高超聲速飛行器發展綜述及飛行試驗測控需求

張強

【摘 要】介紹了高超聲速飛行器相關概念，歸納了以美國為代表的高超聲速計劃進展，總結了高超聲速飛行器發展過程中的關鍵技術及高超飛行器的特點。針對高超聲速飛行器的特點，對高超聲速飛行器飛行試驗測控需求進行了簡單分析。

【關鍵詞】高超聲速飛行器；精確打擊；測控需求

中圖分類號： V249 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）21-0009-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.004

【Abstract】This paper introduced related concepts of hyper-sound velocity flight vehicle，concluded hyper-sound velocity plan progress that represented by the USA，and summarized the key techniques and features of the hyper-sound velocity flight vehicle during its development progress.This paper took simple analysis of measurement and control requirement during the flight test in allusion to hyper-sound velocity flight vehicles features.

【Key words】Hyper-sound velocity flight vehicle；Accuracy striking；Measurement and control requirement

0 引言

高超聲速飛行器是指在大氣中飛行速度超過5倍音速的飛行器，通常包括帶動力和無動力滑翔高超聲速飛行器，典型的帶動力高超聲速飛行器如X-51以及X-43等，無動力高超聲速飛行器如HTV-2等。高超聲速飛行器具有飛行速度快、反應時間短、作戰半徑大、隱蔽性好、突防能力強等特點，保證了飛行器具有了巨大的軍事、政治和經濟價值。高超聲速飛行器能夠有效地進行高空高速偵察、預警和突防，可對敵方進行直接打擊或作為遠程精確打擊的武器平臺，極大地擴展了作戰空間，提高了作戰效能。

高超聲速飛行器由于其獨特的優勢，目前已成為世界航空航天領域一個極其重要的發展方向和世界各國廣泛關注的焦點。近年來，世界各軍事強國在空氣動力、結構材料、推進技術以及飛行控制等關鍵技術的研究方面積累了豐富的經驗，為高超聲速飛行器未來的發展奠定了堅實的基礎。

近年來，我國在高超聲速飛行器關鍵技術方面有了很大突破，在型號的研制方面取得了很大進步，隨著研制的進程，相關型號將先后到靶場進行各種飛行試驗，由于高超音速飛行器本身特有的特點，對靶場的條件建設提出很高的要求。潛射或艦射高超音速飛行器也是其發展的一個重要方向，作為我國唯一的海上靶場，應該了解高超音速飛行器的性能、特點，提前謀劃，加強高超音速飛行器飛行試驗的保障條件建設及試驗鑒定方法的研究。

1 高超聲速飛行器發展現狀

在高超聲速飛行器研究過程中，以美國為典型代表的高超聲速研究計劃具備了相對完善和成熟的研究體系，主要包括了帶動力高超聲速計劃（HyFly計劃、X-43A計劃、X-51A計劃），無動力高超聲速滑翔打擊計劃（HTV-2計劃、常規打擊導彈（CSM）計劃，弧光導彈（Arclight）計劃），在軌道服務以及高超聲速再入返回計劃（X-37B計劃）和高超聲速基礎研究計劃（NHFRP）。

1.1 帶動力高超聲速計劃

HyFly計劃是由美國海軍主導開展的高超聲速導彈研究計劃，主要發展可在馬赫數3.3-6之間運行的被動冷卻雙燃燒室超燃沖壓發動機技術、氣動/推進一體化的軸對稱高超聲速導彈氣動布局。

X-43A（如圖1）計劃是由DRAPA主導的以氫燃料為動力的高超聲速飛行器研究計劃，旨在發展一體化、小型、氫燃料超燃沖壓發動機的高超聲速驗證飛行器，工作馬赫數為7-10，在技術上已取得了部分成功。

X-51A計劃是由DRAPA主導的以碳氫燃料為動力的高超聲速計劃，主要發展可在馬赫數4.5-7運行的碳氫燃料主動冷卻超燃沖壓發動機技術、氣動/推進一體化的乘波體氣動布局技術、可飛行600秒以上的高超聲速飛行的放熱技術。在試驗中，X-51A（如圖2）已取得了試驗成功，同時，也意味著超燃沖壓發動機將提供一種全新的快速全球打擊能力。

