向著軍事化飛馳

李京

近20年來，美國圍繞常規快速全球打擊和作戰快速響應空間計劃，積極開展高超音速巡航導彈、高超音速滑翔飛行器和可重復使用航天運載器的研究，高超音速技術取得了很大的成就。

Hyper- X計劃與X- 43A

空天飛機項目雖然取消，但積累了豐富的數據和經驗。加上俄羅斯“冷”發動機成功的刺激，美國于1997年正式啟動了Hyper-X計劃，主要目的是驗證超燃沖壓發動機為動力的高超音速試驗飛行器的總體性能，以及檢驗高超音速飛行器的設計和試驗方法。

Hyper-X計劃制造了使用液氫燃料超燃沖壓發動機的X-43A高超音速飛行器。這種機身一體化設計的超燃沖壓發動機是過去20年研究的成果總結。據稱X-43A使用的超燃沖壓發動機是NASP主發動機的原型型號，已經進行了充分的地面風洞測試和模擬仿真，美國工程師們對它的高超音速飛行工作很有信心。簡單地說，它的前機身起到了進氣道的作用，而機身后部起到尾噴管的作用。但X-43A飛行速度遠超馬赫數5，氣動加熱成了非常嚴重的絆腳石。美國為它研制了最新的熱防護結構，保證其復合材料可以承受高超音速飛行時的熱載荷。X-43A的飛行試驗的成功也讓它成為美國高超音速技術發展中一個重要里程碑。

X-43A飛行器從B-52轟炸機上釋放后使用“飛馬座”固體火箭第一級進行加速，到達預定高度和速度后與助推火箭分離，超燃沖壓發動機點火工作5到10秒，將飛行器加速到馬赫數7或10，進行一系列高超音速下的空氣動力學和推進系統試驗。根據計劃，首次飛行將要達到馬赫數7，第二次仍為馬赫數7，而第三次將達到馬赫數10。除了2001年6月2日的首次試驗由于助推火箭故障失敗外，后兩次試驗都達到了預定的速度，創造了吸氣式發動機飛行器在大氣層內加速飛行的速度紀錄。

2004年3月27日，X-43A發射后在28500米高度與助推火箭分離，超燃沖壓發動機點火工作約11秒，推動飛行器加速達到馬赫數6.83的最高速度。2004年11約16日，X-43A在第三次試驗中工作約11秒，達到馬赫數9.8的最大速度，這兩次成功試飛是首次實現以超燃沖壓發動機為動力的飛行器的自由飛行（俄羅斯的“冷”計劃中助推發動機未分離），是高超音速推進技術從理論走向應用階段的重要標志。

X-43A尖銳的前緣由11個部件構成，鼻緣半徑只有0.03英寸（0.762毫米），這雖然有利于升阻比的提高，但加劇了氣動加熱，鼻緣區溫度相當高。美國航空航天局的地面數值仿真計算顯示，在馬赫數7的飛行速度下，鼻緣溫度可達約1650℃，而馬赫數10時更是高達2093℃到2204℃。為此，X-43A前緣的11個部件都使用碳-碳復合材料，還特意增加了碳化硅耐熱涂層，但仍然難以在高速高溫和高熱流的沖擊下勝任預定任務。 NASA為此專門成立了馬赫數10前緣顧問委員會，研究高超音速下的熱防護問題，提出并主要使用了三種解決辦法。

首先是使用不同的涂層材料制造了前緣部門的試制件，并在電弧噴射實驗中模擬實際飛行環境。涂層材料的選取不僅取決于耐高溫性能，還取決于它的熱處理溫度、熱輻射系數等因素。前緣碳-碳復合材料的涂層由三層薄膜構成，首先是碳化硅轉化層，中間是化學蒸汽沉積法制造的碳化硅涂層，最外層是化學蒸汽沉積法制造的碳化鉿涂層。防熱涂層的熱處理工藝同樣至關重要，比如具體工藝的層裂剝落強度也是選擇涂層和工藝，保證涂層耐高溫性能的重要指標。

其次，對沿弦向和沿展向的碳碳復合材料都使用了非均衡編織的技術，通過熱導率的變化“疏通”熱流，降低熱應力引起的變形和由此產生的更嚴重的氣動加熱。這種獨特的方法利用了復合材料的可設計性，通過改變結構熱導率改變部件熱流的技術，是目前高超音速領域緩解熱應力和熱變形最有效的方法之一，有人稱之為“熱導法”。

