美國(guó)正在開(kāi)展高超聲速助推滑翔導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈研發(fā)，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)就可以投入戰(zhàn)場(chǎng)。但圍繞尺寸更大的、定位于打擊與偵察／高速民用和軍用運(yùn)輸／甚至多級(jí)入軌等任務(wù)的高超聲速飛行平臺(tái)，目前仍有大量科研工作需要做。

美國(guó)此前開(kāi)展的高超聲速助推滑翔飛行器和吸氣式超燃沖壓驗(yàn)證飛行器等科研項(xiàng)目取得了一系列研究成果。美國(guó)防部國(guó)防現(xiàn)代化研究與工程局局長(zhǎng)馬克·劉易斯表示，“我們可以確信，設(shè)計(jì)研制能夠產(chǎn)生正推力的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)已不存在技術(shù)障礙。但從一次性使用的助推滑翔飛行器和巡航飛行器跨越到可重復(fù)使用的高超聲速飛機(jī)，這中間還要做大量的工作。如發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)體的一體化，特別是推進(jìn)系統(tǒng)的模態(tài)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。我們需要一個(gè)可以從馬赫數(shù)0加速到馬赫數(shù)5或6、然后再減速到馬赫數(shù)0的推進(jìn)系統(tǒng)，我們正在開(kāi)展這項(xiàng)研究。但問(wèn)題是，這應(yīng)該是一臺(tái)組合發(fā)動(dòng)機(jī)還是多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的組合？能夠直接從渦輪轉(zhuǎn)到亞燃沖壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)嗎？是否需要做一些中間過(guò)渡措施？”

盡管超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)有幾十年的研究經(jīng)驗(yàn)了，但各種有競(jìng)爭(zhēng)力的推進(jìn)概念仍在不斷涌現(xiàn)。因此，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)還是正確的答案嗎？劉易斯表示，“我個(gè)人認(rèn)為不一定。我們應(yīng)該盡量放開(kāi)思想，認(rèn)真思考是否還有其他的高速推進(jìn)選項(xiàng)。我不想現(xiàn)在就收斂我們的技術(shù)路線?！?/span>

推進(jìn)系統(tǒng)的潛在可選方案

除了渦輪基沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)以外，目前正在研究的多類推進(jìn)方案都有作為馬赫數(shù)0～6+高超聲速飛行器動(dòng)力的潛力。一類是采用液氫作為熱沉和燃料的動(dòng)力，包括日本航宇研發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）研究的ATREX空氣渦輪沖壓膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)、俄羅斯研究的ATRDC深度預(yù)冷空氣渦輪火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、綜合了深度預(yù)冷渦輪與液體火箭的KLIN發(fā)動(dòng)機(jī)以及吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等。一類是正在興起的旋轉(zhuǎn)和脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)以及磁流體／磁-等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)，其中有研究認(rèn)為，將脈沖爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與引射沖壓、亞燃沖壓、超燃沖壓和火箭等模態(tài)組合起來(lái)，可用于實(shí)現(xiàn)太空進(jìn)入。另外還有一個(gè)備選方案就是英國(guó)反作用發(fā)動(dòng)機(jī)公司（REL）正在研制的“佩刀”協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在2019年10月完成了預(yù)冷卻器樣機(jī)在馬赫數(shù)5條件下的地面考核試驗(yàn)。

劉易斯認(rèn)為，“液態(tài)空氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和深度預(yù)冷循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)理念都極具發(fā)展前景。我不知道它們最終是否能夠成功研制出來(lái)，但它們看上去都有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。我真正關(guān)心的是我們必須保持充分多樣化的研發(fā)路線，確保給各類概念都留有足夠的發(fā)展空間?！?/span>

機(jī)體／推進(jìn)一體化

隨著速度和高度增加，吸氣式飛行器都必須滿足一個(gè)相對(duì)較小的飛行包線的約束。碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)需要從馬赫數(shù)3 開(kāi)始啟動(dòng)，燃料熱值限制了它最多只能飛到馬赫數(shù)7.5，而氫燃料則可以將這個(gè)速度極限擴(kuò)展到馬赫數(shù)14。從飛行高度來(lái)看，大多數(shù)雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)飛行包線的上邊界都限定在500磅力／平方英尺（psf，約合24千帕，24kPa），即從，馬赫數(shù)5／高度30千米到馬赫數(shù)15／高度45千米的動(dòng)壓線；下邊界一般受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制，限定在2000磅力／平方英尺（psf，約合98千帕，98kPa），即從馬赫數(shù)2.5／高度12千米到馬赫數(shù)14／高度33千米的動(dòng)壓線。

