一、高超音速飛行器表面溫度分布

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當(dang)飛行器(qi)以高超(chao)音速(su)在大氣(qi)中飛行時，氣(qi)動(dong)加(jia)熱(re)嚴重。當(dang)飛行速(su)度(du)達到8馬(ma)赫(he)時，飛行器的頭錐部(bu)位(wei)溫度可達1800℃，其它(ta)部位的溫度也將在600℃以上。因(yin)此設計(ji)合適的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)載荷管理系統成為必(bi)須。此前的(de)(de)(de)(de)太(tai)空“穿梭(suo)”航(hang)(hang)天(tian)(tian)器(qi)(qi)，航(hang)(hang)天(tian)(tian)飛(fei)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)效應(ying)主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)是集中在升空和再(zai)入階段，時間(jian)相對有限(xian)，在熱(re)(re)防(fang)護(hu)上是以隔離為主(zhu)(zhu)，機(ji)(ji)體(ti)材(cai)(cai)(cai)料(liao)可選余(yu)地較大。但高(gao)超音(yin)速飛(fei)行器(qi)(qi)在大氣層內(nei)長時間(jian)飛(fei)行，摩擦熱(re)(re)集中在機(ji)(ji)體(ti)的(de)(de)(de)(de)前端和翼面前緣，氣動加熱(re)(re)持續時間(jian)遠比航(hang)(hang)天(tian)(tian)器(qi)(qi)要(yao)(yao)長，若沒有有效的(de)(de)(de)(de)溫度(du)控制手段將無(wu)法保證結(jie)構安(an)全，也無(wu)法保證機(ji)(ji)體(ti)內(nei)部設備的(de)(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)環(huan)境。對于熱(re)(re)防(fang)護(hu)首先就是材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)選擇，選用(yong)長壽命、耐高(gao)溫、抗腐蝕、高(gao)強度(du)、低(di)密度(du)的(de)(de)(de)(de)輕質材(cai)(cai)(cai)料(liao)。目前研制的(de)(de)(de)(de)和可能采(cai)用(yong)的(de)(de)(de)(de)新材(cai)(cai)(cai)料(liao)主(zhu)(zhu)要(yao)(yao)有輕金(jin)屬(shu)材(cai)(cai)(cai)料(liao)、金(jin)屬(shu)基復合材(cai)(cai)(cai)料(liao)、聚合物(wu)基復合材(cai)(cai)(cai)料(liao)、陶瓷基復合材(cai)(cai)(cai)料(liao)、碳(tan)-碳復合材料等。

只(zhi)不過高(gao)(gao)(gao)超(chao)音(yin)速飛行(xing)器(qi)(qi)(qi)，與空氣的(de)(de)(de)摩擦(ca)熱量實在(zai)是(shi)太大，對(dui)飛行(xing)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)材(cai)料與結構的(de)(de)(de)選擇實在(zai)是(shi)巨大難題。機(ji)(ji)體材(cai)料很可能(neng)因溫度(du)的(de)(de)(de)飆升(sheng)發(fa)生著膨脹形變，加之機(ji)(ji)體內不同(tong)材(cai)料的(de)(de)(de)膨脹系數不同(tong)，形變程(cheng)度(du)又(you)有著差別(bie)。這細微的(de)(de)(de)形變隨之可能(neng)引(yin)(yin)發(fa)高(gao)(gao)(gao)速飛行(xing)的(de)(de)(de)飛行(xing)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)氣動控制的(de)(de)(de)改變、機(ji)(ji)體的(de)(de)(de)振(zhen)動乃至(zhi)解體。目前在(zai)美國多(duo)數高(gao)(gao)(gao)超(chao)音(yin)速飛行(xing)器(qi)(qi)(qi)的(de)(de)(de)頭部(bu)多(duo)采用鎢基材(cai)料，但(dan)這種(zhong)較高(gao)(gao)(gao)價值的(de)(de)(de)金屬材(cai)料，隨之引(yin)(yin)發(fa)的(de)(de)(de)就(jiu)是(shi)成本(ben)的(de)(de)(de)居(ju)高(gao)(gao)(gao)不下，對(dui)于未來(lai)的(de)(de)(de)武(wu)器(qi)(qi)(qi)化(hua)、大范圍的(de)(de)(de)裝備又(you)會(hui)是(shi)不小的(de)(de)(de)障礙。對(dui)于層出不窮的(de)(de)(de)復(fu)合材(cai)料，在(zai)新材(cai)料的(de)(de)(de)設計與加工(gong)都還(huan)有這加工(gong)難度(du)的(de)(de)(de)問題，就(jiu)像(xiang)在(zai)美國“獵鷹(ying)”的試(shi)驗計劃中多次推遲的原因(yin)就(jiu)有碳基殼體材(cai)料(liao)出(chu)現了剝離問題(ti)，研制人員(yuan)不(bu)得不(bu)改進工藝來使材(cai)料(liao)更易(yi)制造和性(xing)能穩定。