1.2 無動力高超聲速計劃

無動力高超聲速計劃通常采用助推器將高超聲速無動力滑翔飛行器助推到預定的分離點，無動力滑翔飛行器通過長時間的高超聲速滑翔飛行實現快速的投送和打擊。

HTV-2（Falcon）計劃是由DRAPA主導用來驗證全球快速打擊武器的關鍵技術，駐澳包括遠程高超聲速助推滑翔飛行器氣動布局技術、熱防護技術、先進GPS制導技術和碳/碳減速傘技術等。HTV-2計劃的目標是通過采用以米諾陶4火箭為助推器，將HTV-2飛行器投送到預定的高度，HTV-2在大氣層外與助推器分離，速度超過20Ma，采用滑翔方式完成再入滑翔打擊任務。但飛行試驗尚未取得預期的試驗效果。

常規打擊導彈（CSM）計劃主要發展高超聲速助推滑翔導彈技術、大氣層內高超聲速滑翔飛行精確制導和導引技術、高超聲速熱防護系統（TPS）技術、常規戰斗部技術等。CSM可能以“人牛怪-3”火箭為基礎，在CSM第一級和第二級助推器中使用“人牛怪-2”發動機。在近期的試驗中，CSM試驗已取得了成功。

Arclight計劃是由DRAPA主導的旨在演示驗證艦載助推-滑翔的高超聲速技術，最終研制可對戰術、遠程、時間敏感目標進行快速打擊的導彈。弧光導彈將采用MK41垂直發射系統，具備30分鐘內將45-90kg載荷投送至3700km遠處目標的能力。

1.3 在軌道服務以及高超聲速再入返回計劃（X-37B計劃）

X-37B計劃旨在針對可重復使用空天飛機開展RLV全包線制導和控制技術、再入返回的熱結構與防護技術等開展研究。X-37B飛行器通過運載火箭托送到預定軌道，在軌長時間駐留和空間機動，完成任務后通過機動變軌，調整狀態以滿足再入返回窗口條件，通過長時間的高超聲速再入飛行器，最后實現水平著陸。X-37B兩次成功試驗表明，在再入過程中放熱系統、推進系統、電子系統、自主導航與控制、自主返回與著陸和起落架技術上已取得成功，通過在軌長時間駐留和數次大機動飛行，為未來在軌服務和空間抓捕任務積累了大量的試驗數據和經驗。

1.4 國家高超聲速基礎研究計劃（NHFRP）

NHFRP主要開展超聲速燃燒、邊界層物理學、可控沖擊波、非平衡流、高溫材料與結構等基礎技術研究。2009年3月，NASA和美國空軍在加利福尼亞、德克薩斯和弗吉尼亞分別成立了3個國家高超聲速中心，以開展高超聲速飛行器的吸氣式推進系統、材料和結構以及附面層控制領域的預先研究。

2 高超聲速飛行器關鍵技術

高超聲速飛行器包含帶動力和無動力飛行器兩種典型的飛行模式，兩種不同的飛行模式在關鍵技術上具有共性，同時也存在較大差異。在本文中，討論的對象選擇以X-51A與HTV-2兩種典型的飛行器，通過對飛行彈道模式的對比，討論基于不同飛行特性情況的共性關鍵技術和異性關鍵技術。X-51A是一類帶動力系統的高超聲速飛行器，發動機工作處于X-51A巡航飛行段，飛行高度約30km，速度5-7Ma。HTV-2高超聲速飛行器的起始速度為20Ma以上，起始飛行高度約為100km，高超聲速條件下飛行終止高度約15-20km，彈道滿足速度和高度雙跨度高動態變化模式。