此外，需要面臨的挑戰(zhàn)還有：設(shè)計(jì)條件隨著馬赫數(shù)變化帶來(lái)的氣動(dòng)特性變化而更加復(fù)雜；優(yōu)化機(jī)翼面積來(lái)適應(yīng)多種飛行模態(tài)；高載油系數(shù)的飛行器布局設(shè)計(jì)；以及設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣道和尾噴管尺寸，這兩個(gè)部件的最優(yōu)外形設(shè)計(jì)理論上會(huì)緊密隨著馬赫數(shù)變化而顯著變化。

劉易斯表示，“我們知道怎么設(shè)計(jì)一個(gè)好的進(jìn)氣道，但不知道什么是最好的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)。這里面仍然有大量的研發(fā)和優(yōu)化工作需要做?！备咄谱璞葘?duì)于快速加速到馬赫數(shù)5+至關(guān)重要。研究人員發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣流量與發(fā)動(dòng)機(jī)推力必須高度匹配才能在各速度段都獲得2以上的推阻比。與此同時(shí)，為了使飛行器能夠順利跨過(guò)馬赫數(shù)1附近的跨聲速段，一方面進(jìn)氣道既要足夠大以便捕獲足夠多的空氣來(lái)獲得足夠的推力，另一方面進(jìn)氣道和尾噴管又要足夠小以便減小飛行器的阻力。

波音公司高超聲速首席科學(xué)家鮑卡特表示，“設(shè)計(jì)進(jìn)氣道要面臨方方面面的挑戰(zhàn)，要兼容大范圍變化的空氣流量捕獲要求和收縮比要求（實(shí)現(xiàn)高壓比和來(lái)流穩(wěn)定性），還要確保進(jìn)氣畸變足夠低和溢流阻力足夠小。而以上每個(gè)參數(shù)的具體要求都會(huì)隨著馬赫數(shù)、高度和攻角等飛行參數(shù)的大范圍變化而變化?！眲⒁姿挂舱J(rèn)為，“過(guò)去這么多年，我接觸了非常多的高超聲速飛行器概念設(shè)計(jì)，決定它們最終氣動(dòng)外形方案的往往都不是它們的高超聲速性能要求，而是跨聲速性能要求。你可以設(shè)計(jì)出一個(gè)在馬赫數(shù)5、6、7或8有良好性能的氣動(dòng)外形，但它們都沒(méi)法跨過(guò)馬赫數(shù)1。推阻平衡在跨聲速段總是無(wú)法接續(xù)上。我們?cè)谠O(shè)計(jì)導(dǎo)彈的時(shí)候，總是用火箭來(lái)快速跨過(guò)馬赫數(shù)1，因此也就不存在這個(gè)問(wèn)題了。但低馬赫數(shù)段的性能就變得非常重要了。”

機(jī)體與推進(jìn)緊密耦合以后又帶來(lái)了對(duì)飛行器內(nèi)部機(jī)載系統(tǒng)重量、功率、尺寸等最小化的要求，這使得問(wèn)題進(jìn)一步復(fù)雜化。劉易斯認(rèn)為，通過(guò)多學(xué)科優(yōu)化等方法實(shí)現(xiàn)高度一體化的飛行器架構(gòu)“絕對(duì)是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。我們35年前就明白了高超聲速飛行器必須是一個(gè)高度一體化的系統(tǒng)，今天我們對(duì)這一點(diǎn)更加深信不疑。”

尺寸與流動(dòng)問(wèn)題

尺寸放大會(huì)帶來(lái)諸多問(wèn)題。美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室防空反導(dǎo)部門負(fù)責(zé)人大衛(wèi)·萬(wàn)·懷爾（David Van Wie）表示，“隨著飛行器尺寸增加，其他問(wèn)題又會(huì)耦合進(jìn)來(lái)，比如結(jié)構(gòu)彎曲與屈伸。飛行器不可能都是剛體。飛行載荷將深入影響到發(fā)動(dòng)機(jī)乃至推進(jìn)系統(tǒng)。而尺寸越大，這種耦合影響就越顯著和復(fù)雜。”