第三個加強熱防護的手段被稱為滑動連接法。高超音速飛行時面對高溫高熱流引起的熱變形，傳統的思路是強度上盡可能堅固，而X-43A卻反其道而行，在鼻緣構件上使用了套槽插孔的連接設計技術，允許熱膨脹甚至相對滑動，降低了熱應力對飛行器整體結構的影響。X-43A飛行器的上下表面使用覆蓋氧化鋁陶瓷的防熱瓦，發動機散熱使用納米氧化鋁顆粒增強銅基復合材料合金。超燃沖壓發動機前緣和導流板還使用了主動水冷防熱設計，以緩解火箭助推階段和超燃沖壓發動機工作時產生的高加熱量。

美國航空航天局還計劃進行碳氫燃料的X-43B項目。X-43B使用一體化吸氣火箭系統發動機，目標是使用碳氫燃料完成初始啟動，達到馬赫數2.5后啟動亞燃沖壓模式，達到馬赫數5后啟動超燃沖壓模式，最終達到馬赫數7的最高速度。

HyTech計劃

X-43A項目雖然達到了預期目標，但液氫燃料并不是高超音速飛行器的實用選擇，從X-43A的發動機不得不使用主動水冷的設計，就可以看到它的局限性。正因為如此，美國稍后將研制重點轉向速度較低但實用價值更大的碳氫燃料超燃沖壓發動機項目。其中美國空軍研究實驗室、美國國防高級研究計劃局和美國航空航天局推出了HyTech計劃。

HyTech計劃從1996年開始，重點是普惠公司的HySET發動機研制項目，目標是研制一種在馬赫數4-8速度下工作的碳氫燃料雙模超燃沖壓發動機。發動機不僅使用混合壓縮進氣道，還將使用碳氫燃料進行再生冷卻，并考慮了發動機和導彈的一體化外形設計，以及使用輕質材料減輕重量和更好的熱防護系統等設計。

在部件技術驗證階段，普惠公司在超音速風洞中進行了大量縮比試驗，并開展了一體化進氣道的研究試驗。對于燃燒室部分，通過縮比實驗模型驗證了高超音速下的燃燒效率。對噴管部分，不僅研究了推力矢量噴管的控制方案，還對噴管使用的碳-碳、碳-碳化硅耐高溫復合材料進行了詳細的試驗研究。

在此技術基礎上，普惠公司開始制造地面驗證機GDE-1和GDE-2。GDE-1是一種雙模超燃沖壓發動機，包括可調板進氣道、主副燃燒室和單面膨脹而尾噴管，其中進氣道和噴管使用耐高溫復合材料確保被動冷卻，而燃燒室由高溫合金組成，使用碳氫燃料進行再生冷卻。碳氫燃料對燃燒室的冷卻本身也是預熱分解和汽化的過程，有助于加速超音速燃燒。GDE-1發動機在地面自由射流試車臺上，在模擬馬赫數4.5馬赫和馬赫數6.5速度下進行了數十次高超音速試驗。這也是碳氫燃料超燃沖壓發動機的首次地面自由射流試驗。GDE-2發動機更進一步，擁有一體化的燃料系統，用于驗證閉環條件下主動冷卻系統和燃料調節系統的設計和性能，它還使用了FADEC控制系統，2005年在馬赫數5的自由射流試驗中進行了長時間的成功試驗。2006年，GDE-2多次成功進行馬赫數5的高超音速工作試驗，作為一個成套的實用化推進系統，它標志著高超音速推進技術取得了里程碑式的重要成就，為后續飛行試驗項目鋪平了道路。

NASA還討論過使用美國空軍HyTECH碳氫燃料超燃沖壓發動機的X-43C項目、X-43A進一步發展的X-43D項目。X-43D計劃使用氫燃料超燃沖壓發動機達到馬赫數15的速度。規劃很豐滿，但現實卻很令人無奈。最終只有X-43A進行了實際飛行試驗，X-43B、X-43C和X-43D都胎死腹中。

X- 51A

美軍還啟動過“先進快速反應導彈演示器”項目，速度指標達到了馬赫數6以上，目標是研制出一種可以對400海里外目標進行廉價快速打擊的高超音速導彈，項目提出了兩個備選的方案：乘波體設計和傳統的圓柱體設計。2001年工組取消后，兩個方案分別成為不同的新項目，也就是美國空軍研究實驗室（AFRL）的X-51A和美國海軍研究局（ONR）的“高飛”（HyFly）項目。

X-51A是美國空軍、美國國防高級研究計劃局、普惠和波音公司的聯合項目，它部分繼承了早期Hyper-X的氣動布局和機身/發動機一體化設計等技術，是美國新世紀最成功的超燃沖壓發動機試驗項目之一。它外形上是典型的乘波體布局，動力采用HyTech項目下普惠公司研制的SJX61發動機。