本文從氣動布局和氣動/推進一體化、熱技術和熱防護、高精度GNC、動力技術四方面進行對比分析。

2.1 共性關鍵技術

在氣動布局方面，動力和無動力高超聲速均存在高升阻比與有效載荷容量相互矛盾的特性，追求高升阻比將導致飛行器的機構類似乘波體構型，導致載荷的構型必須處于扁平結構設計，與傳統有效載荷設計體系不完全統一。因此，氣動布局的設計需要將有效載荷的設計納入考慮的重要指標。

熱技術和熱防護技術方面，兩類高超聲速飛行器在稠密大氣層內飛行時，空氣均受到強烈的壓縮和劇烈的摩擦作用，飛行器的大部分動能轉化為熱能，導致端頭溫度急劇升高，并且隨著飛行馬赫數的增加，氣動加熱將更趨于嚴重。為保證飛行器在大氣層中不被燒毀，并且保證內部儀器的正常工作，必須采取特殊的熱防護技術，主要關鍵技術包括：（1）防熱系統防熱與結構一體化設計技術，包括防熱結構設計技術、防熱結構與主體結構連接技術、通信窗口的防熱結構設計技術；（2）防熱系統的地面試驗技術，包括防熱材料試驗技術、防熱結構單元件試驗技術、防熱系統陣列結構試驗技術等；（3）防熱系統飛行演示試驗技術，包括飛行演示試驗總體方案研究、飛行演示試驗方法研究、氣動熱環境預測技術、熱的測量技術、熱換算技術等。

高精度GNC技術方面，從硬件上分析：（1）小型化、高可靠與低成本的光陀螺捷聯慣導系統；（2）高動態、抗干擾的兼容GNSS/CGPS/CAPS衛星導航信號接收機；（3）小型大功率合成孔徑雷達及其景象匹配技術；（4）天基寬帶數據鏈通信系統；（5）集成化與智能化并具有自我檢查能力的高可靠控制裝置；（6）小型大功率、高可靠的數字式機電伺服系統。制導控制技術上分析：（1）捷聯慣導系統的快速初始對準與高動態傳遞對準技術；（2）組合導航的信息融合與容錯以及誤差修正技術；（3）“黑障”區內的導航信息補償技術；（4）高動態下衛星導航信息的快速捕捉技術；（5）實時通信與目標重定位定向技術等。

2.2 異性關鍵技術

針對動力系統的設計方面，目前，帶動力的高超聲速飛行器通常采用超燃沖壓發動機作為動力系統，但是，高超聲速空氣在燃燒室中的滯留時間通常是毫秒級，要想在如此短的時間內將其壓縮、增壓，并與燃料在超聲速流動狀態下迅速、均勻、穩定、高效率地混合和燃燒室十分困難的，因此需要對發動機尺寸、形狀以及燃料種類、噴射器設計、燃燒機理進行綜合性能理論和試驗研究。而無動力滑翔高超聲速飛行器不純在此類設計方面的考慮。

在氣動/推進一體化設計方面，帶動力系統的高超聲速飛行器通常采用乘波體理論對機體和發動機進行一體化設計，容易引起空氣動力學與推進系統的強耦合效應，而無動力滑翔高超聲速滑翔飛行器不存在此類設計方面的考慮。

GNC設計方面，通過飛行包線的分析，無動力高超聲速滑翔飛行器包括高度和速度雙域度強變化的特點，當飛行器做大跨度機動飛行時，其動壓和馬赫數在大范圍內變化，造成飛行器的氣動模型和動力學模型的非線性特性突出，從而導致飛行器的動態特性變化顯著。同時，由于無動力高超聲速滑翔飛行器長時間內具有以上的特點，基于上述特點的飛行器控制系統設計更加復雜。高超聲速滑翔飛行器再入階段將經歷的環境非常復雜，為保證飛行器的控制能力，采用RCS作為控制系統的重要組成部分已受到極大的重視，但RCS噴流和飛行器表面氣流之間相互干擾，導致RCS干擾效應的分析極其困難，要求設計的控制算法具有良好的魯棒性；無動力高超聲速滑翔飛行器再入過程中的再入走廊和再入彈道設計技術非常關鍵，在無動力再入過程中需要考慮敵方攔截因素，投放載荷條件約束的影響，同時又必須保證動壓，熱流以及過載等硬約束條件滿足條件，因此，再入彈道設計和再入走廊的分析相比于帶動力高超聲速飛行器更為復雜。無動力高超聲速滑翔飛行器為具備大范圍內的打擊目標的能力，必須具備有高精度的末端能量管理和制導技術，通過在再入末端調整飛行器狀態，保證飛行器能準確投放有效載荷，而帶動力高超聲速飛行器考慮此方面的因素較少。

