美國高超聲速技術飛行試驗平臺發展展望

譚思玚，曾宏剛，廖孟豪，田傲

中國航空研究院，北京 100029

20世紀50年代起，美國通過開展X系列驗證機飛行試驗，極大地推動了飛行器新概念、新技術、新布局的創新發展，為美國持續保持航空航天技術的領先地位做出了重要貢獻。近年來，美國大力發展高超聲速技術，相繼啟動了多個高超聲速技術研究項目。在并行發展數量眾多的高超聲速項目背景下，未來5年美國將面臨巨大的飛行試驗需求。為了快速提升飛行試驗能力，美國采取了空基發射與地基發射相結合的發展思路，以空基發射平臺為發展重點，加快研制各類飛行試驗平臺。本文將基于以上背景，梳理當前美國高超聲速飛行試驗平臺的發展現狀，從空基發射平臺和地基發射平臺兩方面對美國高超聲速技術飛行試驗平臺的發展方向進行研判。

1 未來5年美國高超聲速技術飛行試驗需求

1.1 美國高超聲速飛行器研發項目情況

隨著世界主要軍事強國高超聲速技術快速發展，美國軍方正以最高優先級大力發展高超聲速裝備和技術，同步開展了多個研究項目，包括高超聲速導彈項目、高超聲速飛機項目及關鍵技術驗證項目，見表1[1-3]。

表1 美國高超聲速技術在研項目Table 1 The U.S.hypersonic technology research projects

1.2 美國高超聲速技術飛行試驗需求分析

鑒于風洞和試驗臺等基礎設施的可用率不高，目前高超聲速技術研究項目每年只能進行少數幾次試驗，這極大地限制了美國高超聲速技術的發展。因此，美國意圖通過大量高超聲速技術飛行試驗提升測試能力。

高超聲速技術飛行試驗是在真實的飛行條件下對高超聲速導彈/飛機/關鍵技術進行測試和驗證的過程，是高超聲速技術研究的重要手段之一，通過開展飛行試驗能夠快速驗證核心技術指標，實現關鍵技術突破。

按照上述項目計劃列裝/首飛時間估計，未來5 年美國高超聲速技術飛行試驗需求巨大，主要來自全機/全彈飛行試驗和部件級飛行試驗。全機飛行試驗以“夸特馬”高超聲速飛行驗證機為代表，赫爾墨斯計劃在2024年前完成一型渦輪基沖壓組合發動機的飛行驗證和三架“夸特馬”高超聲速驗證機的研發工作。按此計劃，“夸特馬”將于2024年底前完成全部飛行試驗。圍繞全彈飛行試驗，美國軍方已經有多型高超聲速導彈進入試驗階段。美國國防部宣稱，“計劃從2020 年起啟動大規模高超聲速飛行試驗，未來4 年的試驗總數可能高達40次[4]。”這一指標主要針對全彈飛行試驗。除了全機/全彈飛行試驗，為了推進高超聲速技術快速發展，美國還將圍繞推進、結構、熱防護等關鍵技術開展大量部件級飛行試驗。總體而言，未來美國在高超聲速技術領域面臨著巨大的飛行試驗需求。

2 美國高超聲速技術飛行試驗平臺現狀與挑戰

2.1 美國高超聲速技術飛行試驗平臺發展現狀

為了應對巨大的飛行試驗需求，美國通過空基發射和地基發射兩種方式開展高超聲速技術飛行試驗，空基發射方式通過載機平臺空射高超聲速飛行器，地基發射方式依靠探空火箭搭載高超聲速試驗載荷。

空基發射載機平臺主要是基于B-52 大型轟炸機改進的載機。20 世紀50 年代起，美國研制X 系列技術驗證機，在飛行試驗過程中，美國空軍和美國國家航空航天局（NASA）主要采用B-52 作為空基發射平臺，掛載X-15 驗證機開展飛行試驗，完成了多項高超聲速理論和技術研究工作；掛載X-43A 驗證機，成功驗證了超燃沖壓吸氣式高超聲速推進技術；掛載X-51A“乘波者”驗證機，分離后成功完成Ma5 速度下飛行，見表2。X 系列驗證機飛行試驗取得了巨大的成功，極大地推動了新概念、新技術、新布局的創新發展。近年來，美國空軍還利用B-52開展空射型高超聲速導彈飛行試驗。

