提要：美國(guó)吸氣式高超聲速技術(shù)發(fā)展處于世界領(lǐng)先地位，已經(jīng)初步驗(yàn)證了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火及穩(wěn)定工作能力、高超聲速飛行器一體化設(shè)計(jì)技術(shù)、耐熱材料的性能及主動(dòng)防護(hù)技術(shù)，但仍需進(jìn)一步驗(yàn)證超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)寬?cǎi)R赫數(shù)工作能力，需進(jìn)一步驗(yàn)證超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的遠(yuǎn)航程能力，需進(jìn)一步驗(yàn)證制導(dǎo)和控制技術(shù)，預(yù)計(jì)高超聲速巡航導(dǎo)彈、高超聲速飛機(jī)和完全可重復(fù)使用空天飛行器的關(guān)鍵技術(shù)將分別于2017年、2030年和2040年成熟。

2013年5月，美國(guó)X-51A超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證飛行器第四次飛行試驗(yàn)取得成功，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間達(dá)到3.5分鐘，將飛行器的速度由馬赫數(shù)4.8加速到馬赫數(shù)5.1，成功演示了采用吸熱燃料的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行狀態(tài)下工作的可行性，標(biāo)志著吸氣式高超聲速技術(shù)取得重大進(jìn)展。此次飛行試驗(yàn)的成功必將推動(dòng)美國(guó)吸氣式高超聲速技術(shù)發(fā)展，加快高超聲速導(dǎo)彈的實(shí)用化步伐。

一、美國(guó)已初步驗(yàn)證吸氣式高超聲速飛行器關(guān)鍵技術(shù)

吸氣式高超聲速飛行器是指飛行速度大于5倍聲速（馬赫數(shù)5），以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)及其組合式發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，在大氣層和跨大氣層中實(shí)現(xiàn)高速遠(yuǎn)程飛行的飛行器。其關(guān)鍵技術(shù)包括總體設(shè)計(jì)技術(shù)、高超聲速推進(jìn)技術(shù)、氣動(dòng)力/氣動(dòng)熱技術(shù)、結(jié)構(gòu)與熱防護(hù)技術(shù)等。

從20世紀(jì)50年代提出高超聲速飛行概念開(kāi)始，美國(guó)吸氣式高超聲速飛行器技術(shù)研究經(jīng)歷了多次起伏，由于需求、技術(shù)和資金等因素的制約，早期的研究計(jì)劃幾乎全都夭折。但通過(guò)這些計(jì)劃，美國(guó)對(duì)高超聲速飛行的原理、技術(shù)作了較全面的探索和研究，為后續(xù)發(fā)展奠定了重要基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代后期以來(lái)，美國(guó)按照分階段、有限目標(biāo)、多方案并行的工作思路，成功進(jìn)行了馬赫數(shù)10的飛行試驗(yàn)，重點(diǎn)開(kāi)展了驗(yàn)證雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的X-51A、驗(yàn)證雙燃燒室超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的HyFly等飛行器飛行試驗(yàn)。吸氣式高超聲速技術(shù)從概念和原理探索階段，進(jìn)入到具有一定工程背景的演示驗(yàn)證階段，部分關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破。

（一）驗(yàn)證了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火及穩(wěn)定工作能力

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)是高超聲速飛行器技術(shù)的核心技術(shù)。在超聲速氣流中實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火并穩(wěn)定燃燒技術(shù)難度極大，有人形容其相當(dāng)于“在十二級(jí)臺(tái)風(fēng)中點(diǎn)燃一根火柴”。除X-51A第一次、第四次飛行試驗(yàn)，2012年9月，美澳合作的“高超聲速國(guó)際飛行研究和試驗(yàn)”計(jì)劃（HIFiRE-3）成功進(jìn)行飛行試驗(yàn)，高度為20.5～32千米，飛行器成功加速到馬赫數(shù)8。這些飛行試驗(yàn)，多次驗(yàn)證了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)/點(diǎn)火、穩(wěn)定燃燒以及加速能力。

（二）驗(yàn)證了高超聲速飛行器一體化設(shè)計(jì)技術(shù)

通過(guò)一體化設(shè)計(jì)使飛行器和推進(jìn)器相互作用，獲得盡可能高的氣動(dòng)性能、推進(jìn)性能、穩(wěn)定性和控制特性。飛行器機(jī)體和推進(jìn)系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)是關(guān)系整個(gè)飛行器性能的關(guān)鍵。推進(jìn)系統(tǒng)在高超聲速飛行器中的合理布局可以減小飛行器阻力，使飛行器獲得較高的升阻比；同時(shí)，飛行器外形、發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行器中的布局，也影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和結(jié)構(gòu)。高超聲速飛行器的工作馬赫數(shù)越高、范圍越寬，這個(gè)問(wèn)題越突出。X-51A 飛行器采用了乘波體外形設(shè)計(jì)，前段為近似楔形頭部，可以形成按一定角度分布的激波系，使激波系產(chǎn)生的壓力直接作用在機(jī)體下方，從而為飛行器提供升力。同時(shí)，頭部形成的激波系還能起到壓縮空氣的作用，有助于X-51A 發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒。飛行試驗(yàn)表明，X-51A 飛行器產(chǎn)生了足夠升力。

