面，有著數十年的研制經驗。

HSTDV采用扁平的楔形設計，其中截面為八邊形，長5.6米，重約1噸，中機身兩側設計有短翼，并在尾部兩側設計有V形尾翼，機身下是截面為矩形的3.7米長進氣道。為HSTDV配套的超燃沖壓噴氣發動機安裝在機身后部，并于后機身一道構成了尾噴口。為了防止氣流的溢出，以及提高發動機的推力，前機身下表面設計有兩條平行的邊條。此外，兩側短翼的襟翼外段還可以用來控制飛行過程中的機體滾轉。HSTDV的機身下表面、短翼和尾部都采用鈦合金材料制造，機身上表面則采用了高溫鋁合金。發動機兩側外護板的內表面采用鈮鋁合金，外表面采用了鈮錳合金。

最初，由于發動機材料不過關導致發動機試驗連續失敗，印度被迫啟動一項計劃專門開發發動機用的各種材料。這也使得發動機在最近的一次地面測試中持續工作達到20秒。據資料顯示，截至2010年底（印度原定的首飛時間），HSTDV項目至少已經完成了5次的各種測試。其中包括一個1：16的縮比模型在以色列宇航公司（I—AI）完成了高超聲速風洞測試；進氣道在班加羅爾印度國家宇航試驗室（NAL）完成了3倍聲速風洞測試；發動機在NAL完成了20秒開車試驗等。

2011年11月，印度DRDO官方還發布消息稱，為了解決試驗能力弱的問題，印度將在海德拉巴投資約6600～8800萬美元籌建至少4處大型綜合試驗設施，其中包括一個高超聲速風洞。上述風洞等試驗設施建成后，印度將能獨自完成HSTDV的各項地面測試，最高可以滿足馬赫數12的高速飛行器風洞測試。

“布拉莫斯”II更為實用

如今，印度已經成為繼美國之后世界上第二個公開高超聲速飛行器研制計劃的國家，而其近期的種種動作也證明該計劃正在加快實施。同美國一樣，印度的目標是實現發動機持續工作600秒，飛行器航程達到1500千米。這兩項指標，是未來發展用于打擊遠距離堅固目標和時間敏感目標武器的關鍵。

除了HSTDV項目外，印度當前正在實施的一項高超聲速武器項目就是“布拉莫斯”Ⅱ巡航導彈研制計劃。“布拉莫斯”Ⅱ是印度和俄羅斯聯合研制的“布拉莫斯”巡航導彈家族的第二代產品，最大射程達到290千米，最大飛行速度馬赫數7，計劃2017年投入發射試驗。由于俄羅斯是國際導彈技術控制條約的締約國，所以不能幫助別的國家發展射程超過300千米的導彈，因此“布拉莫斯”Ⅱ的射程被限制在了290千米，但是飛行最大速度卻是現有“布拉莫斯”導彈的2倍，也是世界上目前飛行速度最快的導彈。據來自印度的消息，“布拉莫斯”Ⅱ對地攻擊型已經于2011年10月完成設計，并制造了4枚樣彈。原計劃2012年進行的發射試驗沒有如期進行。

歐洲法國與ESA各有盤算

盡管美國的X-51在經歷多次失敗之后才取得成功，但是在法國看來，他們已經為研制高超聲速飛行器做好了技術準備。當然，法國人的樂觀是有理由的，在這之前，他們已經在采用超燃沖壓噴氣發動機的ASMPA空射核巡航導彈項目上探索多年，并且還承擔了了“流星”沖壓式中距空空導彈的大量研制工作。