表2 基于空基發射平臺開展飛行試驗Table 2 Flight tests based on air-based launch platform

地基發射平臺主要是探空火箭。探空火箭是一種小型、低成本測試工具，飛行高度為40～300km，通過搭載有效載荷對新材料、新技術、儀器設備開展驗證性試驗，具有結構簡單、研制周期短的優點，能夠彌補地面測試和全系統飛行測試之間的空白[5]。2021—2022 年，美陸軍和海軍先后兩次發射了4 枚探空火箭，測試與高超聲速導彈相關的多項技術，包括通信、導航設備以及耐高溫先進材料等；NASA也通過發射探空火箭成功完成了高超聲速邊界層轉捩基礎研究項目的飛行試驗，獲取高超聲速飛行器表面氣流從層流過渡到湍流狀態的過程數據。

2.2 美國高超聲速技術飛行試驗平臺面臨的挑戰

過去，美國平均兩年至兩年半開展一次主要的高超聲速飛行試驗，為了加快高超聲速技術成熟，2019年起美國防部計劃將高超聲速項目的測試頻率提高到平均一個月一次[4]，而當前飛行試驗平臺的數量和能力是無法滿足測試需求的。地基發射平臺方面，基于探空火箭的高超聲速飛行試驗主要圍繞部件開展測試，提供材料和系統在真實高超聲速環境中的性能數據，無法支撐全機/全彈飛行試驗。探空火箭發射前的準備時間較長，且飛行剖面單一，試驗場景有限，無法滿足多樣化的飛行試驗需求。空基發射平臺方面，雖然能夠支持全機/全彈飛行試驗，但美國現有的可用于實施飛行試驗的B-52改裝載機數量較少，不足以支撐后續開展大量全機/全彈飛行試驗。

3 美國高超聲速技術飛行試驗平臺發展展望

圍繞高超聲速技術飛行試驗，美國仍將采用地基平臺與空基平臺相結合的解決方案，并將重點放在發展空基飛行試驗平臺上。

3.1 空基高超聲速技術飛行試驗平臺

在空基平臺方面，美國主要采用成熟飛機改裝和新研專用載機平臺相結合的發展思路。一方面，通過對成熟飛機進行改裝，快速低成本地擴充載機數量規模；另一方面，通過新研大型通用載機平臺解決載機平臺能力不足的問題。

（1） 研制大型雙機身載機平臺，滿足大尺寸飛行器整機飛行試驗的需求

大型雙機身載機平臺主要指采用雙機身布局、掛載重量和空間更大、專門用于投放大型試驗飛行器的載機平臺。雙機身載機平臺具有較大的性能優勢，空射載荷掛載于中央機翼下方，能夠提供良好的幾何相容性和氣動特性，載荷能力強。美國平流層發射系統公司的“大鵬”雙機身載機作為高超聲速飛行試驗載機平臺，至今已成功進行了4 次滑行測試和11 次飛行測試，技術成熟度不斷提高[6]。在2023年5月的測試中，“大鵬”掛載“泰倫-A”（Talon-A）高超聲速試驗飛行器成功完成了首次分離飛行試驗，如圖1所示，意味著“大鵬”載機具備了投放高超聲速飛行器的能力。

圖1 “大鵬”載機成功完成“泰倫-A”高超聲速試驗飛行器的分離投放Fig.1 Carrier “ROC”successfully completed the separation and delivery of the hypersonic test vehicle “Talon-A”

“大鵬”載機最大起飛重量590t，最大掛載重量230t，適合掛載大型高超聲速飛行器，前期掛載“泰倫-A”高超聲速試驗飛行器，后期將掛載“泰倫-Z”大型高超聲速試驗飛行器，后續可能掛載航天飛機或多架“泰倫”系列飛行器。“泰倫”系列飛行器定位為可重復使用高超聲速試驗飛行器，由液體火箭發動機推進，采用空基發射、無動力水平著陸的起降方式，攜帶有效載荷開展高超聲速飛行試驗，其性能指標見表3[7]。