（三）驗(yàn)證了耐熱材料的性能及主動(dòng)防護(hù)技術(shù)

高超聲速飛行中飛行器和發(fā)動(dòng)機(jī)要承受極高溫度的考驗(yàn)。在馬赫數(shù)為4、6、8時(shí)，來(lái)流空氣滯止溫度大約分別為860K、1640K和2580K，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒后的氣體溫度將可能分別達(dá)到2500K、2700K、3100K。因此，熱防護(hù)技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)之一。X-51A驗(yàn)證了主被動(dòng)熱防護(hù)技術(shù)。在被動(dòng)熱防護(hù)方面，X-51A飛行器主要采用瓷瓦和泡沫材料。瓷瓦采用與航天飛機(jī)機(jī)腹類似的可重復(fù)使用隔熱瓦。發(fā)動(dòng)機(jī)飛行器上表面由柔性可重復(fù)使用表面隔熱材料防護(hù)，其上覆蓋厚度不一的輕質(zhì)燒蝕層泡沫材料。在主動(dòng)熱防護(hù)方面，X-51A地面試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)SJX61-2發(fā)動(dòng)機(jī)采用主動(dòng)冷卻技術(shù)，燃油在燃燒前先冷卻壁面，通過(guò)閉環(huán)燃油系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)熱交換平衡，解決發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻問(wèn)題。

二、高超聲速技術(shù)實(shí)用化面臨的挑戰(zhàn)

目前來(lái)看，吸氣式高超聲速飛行器部分關(guān)鍵技術(shù)得到驗(yàn)證，但要研制出實(shí)用化的高超聲速飛行器，仍需進(jìn)一步驗(yàn)證超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)寬?cǎi)R赫數(shù)工作能力、遠(yuǎn)航程能力，以及制導(dǎo)與控制技術(shù)等。

（一）需進(jìn)一步驗(yàn)證超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)寬?cǎi)R赫數(shù)工作能力

對(duì)于采用沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)的高超聲速飛行器而言，傳統(tǒng)的亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)以及超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作馬赫數(shù)范圍有限，需要一臺(tái)既能夠在低飛行馬赫數(shù)（3～5）下實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)亞燃模態(tài)工作，又能夠由亞燃工況平穩(wěn)過(guò)渡到超燃工況，實(shí)現(xiàn)超聲速燃燒熱力循環(huán)的發(fā)動(dòng)機(jī)。要實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)，需將超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)飛行馬赫數(shù)的工作下限降低到3，擴(kuò)大超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍。直至目前，美軍已經(jīng)進(jìn)行的相關(guān)試驗(yàn)仍未驗(yàn)證超燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)寬?cǎi)R赫數(shù)工作能力。X-51A主要驗(yàn)證了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。從X-51A第四次飛行試驗(yàn)的過(guò)程看，助推器將X-51A加速到馬赫數(shù)4.8，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在馬赫數(shù)4.8左右點(diǎn)火，加速到馬赫數(shù)5.1，很可能并未驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)從亞燃模態(tài)向超燃模態(tài)的轉(zhuǎn)換，而是直接進(jìn)入超燃模態(tài)。從X-51A幾次試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，X-51A發(fā)動(dòng)機(jī)的地面試驗(yàn)為馬赫數(shù)4.6和馬赫數(shù)5的點(diǎn)火試驗(yàn)，并未進(jìn)行模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)。

（二）需進(jìn)一步驗(yàn)證超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的遠(yuǎn)航程能力

X-51A驗(yàn)證的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是小型彈用發(fā)動(dòng)機(jī)，其第四次飛行試驗(yàn)的飛行距離約為360千米，遠(yuǎn)未達(dá)到美軍高超聲速巡航導(dǎo)彈相關(guān)發(fā)展計(jì)劃對(duì)射程的要求。美軍規(guī)劃的“拒止環(huán)境下快速識(shí)別和打擊目標(biāo)”（RIPTIDE）導(dǎo)彈計(jì)劃射程將超過(guò)1852千米，“高速打擊武器”（HSSW）射程至少為805千米。提高射程將對(duì)燃料攜帶和結(jié)構(gòu)、材料提出更高要求，燃油流動(dòng)速度也必須在不同馬赫數(shù)下不斷調(diào)整，才能確保足夠冷卻、獲得足夠熱量，從而產(chǎn)生最大推力。

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