LEA明年開飛

目前，法國國家宇航研究院（ONERA）正在根據其主導的高超聲速飛行器驗證項目（LEA）研制一種高空無人飛行器，該飛行器長度超過4米，采用高升阻比的氣動外形，未來可裝備分辨率達到0.3米的合成孔徑雷達，可以進行全天候監視和情報搜集。更為重要的，該無人飛行器的飛行速度可以達到馬赫數4～5，并能在27～30千米的高度巡航。工作過程中，該飛行器可以由“陣風”戰斗機攜帶到空中發射，先依靠其配備的固體助推器爬升至12千米高度，然后其沖壓發動機點火并加速，此間該飛行器將繼續爬升至27千米高度，在目標區域飛行400～500千米后返回。飛行器自身攜帶降落傘以便直升機進行回收。這種無人飛行器將采用與ASMPA導彈類似的沖壓發動機，為了適應大高速飛行，ON-ERA還在為其研制空氣冷卻系統。此外，ONERA還基于全數字合成孔徑雷達，為該飛行器研制一套傳感器組件，而該飛行器模型已經開始在“獵鷹”20公務機上進行空中氣動測試。

作為法國LEA計劃的一部分，法國打算明年將完成制造的首架無人飛行器送到俄羅斯進行高超聲速飛行試驗。用于試驗的無人飛行器長42米，重為600千克，采用沖壓和超燃沖壓組合動力系統。沖壓一超燃沖壓動力組合是現階段高超聲速飛行器最為成熟的動力方案，但在高超聲速飛行條件下難以做到穩定點火和燃燒，因此也容易導致飛行測試失敗，美國的X-51就兩次栽在這方面。

根據法國和俄羅斯達成的協議，LEA的飛行測試將用俄羅斯空軍的圖-22M3轟炸機作為載機，并在超聲速飛行狀態下投放無人飛行器，使其擁有盡量大的初速。試驗中，4.2米長的無人飛行器加上基于Kh-22反艦導彈改進而來的助推系統，總重量將超過5噸，總長近12米。無人飛行器的計劃投放高度13000米，分離速度1.7倍聲速。無人飛行器從載機脫離后，助推系統將LEA加速至4～8倍聲速，達到沖壓發動機的工作速度，計劃飛行時間為20～30秒鐘，其中至少有10秒鐘完全依靠自身動力，飛行高度可以達到40千米。

目前，法國和俄羅斯的專家正在為飛行試驗進行前期準備，俄羅斯中央流體動力研究院（TsAGI）已經完成了圖-22M3掛載LEA和在空中投放分離的風洞試驗。其實早在2009年，法國和俄羅斯就達成了聯合進行LEA飛行測試的協議，但是LEA動力系統的設計方案其間多次更改，導致整體設計一直無法通過ONERA的評審。因此，關于LEA的飛行測試才一直推遲至今，預計在2014～2015年間完成。

ESA的兩種方案

除了法國自己的高超聲速飛行器研制計劃外，歐洲宇航局（ESA）也在領銜推進一項名為HexFly的高超聲速飛行器研制計劃（高速試驗型飛行器），并提出了兩種不同尺寸的設計方案，飛行速度達到馬赫數8。

與其他各國同類項目啟動之初就關注實用意義不同，2012年10月啟動的HexFly項目更多的是探索，旨在通過試飛一種集成了先進的推進系統、結構和系統技術的概念性飛行器構型，以快速追蹤新型高超聲速飛行器方案的研制步伐。并歐洲宇航局希望通過該項目的研究，為此領域的國際合作探索一條道路。同時，希望借助更多次的試飛，避免當前高超聲速飛行器研制過程中采用縮比模型進行風洞試驗和數字建模的局限性，提高技術成熟度。

歐洲宇航局在此之前已經開展了多個相關研究項目，如Lapcat（長期先進的推進系統方案和技術）和Atlas（高速飛行的空氣動力和熱載荷交互及先進的輕型材料）等，只不過這些項目的研究方向和目標都相對單一。因此，歐洲宇航局未來的HexFly設計該方案驗證機將會廣泛采用上述項目的研究成果，以綜合性地解決性能、氣動力、推進系統、材料、控制和環境等問題。

歐洲宇航局表示，HexFly傾向于一體化的高速設計，能夠從馬赫數5加速到馬赫數8的巡航速度。因此，飛行器本身的設計將是最大的挑戰。受制于地面式驗設施和成本，歐洲宇航局考慮將制造長度為1.5米和4.5米兩種尺寸的試飛樣機，同樣會采用加速助推器。同法國、美國一樣，歐洲的HexFly的飛行試驗，將優先選擇在俄羅斯的試驗靶場進行。

（逸文）