表3 “泰倫”系列高超聲速試驗飛行器性能指標Table 3 Performance Index of Talon-Z and Talon-A

“泰倫-Z”高超聲速試驗飛行器的典型飛行剖面是：首先，在Ma0.63、高度9km處與載機分離，發動機點火69s 后達到速度Ma7.1、高度27.7km；其次，進入水平加速狀態，在發動機點火103s后關機，達到最大速度Ma11，進入無動力滑翔狀態；最后，在從載機分離約300s 后，于跑道上水平著陸[7]。

（2） 基于中大型現役飛機進行改裝，解決中等尺寸高超飛行器飛行試驗平臺數量規模的問題

在美國眾多空基發射項目中，絕大多數采用了基于現有飛機平臺進行改裝的模式，改裝后執行空基發射任務，成本相對較低，研發難度較小。美國空軍“空射快速響應武器”項目利用改裝的B-52 轟炸機在機翼下掛載AGM-183A 高超聲速滑翔導彈，如圖2 所示，在2021—2022 年期間開展了5 次飛行試驗，在第4 次試驗中機彈成功分離，在第5次試驗中助推器成功點火。美國諾格公司利用L-1011“三星”（TriStar）飛機作為載機，在機腹掛載空射載荷，2022年5月首次開展了高超聲速飛行試驗，如圖3所示。

圖2 B-52H掛載AGM-183A導彈并完成投放Fig.2 AGM-183A is mounted and dropped by B-52H

圖3 L-1011“三星”掛載高超聲速導彈開展飛行試驗Fig.3 L-1011 Tristar mounted hypersonic missile to carry out flight tests

作為常規構型飛機，B-52和L-1011“三星”主要在機翼下或機腹部設置掛點掛載高超聲速飛行器。參考二者曾開展過的飛行試驗的情況，推算B-52 和L-1011“三星”的掛載能力見表4。從掛載能力看，二者設計構型不適合掛載單個大型載荷，因此主要作為中等尺寸高超聲速飛行器的空基發射平臺。

表4 B-52和L-1011“三星”掛載能力Table 4 Load capability of B-52 and L-1011 Tristar

（3） 研制中小型專用飛行試驗平臺，用以滿足大規模的部件級飛行試驗需求

專用飛行試驗平臺主要是指面向特定技術領域飛行驗證需求、又無法依托成熟飛機而必須專門研發的試驗平臺，通常服務于某領域內多項技術的逐項驗證或集成驗證。2016年，美空軍提出高頻次使用的低成本高超聲速飛行試驗平臺（HyRAX）項目，計劃研制一型可重復使用的高超聲速飛行試驗平臺（X-60A）。該計劃表明美國期望通過增加高超聲速飛行試驗的頻率，一方面大規模成體系地完成高超聲速氣動、推進、結構、熱防護、系統等單項技術驗證，另一方面降低飛行試驗成本。該項目原計劃研制3架飛行試驗平臺，并于2020年底首飛，推測由于技術難度大，目前只完成了地面測試，里程碑節點推遲。2022 年9 月，美國防部發布高超聲速快節奏機載試驗能力（HyCAT）項目通知，期望依托商用高超聲速飛行器技術，開發一型新的高超聲速飛行試驗平臺，并提出計劃兩年內試飛。HyCAT項目并未像HyRAX項目一樣強調低成本，“依托商用技術”和“兩年內試飛”意味著美國防部研制專用飛行試驗平臺的需求極為迫切。

從HyCAT項目發布的技術要求來看，這種專用飛行試驗平臺如果研制成功，其飛行速度將能達到Ma5 以上，具有機動和非彈道飛行剖面，能夠對高超聲速系統及組件進行響應性和長壽命試驗，能夠在高超聲速試驗環境中飛行3min 以上，動壓達到143kPa 以上，有效載荷能力在9kg以上。

3.2 地基高超聲速技術飛行試驗平臺

地基平臺方面，美國將繼續探索利用探空火箭搭載高超聲速有效載荷開展飛行試驗的技術路線。

2022 年10 月，NASA 沃洛普斯航天飛行發射場內，桑迪亞國家實驗室發射了一枚精密探空火箭，火箭攜帶了高超聲速試驗用有效載荷。本次測試獲取的高超聲速飛行數據將用于支持美國海軍常規快速打擊（CPS）項目、陸軍遠程高超聲速武器（LRHW）項目或其他高超聲速項目。后續還將第二次發射探空火箭，針對更多的技術開展高超聲速試驗。