SJX61發動機首先在地面超音速風洞進行了GDE-1和GDE-2等試驗，初步檢驗了發動機的性能，隨后計劃使用X-51A飛行器試飛。

按照要求，X-51A飛行器將在27.4千米高度巡航，飛行速度馬赫數4.5-6.5，發動機點火工作時間300秒，實際上它就是未來高超音速巡航導彈的縮比試驗飛行器。

2010年5月26日X-51A進行了首次試驗，試驗中它在21千米高度加速到速度接近馬赫數5，不過超燃沖壓發動機只工作了約140秒，加速度也比設計指標低得多。但這個140秒的高超音速動力飛行，已經把上一個記錄保持者X-43A的12秒飛行遠遠拋在身后。

2011年6月13日的第二次試驗和2012年8月14日的第三次試驗都失敗了。

2013年5月1日的最后一次飛行中，X-51A從B-52H轟炸機上投放，由助推器加速到馬赫數4.8。隨后超燃沖壓發動機開始點火工作時間，并最終將速度加速到馬赫數5.1。動力飛行210秒后，由于燃油耗盡停止工作，最終在發射370秒后落入太平洋，其飛行距離據稱達到了740千米。

X-51A的試驗刷新了超燃沖壓發動機的歷史記錄。雖然飛行試驗中超燃沖壓發動機并沒有達到300秒的工作時間，更沒有達到馬赫數6的速度。但它的成功仍是高超音速飛行器和超燃沖壓發動機的巨大突破。SJX-61發動機在實際飛行中不僅實現了凈推力和正加速度，并持續工作了上百秒時間，比X-43A的發動機工作時間提高了一個數量級。

X-51A的部分成功已經極大地鼓舞了美國國防高級研究計劃局。目前美軍打算在此基礎上研制高速打擊武器，它使用碳氫燃料超燃沖壓發動機，速度超過5馬赫，射程可能高達1000千米左右。

“高飛”（HyFly）計劃

對比X-51A項目的成功，美國國防高級研究計劃局和海軍研究辦公室的聯合項目HyFly就要倒霉的多。HyFly的發動機由約翰·霍普金斯大學的應用物理實驗室研制，是一個使用雙燃燒室沖壓發動機的實驗項目，其源頭可以追溯到20世紀60年代的超燃沖壓導彈項目。20世紀70年代開始應用物理實驗室提出了雙燃燒室沖壓發動機概念，并證實了它使用碳氫燃料的可行性，經過十多年的研制，先后在進氣道、亞音速燃燒室和超音速燃燒室等方面取得突破。

HyFly的軸對稱亞燃/超燃發動機設計十分巧妙，它使用廉價的傳統JP-10航空煤油。戽斗形的外殼內部設計了三個不同的氣流通道，其中25%的空氣通過旋流通道和導流通道進入亞音速燃燒室，又有25%的空氣被強迫旋轉后進一步減速，與霧化燃料結合成為油氣混合氣，剩余的則形成富油混合氣。亞音速燃燒室的燃燒和普通沖壓發動機類似，因此它可以將啟動速度降低到馬赫數3。而X-51A的SJX61發動機則要在馬赫數4.5以上內才能點火啟動。HyFly發動機剩余的75%空氣通過一個收斂通道進入超音速燃燒室，與亞音速燃燒室部分燃燒的富油混合氣混合進行完全燃燒，實現穩定的超音速燃燒，最終可達到馬赫數6的速度。

HyFly在風洞中成功模擬了27400米高空馬赫數6.5飛行的情況。2005年進行了自由飛大氣層超燃沖壓發動機實驗技術子項目試驗，發射了縮比的雙模沖壓發動機，并工作15秒之久，在19200米高度速度達到了1.6千米/秒的速度。

HyFly設計雖然巧妙，但試驗卻異常悲劇。三次飛行試驗都以失敗告終。2010年7月29日，這種設計速度馬赫數6、射程600海里的高超音速導彈在悄無聲息中黯然落幕。

“先進高超音速武器”

美國陸軍“先進高超音速武器”（AHW）項目，其目標更多著眼于再入后高超音速滑翔的增程效果。項目的技術源自美國桑迪亞實驗室早年的桑迪亞有翼再入飛行器試驗，使用雙錐體氣動外形加氣動舵面控制技術，雖然它的升阻比要比HTV-2要低得多，但技術難度更低，從而為試驗的成功奠定了基礎。2011年進行了第一次飛行試驗，它使用戰略靶彈系統從夏威夷群島的考艾島發射場發射后，和助推器分離再入，開始高超音速滑翔，并成功飛抵距離發射成3700千米外的夸賈林環礁的里根靶場。第一次試驗搜集了高超音速助推-滑翔飛行的試驗數據，考核了高超音速滑翔飛行器的氣動、制導和熱防護技術。