尺寸小了也會(huì)有問(wèn)題。雖然剛度變好了，但又會(huì)面臨容量和熱管理等難題。萬(wàn)·懷爾表示，“NASA很早以前就研究指出，越細(xì)長(zhǎng)的飛行器升阻比越高。但如果飛行器尺寸太小的話，就沒(méi)法做到細(xì)長(zhǎng)，因?yàn)槟菢拥脑挋C(jī)體內(nèi)部容量就不夠了。這里面需要各方權(quán)衡?！?/span>

外形尺寸需要考慮的另一個(gè)問(wèn)題涉及到邊界層，這是一個(gè)影響高超聲速飛行器設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。高超聲速邊界層的特性往往會(huì)與激波耦合在一起。激波與邊界層耦合會(huì)產(chǎn)生額外的摩擦阻力，并且在某些情況下可以使氣動(dòng)加熱比在層流條件下增加8倍。隨著激波位置變化，兩者的耦合區(qū)域也會(huì)變化。鮑卡特指出，“因此，氣動(dòng)加熱加劇現(xiàn)象會(huì)在飛行器各處游走，這樣就會(huì)顯著增加飛行器需要進(jìn)行熱防護(hù)或熱管理的面積（導(dǎo)致重量和成本增加）。邊界層精確預(yù)測(cè)和邊界層轉(zhuǎn)捩推遲就變得非常重要。”

劉易斯認(rèn)為，“我們現(xiàn)在還無(wú)法精確預(yù)測(cè)高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩，我們只能大概地進(jìn)行預(yù)測(cè)，并不斷提高預(yù)測(cè)精度?！眲⒁姿棺鳛閷W(xué)生參與美國(guó)國(guó)家空天飛機(jī)計(jì)劃（NASP）項(xiàng)目時(shí)曾有一位非常資深的老師告訴他，如果飛行器的邊界層都是湍流而不是層流，那它永遠(yuǎn)沒(méi)法飛行。“我過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)告訴我，如果我們的飛行器設(shè)計(jì)得這么敏感，那它肯定沒(méi)法飛行，我們必須要設(shè)計(jì)出足夠魯棒的氣動(dòng)布局。這是一件很難的事情?！比f(wàn)·懷爾同意這個(gè)觀點(diǎn)，“不斷提高我們的飛行器設(shè)計(jì)能力，使它在空中飛行時(shí)具有足夠的操縱魯棒性，是當(dāng)前面臨的一個(gè)更大的問(wèn)題。你肯定不希望這個(gè)飛行器只能按照特定的剖面來(lái)飛行。我希望它可以像其他飛行器一樣自由飛行?！?/span>

更耐高溫的材料

盡管過(guò)去幾十年在航天器、彈道導(dǎo)彈和超聲速飛機(jī)等飛行器上積累了大量熱防護(hù)材料技術(shù)成果，但這些都無(wú)法解決大氣層內(nèi)高超聲速飛行面臨的高熱問(wèn)題。當(dāng)速度達(dá)到馬赫數(shù)6及以上時(shí)，飛行器前緣的溫度可以達(dá)到1600～2200℃，這比鈦合金熔點(diǎn)高300℃，比鋼的熔點(diǎn)高600℃。巨大的熱流密度會(huì)在很小的區(qū)域內(nèi)造成非常大的熱沖壓和熱梯度。

萬(wàn)·懷爾認(rèn)為，“前緣越尖銳，溫度就越高。問(wèn)題是你想設(shè)計(jì)成多尖銳，這本質(zhì)上可轉(zhuǎn)換成前緣結(jié)構(gòu)材料能夠耐受多高的溫度。這對(duì)于可重復(fù)使用飛行器和一次性使用飛行器來(lái)說(shuō)有很大差異。材料耐高溫性能越好，你就可以設(shè)計(jì)越尖銳的前緣，就可以獲得更高的升阻比，更好的性能。這個(gè)領(lǐng)域還有很大的提升空間?！?/span>