3 高超聲速飛行器的特點

未來戰爭是高智能化、高信息化的戰爭，空中打擊將主要依靠速度和高度取勝，高超音速飛行器的作戰使命為：有效突破敵反導防御系統，多方向、遠程、快速、精確、靈活打擊敵體系中陸上、海上、空中的目標。超高度超聲速和超機動的飛行特點使得高超聲速飛行器具有以下特點。

（1）飛行彈道復雜

典型飛行剖面分為四段（如圖3）：助推段、爬升段、巡航段和俯沖段。導彈艦載垂直發射或機載水平發射后以較大的彈道傾角加速爬升，在預定的轉級點進行級間分離；然后超燃沖壓發動機點火接力繼續加速爬升，到達預定巡航點按規劃彈道飛行；最后適時機動，進入俯沖，命中目標。

（2）快速打擊能力，先敵打擊、先敵摧毀的實時/近實時快速打擊能力是奪取信息優勢和戰爭主動權的必然要求；

（3）精確打擊能力，對點目標、機動目標的直接命中打擊能力，對目標"點穴式"小附帶損傷打擊能力，是現代戰爭和未來信息化戰爭的基本要求，是精確打擊和常規威懾的技術保證；

（4）有效突防能力：導彈速度越高，其突防能力越強；關于飛行高度，其突防能力與攔截武器類型有關，對于靠氣動力控制的攔截彈而言，其攔截能力隨導彈飛行高度增高而下降，對于靠直接力控制的攔截彈而言，其攔截能力隨導彈飛行高度增高而增強

（5）高作戰效能，具備包括高射前生存能力、有效突防能力、高效毀傷能力等在內的較高綜合作戰效能，是對武器裝備的總體要求；

（6）使用方便，全壽命周期內具備良好的維護性、經濟性、可靠性、安全性等，具備較高的信息化水平和一定的智能化，可多平臺裝載使用，便于部隊的貯存、訓練、作戰使用。

4 高超聲速飛行器飛行試驗測控需求

4.1 航區需求

飛行試驗采用海上航區或海陸結合航區。由于高超聲速巡航導彈飛行速度較高，轉彎半徑大，飛行試驗擬采用直線飛行彈道，這些影響航區長度、高度、寬度選擇確定。

4.2 測控需求

（1）遙測需求

需對飛行試驗全程進行遙測和外測參數測量。為獲取全部飛行試驗數據，測控站（陸基、海基或空基）需根據航區特點合理布置。

彈上測量參數種類、數量非常多，主要包括熱流參數、壓力參數、溫度參數、過載參數、緩變電壓模擬量、開關量等，數據的數據量非常大，因此遙測需滿足大容量數據傳輸要求。靶場地面站應能滿足相關的保密保密要求。

（2）外測需求

對導彈飛行試驗全程進行外彈道測量，測量導彈位置參數及運動參數，如高度、距離、側偏、速度、加速度等。并能夠按要求實時傳送到指揮控制中心，用于監測和安控判決。

（3）安控需求

安控系統采用自主安控方式和被動安控方式兩種方式，通過地彈聯合完成導彈的安全控制。自主安控以位置安控為主，由飛行器根據自主安控準則實施，被動安控由試驗場根據外測彈道和被動安控準則實施。

5 總結

本文從高超聲速飛行器的概念入手，介紹了美國的高超聲速飛行器發展現狀。然后，針對帶動力和無動力兩類高超聲速飛行器，分析了關鍵技術上的共性和異性。最后，在歸納了高超聲速飛行器的特點上，對飛行器飛行試驗提出了建設需求。

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