2014年8月25日進行了第二次試驗。它計劃從阿拉斯加州的科迪亞克島發射場發射，最終落區位于夸賈林環礁的里根靶場，總飛行距離約3500海里（6500千米）。但升空才4秒，就因為STARS助推器的故障引爆了試驗導彈甚至損壞了發射臺。事后分析稱問題來自STARS的熱防護層。

AHW的成功試驗是美國近些年來高超音速試驗飛行中不多的亮點，第一次成功的鼓舞，加上第二次試驗失敗并非AHW自身問題，使之得到了高層的賞識。2014財年AHW得到了5500萬美元預算，2015和2016財年分別是9000萬和8600萬美元，至于2017到2021財年可能申請高達10億美元的預算，用于在2017到2019年間進行更多的飛行試驗。目前損壞的發射工位已經修復完畢，AHW的第三次飛行試驗有望在2017年進行。根據2017財年預算申請，AHW的后續試驗中可能使用新研制的助推器。

“先進高超音速武器”在美國高超音速助推-滑翔武器中起到了中流砥柱的作用。它接替了高大上但屢屢失敗的HTV-2的地位，也被稱為替代再入系統。該技術成熟后如果轉化為實際高超音速裝備。

“戰術助推滑翔”（TBG）

美軍最有望實用化的助推-滑翔項目，還是美國空軍和美國國防高級研究計劃局聯合開展的“戰術助推滑翔”（TBG）項目。TBG項目計劃將吸取HTV等項目的經驗教訓和技術成果，研制一種空射或艦載、可以在10分鐘內飛行超過1000海里的戰術級助推-滑翔導彈，據稱TBG將首先被加速到高超音速，隨后在接近60千米的高度開始再入滑翔。從某種意義上說， TBG可以看做是“潘興Ⅱ”導彈的延續，兩者擁有類似的射程，不同在于TBG要進行遠距離的高超音速滑翔，具有更強的機動能力和突防能力，美國反介入研究不斷升溫的背景下，TBG轉化的實際高超音速武器項目將具有極大的現實威脅。

這些使用超燃沖壓或是沖壓發動機的項目取得了不小的成績，但距離實用的高超音速導彈還有一定的距離，于是底蘊深厚的美國人也想到使用傳統的渦輪噴氣發動機研制高速打擊導彈，這就是曾經大名鼎鼎的時敏目標遠程打擊創新方法了。這個型號由洛-馬公司研制，使用羅爾斯·羅伊斯公司的YJ-102R渦輪噴氣發動機，試驗階段要求以0.25g的加速度從亞音速加速到至少馬赫數3，并持續飛行至少5分鐘，而最終目標是做到以0.5g加速到馬赫數4以上的速度，并以馬赫數4的速度飛行至少15分鐘。雖然尚未達到一般意義上馬赫數5的高超音速劃分標準，但在飛行速度和飛行時間上已經和現有常見的馬赫數2級別超音速導彈拉開了差距，接近了高超音速飛行器。2009年YJ-102R發動機在高速渦輪發動機演示合同下進行了首次成功試驗，但不久后的低速試驗中遭遇失敗，最終導致失去了支持。

2016年先進全量程發動機項目下，美國還在研制新的渦輪基組合循環發動機，它將綜合低速的渦輪噴氣發動機和高速推進的亞燃/超燃沖壓發動機，共用進氣道和尾噴管，其主要難度在于普通渦輪噴氣發動機速度不超過馬赫數2.5而傳統燃沖壓發動機速度不低于馬赫數3.5的銜接問題。AFRE將研制出一種可在馬赫數0-5速度范圍內工作的渦輪基組合巡航發動機，作為未來吸氣式高超音速飛行器的推進系統。從FaCET到AFRE的渦輪基組合循環發動機計劃一脈相承，從2013年洛克希德·馬丁公司公布SR-72項目看，它很可能使用源自AFRE或是后續項目的渦輪基組合循環發動機。

美軍仍在等待以超燃沖壓發動機技術研制馬赫數6左右的高超音速導彈，帶來類似隱身技術的革命性突破。美國空軍和美國國防高級研究計劃局聯合推動的兩個高超音速方向之一就是高超音速吸氣式武器概念作為X-51A的后續者，將研制更先進的高超音速飛行器、效率更高的超燃沖壓發動機和熱防護以及控制部分等性能更好的子系統。美國空軍實驗室負責、洛-馬公司正在研制的高速打擊武器項目將以X-51A上得到驗證的碳氫燃料超燃沖壓發動機為基礎，進一步驗證高超音速飛行技術。如果項目進展順利的話，2020年左右有望看到美軍先進吸氣式高超音速導彈的試驗。