在基礎材料之外，高超音(yin)速飛行器還必須在飛行器的(de)總體設計和(he)結構設計中考慮熱(re)防護因素，采用主動降溫技術措施。比如(ru)，在X-51A上，不僅有著(zhu)結(jie)構(gou)熱(re)(re)(re)(re)防護措施，又將燃料(liao)作(zuo)為結(jie)構(gou)散(san)熱(re)(re)(re)(re)的載體，在熱(re)(re)(re)(re)交換器(qi)內流動(dong)后帶走發(fa)動(dong)機的熱(re)(re)(re)(re)量承擔發(fa)動(dong)機散(san)熱(re)(re)(re)(re)的作(zuo)用。在高(gao)溫段吸熱(re)(re)(re)(re)后的燃料(liao)裂解成低分子產(chan)物，循環到超(chao)燃沖壓發(fa)動(dong)機動(dong)力系統后更適合(he)工作(zuo)要(yao)求。消耗(hao)，利(li)用燃料(liao)循環系統作(zuo)為外殼持續降溫的手(shou)段。正是隔(ge)熱(re)(re)(re)(re)層(ceng)、耐熱(re)(re)(re)(re)結(jie)構(gou)材料(liao)，降低熱(re)(re)(re)(re)流，減(jian)少(shao)熱(re)(re)(re)(re)應力、熱(re)(re)(re)(re)傳送和(he)熱(re)(re)(re)(re)冷卻等多(duo)項(xiang)措施的全面(mian)綜合(he)采用，才(cai)(cai)有熱(re)(re)(re)(re)防護問題的解決可(ke)能，才(cai)(cai)有飛行器(qi)向高(gao)超(chao)音速的沖刺。

二、美國高超音速飛行器型號簡介

X-43

X-43系列高超音速飛(fei)機是(shi)美(mei)國(guo)航空(kong)航天總署(shu)秘密研制的無人駕駛(shi)飛(fei)機，看上去很像一塊漂亮的沖(chong)浪板(ban)。1996年開始研制。2004年第二次(ci)試飛成功，并(bing)突破7倍音速。

美國(guo)航天局在加利福尼(ni)亞(ya)當地時(shi)間11月16日，成功地進(jin)行了無人駕駛的高超音速試驗飛機(ji)X-43A飛(fei)行試驗。X-43A試驗飛機飛上(shang)了太平(ping)洋上(shang)空，飛行速度為每小時1萬(wan)多公里，此時(shi)飛行(xing)馬赫數為(wei)9.6，即飛行(xing)速度為(wei)音速的(de)9.6倍，從而打破(po)了一(yi)架(jia)同樣型號的X-43A試驗飛機創造的(de)馬赫數為7的(de)紀(ji)錄(lu)，再次(ci)創造了飛機飛行最高飛行速度紀(ji)錄(lu)。當地時間(jian)昨天下(xia)午，X-43A試(shi)驗(yan)飛機(ji)在加利福尼亞州(zhou)洛杉磯北部(bu)沙漠中愛德(de)華空軍基地被一架改型的B-52飛機(ji)運載到1.2萬米的高空，在這(zhe)個高度它脫(tuo)離母機，啟動自己(ji)的沖壓發動機，加速(su)到(dao)每小時1萬(wan)多公里的速(su)度(du),沖到3.35萬(wan)米高(gao)空(kong)。

