提要：美國吸氣式高超聲速技術發展處于世界領先地位，已經初步驗證了超燃沖壓發動機點火及穩定工作能力、高超聲速飛行器一體化設計技術、耐熱材料的性能及主動防護技術，但仍需進一步驗證超燃沖壓發動機寬馬赫數工作能力，需進一步驗證超燃沖壓發動機的遠航程能力，需進一步驗證制導和控制技術，預計高超聲速巡航導彈、高超聲速飛機和完全可重復使用空天飛行器的關鍵技術將分別于2017年、2030年和2040年成熟。
2013年5月，美國X-51A超燃沖壓發動機驗證飛行器第四次飛行試驗取得成功，超燃沖壓發動機工作時間達到3.5分鐘，將飛行器的速度由馬赫數4.8加速到馬赫數5.1，成功演示了采用吸熱燃料的超燃沖壓發動機在飛行狀態下工作的可行性，標志著吸氣式高超聲速技術取得重大進展。此次飛行試驗的成功必將推動美國吸氣式高超聲速技術發展，加快高超聲速導彈的實用化步伐。
一、美國已初步驗證吸氣式高超聲速飛行器關鍵技術
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5），以超燃沖壓發動機及其組合式發動機為動力，在大氣層和跨大氣層中實現高速遠程飛行的飛行器。其關鍵技術包括總體設計技術、高超聲速推進技術、氣動力/氣動熱技術、結構與熱防護技術等。
從20世紀50年代提出高超聲速飛行概念開始，美國吸氣式高超聲速飛行器技術研究經歷了多次起伏，由于需求、技術和資金等因素的制約，早期的研究計劃幾乎全都夭折。但通過這些計劃，美國對高超聲速飛行的原理、技術作了較全面的探索和研究，為后續發展奠定了重要基礎。20世紀90年代后期以來，美國按照分階段、有限目標、多方案并行的工作思路，成功進行了馬赫數10的飛行試驗，重點開展了驗證雙模態超燃沖壓發動機技術的X-51A、驗證雙燃燒室超燃沖壓發動機技術的HyFly等飛行器飛行試驗。吸氣式高超聲速技術從概念和原理探索階段，進入到具有一定工程背景的演示驗證階段，部分關鍵技術取得重大突破。
（一）驗證了超燃沖壓發動機點火及穩定工作能力
超燃沖壓發動機技術是高超聲速飛行器技術的核心技術。在超聲速氣流中實現點火并穩定燃燒技術難度極大，有人形容其相當于“在十二級臺風中點燃一根火柴”。除X-51A第一次、第四次飛行試驗，2012年9月，美澳合作的“高超聲速國際飛行研究和試驗”計劃（HIFiRE-3）成功進行飛行試驗，高度為20.5～32千米，飛行器成功加速到馬赫數8。這些飛行試驗，多次驗證了超燃沖壓發動機的啟動/點火、穩定燃燒以及加速能力。
（二）驗證了高超聲速飛行器一體化設計技術
通過一體化設計使飛行器和推進器相互作用，獲得盡可能高的氣動性能、推進性能、穩定性和控制特性。飛行器機體和推進系統的一體化設計是關系整個飛行器性能的關鍵。推進系統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，飛行器外形、發動機在飛行器中的布局，也影響到發動機的性能和結構。高超聲速飛行器的工作馬赫數越高、范圍越寬，這個問題越突出。X-51A 飛行器采用了乘波體外形設計，前段為近似楔形頭部，可以形成按一定角度分布的激波系，使激波系產生的壓力直接作用在機體下方，從而為飛行器提供升力。同時，頭部形成的激波系還能起到壓縮空氣的作用，有助于X-51A 發動機的燃燒。飛行試驗表明，X-51A 飛行器產生了足夠升力。
（三）驗證了耐熱材料的性能及主動防護技術
高超聲速飛行中飛行器和發動機要承受極高溫度的考驗。在馬赫數為4、6、8時，來流空氣滯止溫度大約分別為860K、1640K和2580K，發動機內燃燒后的氣體溫度將可能分別達到2500K、2700K、3100K。因此，熱防護技術是關鍵技術之一。X-51A驗證了主被動熱防護技術。在被動熱防護方面，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機腹類似的可重復使用隔熱瓦。發動機飛行器上表面由柔性可重復使用表面隔熱材料防護，其上覆蓋厚度不一的輕質燒蝕層泡沫材料。在主動熱防護方面，X-51A地面試驗發動機SJX61-2發動機采用主動冷卻技術，燃油在燃燒前先冷卻壁面，通過閉環燃油系統有效實現熱交換平衡，解決發動機冷卻問題。
二、高超聲速技術實用化面臨的挑戰
目前來看，吸氣式高超聲速飛行器部分關鍵技術得到驗證，但要研制出實用化的高超聲速飛行器，仍需進一步驗證超燃沖壓發動機寬馬赫數工作能力、遠航程能力，以及制導與控制技術等。
（一）需進一步驗證超燃沖壓發動機寬馬赫數工作能力
對于采用沖壓發動機推進的高超聲速飛行器而言，傳統的亞燃沖壓發動機以及超燃沖壓發動機工作馬赫數范圍有限，需要一臺既能夠在低飛行馬赫數（3～5）下實現傳統沖壓發動機亞燃模態工作，又能夠由亞燃工況平穩過渡到超燃工況，實現超聲速燃燒熱力循環的發動機。要實現這一技術，需將超燃沖壓發動機飛行馬赫數的工作下限降低到3，擴大超燃沖壓發動機的工作范圍。直至目前，美軍已經進行的相關試驗仍未驗證超燃燒沖壓發動機寬馬赫數工作能力。X-51A主要驗證了超燃沖壓發動機技術。從X-51A第四次飛行試驗的過程看，助推器將X-51A加速到馬赫數4.8，超燃沖壓發動機在馬赫數4.8左右點火，加速到馬赫數5.1，很可能并未驗證發動機從亞燃模態向超燃模態的轉換，而是直接進入超燃模態。從X-51A幾次試驗數據看，X-51A發動機的地面試驗為馬赫數4.6和馬赫數5的點火試驗，并未進行模態轉換試驗。
（二）需進一步驗證超燃沖壓發動機的遠航程能力
X-51A驗證的超燃沖壓發動機是小型彈用發動機，其第四次飛行試驗的飛行距離約為360千米，遠未達到美軍高超聲速巡航導彈相關發展計劃對射程的要求。美軍規劃的“拒止環境下快速識別和打擊目標”（RIPTIDE）導彈計劃射程將超過1852千米，“高速打擊武器”（HSSW）射程至少為805千米。提高射程將對燃料攜帶和結構、材料提出更高要求，燃油流動速度也必須在不同馬赫數下不斷調整，才能確保足夠冷卻、獲得足夠熱量，從而產生最大推力。
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