此前，美國海軍向動力系統公司（Dynetics）授出多軍種先進高超聲速試驗臺（MACH-TB）項目合同，該項目意圖通過強鍵、敏捷和模塊化試驗技術開發一種經濟可承受的試驗臺原型，該試驗臺將提供一型模塊化的實驗型高超聲速滑翔體（EGB），利用商用火箭運載高超聲速有效載荷推動高超聲速導彈系統的發展[8-9]。

根據有限的信息推測，美國計劃通過MACH-TB 項目開發試驗型高超聲速滑翔體，EGB作為陸海軍CPS/LRHW項目中常規高超聲速滑翔體（C-HGB）的過渡，可能體積更小、重量更輕；后續利用探空火箭對EGB開展經常性測試，提高測試效率，降低測試成本，收集測試數據。

4 結論

（1） 美國通過開展高超聲速飛行試驗極大地推動了高超聲速技術的研究進程

先進的飛行試驗能力是美國快速發展和成熟先進航空技術的保障。半個多世紀以來，美國開展了多項X 系列飛行試驗機項目，突破和掌握了超聲速、高超聲速、電傳飛控、隱身等跨代航空技術，催生了F-86、F-15、F-117 等尖端航空裝備，為美國牢牢占據全球空中作戰優勢做出了不可替代的貢獻。20 世紀60 年代成功實施的X-15 試驗機項目，利用三架X-15飛機開展了199架次的飛行試驗，幾乎涉及了高超聲速研究的所有領域，完成高空高速條件下的氣動、材料、結構、飛行控制、飛行員生理等飛行試驗研究，為后來的“水星”“雙子星”“阿波羅”太空飛行計劃和航天飛機的發展積累了極其珍貴的試驗數據。

（2） 美國當前依然非常重視高超聲速飛行試驗，并正在加快研制各類飛行試驗平臺

2015—2024 年期間，美國將投入150 億美元支持高超聲速技術發展，在這場熱潮中，劇增的飛行試驗需求和稀缺的飛行試驗資源之間形成了突出的矛盾。飛行靶場有限、飛行試驗平臺不足、飛行試驗支持能力缺乏等直接影響了高超聲速技術飛行試驗的開展。2022 年6 月，美國國會在《2023 財年國防授權法案》中提出“國家高超聲速倡議”條款，要求國防部開展高超聲速試驗基礎設施評估[10]，提升高超聲速技術試驗能力，高超聲速飛行試驗能力就是其中重要的一環。為了快速提升飛行試驗能力，美國制定了一系列舉措，包括高度關注“大鵬”載機的研制進展，由美國空軍研究實驗室授出合同支持“泰倫-A”高超聲速試驗飛行器開展飛行試驗，國防部提出HyCAT 計劃、美國海軍授出MACH-TB 項目合同研制專用高超聲速飛行試驗平臺等。從一系列行動來看，美國開展高超聲速飛行試驗的需求極為迫切，對研制飛行試驗平臺的支持力度極大。

（3） 我國應統籌規劃，全面布局，加速高超聲速技術發展

進入2022年以來，美國國防部預先研究計劃局（DARPA）高超聲速吸氣式武器概念（HAWC）項目、NASA 蘭利研究中心邊界層轉捩與湍流（BOLT Ⅱ）項目相繼成功完成飛行試驗，如圖4所示，赫爾墨斯公司開展了“夸特馬”高超聲速飛機縮比模型風洞試驗，如圖5所示，“大鵬”雙機身載機成功完成與“泰倫-A”高超聲速飛行器的分離投放。美國高超聲速飛行試驗能力的提升，將極大地加速武器裝備發展進程。在此形勢下，我國應未雨綢繆，統籌規劃，全面布局，以謀求高超聲速技術的快速發展。

圖4 BOLT飛行試驗中利用探空火箭攜帶楔形試驗載荷Fig.4 Wedge test payload carried by the sounding rocket in BOLT project

圖5 “夸特馬”1/10縮比模型風洞試驗Fig.5 1/10 scaled-model wind tunnel test of “Quarterhorse”