飛行器尺寸變化也會(huì)對(duì)熱環(huán)境產(chǎn)生影響。劉易斯解釋認(rèn)為，“人們一般不理解尺寸變化的影響。比如，如果把一個(gè)特定的高超聲速飛行器進(jìn)行等比例縮小，它的前緣一定會(huì)變得更加尖銳（前緣半徑減?。?，這就導(dǎo)致溫度更高。因此，我必須增加前緣半徑使它變更鈍，而這又反過(guò)來(lái)增加了氣動(dòng)阻力，從而進(jìn)一步影響氣動(dòng)性能。這樣的情況遇到多了以后，我們意識(shí)到我們必須對(duì)尺寸的問(wèn)題高度謹(jǐn)慎。飛行器能夠在某個(gè)特定外形尺寸下滿足要求，不代表我們可以將它放大或縮小仍然能夠滿足要求?！?/span>

當(dāng)飛行器速度超過(guò)馬赫數(shù)5以后，飛行器表面的空氣本身也在發(fā)生變化。嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱將會(huì)使氧氣和氮?dú)獍l(fā)生離解，使得空氣組分和特性發(fā)生變化，進(jìn)而影響飛行器表面流場(chǎng)特性。更高馬赫數(shù)引起的空氣電離還會(huì)對(duì)高超聲速飛行器的通信和制導(dǎo)導(dǎo)航與控制產(chǎn)生影響。

洛馬導(dǎo)彈與火控公司技術(shù)負(fù)責(zé)人大衛(wèi)·亨恩（David Hunn）認(rèn)為，材料是成功研制一型高超聲速飛行器所面臨的“第一個(gè)”問(wèn)題。“我不得不基于材料限制來(lái)調(diào)整我的飛行軌跡和性能設(shè)計(jì)。我們過(guò)去在這個(gè)領(lǐng)域探索得比較少。這里面又涉及到主動(dòng)冷卻結(jié)構(gòu)、采用各種主被動(dòng)熱防護(hù)的防隔熱結(jié)構(gòu)等。但總體上來(lái)說(shuō)，輻射冷卻／熱結(jié)構(gòu)是一種更好的方式。原因很簡(jiǎn)單，它不涉及活動(dòng)部件，而且空間、重量和功率需求更小?！?/span>

涂層問(wèn)題

金屬材料一般很難承受這么高的熱流和溫度，目前一般都會(huì)采用碳纖維和碳基復(fù)合材料以及陶瓷基復(fù)合材料。大衛(wèi)·亨恩提到，“這類材料雖然能夠承受高溫，但隨之而來(lái)的問(wèn)題就是抗氧化。因此需要靠表面涂層來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。能夠在1700℃以上工作的涂層包括碳化鉿和碳化鉭以及硼化鉿和硼化鋯等。這些陶瓷基材料具有非常好的抗氧化特性，因此大量研究工作都在研究采用這類涂層來(lái)作為實(shí)現(xiàn)當(dāng)前高超聲速機(jī)體結(jié)構(gòu)的近期解決方案。但從遠(yuǎn)期來(lái)看，我們還需要開(kāi)展更多自然科學(xué)研究工作，來(lái)找出更適合的材料。大學(xué)和研究實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)研究，希望能夠采用計(jì)算材料學(xué)和元素周期律等方法理論來(lái)實(shí)現(xiàn)某種更加適合高超聲速飛行的新型材料?！?/span>

工業(yè)能力就緒度問(wèn)題

建立一套能夠支撐研制生產(chǎn)計(jì)劃的工業(yè)基礎(chǔ)能力是最末端且更加緊迫的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。今年上半年，美國(guó)防部采辦系統(tǒng)的領(lǐng)導(dǎo)層組建成立了一個(gè)國(guó)防部層面的“指揮部”，評(píng)估工業(yè)供應(yīng)鏈存在的強(qiáng)弱項(xiàng)。

航空噴氣-洛克達(dá)因公司防務(wù)板塊高級(jí)副總裁泰勒·埃文斯（Tyler Evans）表示，“X-51A是一架推進(jìn)技術(shù)飛行驗(yàn)證機(jī)，已證明了我們掌握了超聲速燃燒的科學(xué)機(jī)理。如今10年過(guò)去了，我們應(yīng)聚焦于使超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)戰(zhàn)使用、可重復(fù)使用和經(jīng)濟(jì)上可承受?！甭蹇诉_(dá)因采購(gòu)了一家專攻增材制造技術(shù)的公司，以便能夠降低其固體火箭、液體火箭以及超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)成本?！拔覀円呀?jīng)把增材制造技術(shù)深度融入到了設(shè)計(jì)工作中?！?/span>