美國航天局的(de)X-43A計(ji)劃目標是制(zhi)(zhi)造能到達(da)地球(qiu)大氣層邊緣的(de)飛機，計(ji)劃的(de)研(yan)制(zhi)(zhi)周期為(wei)8年，研究預算(suan)為2.3億美元(yuan)。計劃中的(de)主要研制目(mu)標就(jiu)是沖壓(ya)發動機(ji)(ji)，科學家認為(wei)(wei)這(zhe)是為(wei)(wei)實現研制出(chu)能接近地球大氣層邊緣(yuan)的(de)飛機(ji)(ji)這(zhe)一目(mu)的(de)最安全和(he)便宜的(de)飛機(ji)(ji)發動機(ji)(ji)，因為(wei)(wei)這(zhe)種發動機(ji)(ji)能將空氣中的(de)氧氣吸進發動機(ji)(ji)中，而(er)一般的(de)航空發動機(ji)(ji)需(xu)要自帶氧化劑，從而(er)增加燃料重量。

X-51

X-51A是美國空軍研究實驗室（AFRL）與國防高(gao)級研究計劃局（DARPA）聯合主(zhu)持研制的超燃(ran)沖壓發動機(ji)驗(yan)證機(ji)——乘波飛行器(qi)（SED-WR，Scramjet Engine Demonstrator-Waverider）。它由波音公司與普拉特·惠特尼（簡稱普惠）公司共同開發，由一臺JP-7碳氫(qing)燃料(liao)超燃沖壓發動機(ji)推(tui)動，設計飛行馬赫數在6～6.5之間。這個(ge)計劃(hua)的終極目(mu)標就是要發展一(yi)種比(bi)美國(guo)原武(wu)器庫中任何一(yi)種導(dao)彈的速度(du)都(dou)要快5倍以(yi)上，可以(yi)在(zai)1小時內攻擊地球任意位置目標的新武器。

x-51a

X-51A（又名：“乘波者”），為美(mei)國軍方最新(xin)研發的實驗型高超(chao)音速飛行器。美(mei)國X-51A型高超音速飛(fei)行(xing)器成(cheng)功完(wan)成(cheng)最(zui)后一(yi)次試飛(fei)。此前，“乘波者”共進行(xing)過三次試飛(fei)，均未能實(shi)現以6倍音(yin)速飛行300秒(miao)的(de)初始計劃。X-51A超燃(ran)沖壓發動機技術(shu)將應用(yong)到其他(ta)領(ling)域，比如研發可一小時內攻擊全球任(ren)一目標的武器。

HTV

除了研發X-51A外，美國(guo)防部高(gao)級研究(jiu)計劃(hua)局(ju)（DARPA）還有HTV計劃，但是其在2011年8月的測試中墜毀，工程師希望其(qi)能達到20馬(ma)赫的飛行速度。2011年(nian)進行的(de)HTV任(ren)務歷時9分鐘，但是飛(fei)行器只進行了大約(yue)3分鐘的可控飛行，它與X-51A相比(bi)，HTV并沒有配(pei)備吸氣式的超燃(ran)沖壓發(fa)動機。

B-3

美國飛機研制(zhi)專家正精(jing)心(xin)設(she)計一種能以5倍音速飛行的高超(chao)音速隱形戰略轟炸(zha)機B-3，在2030年左(zuo)右替代時下的B-2隱形轟炸機，獨霸新(xin)世紀的天空。設計中(zhong)的B-3隱形戰(zhan)略轟炸機的作戰(zhan)能力將不同(tong)凡響，主(zhu)要表現在(zai)三(san)個方面：驚(jing)人(ren)的高(gao)超(chao)音(yin)速遠程(cheng)飛(fei)行(xing)能力，可在(zai)1小時之內(nei)轟炸(zha)世界任何(he)地點(dian)；力求(qiu)最佳的隱形效果；強大的攻擊(ji)能力，其(qi)載彈量(liang)將達(da)到或超過B-52的(de)水平，因此(ci)它(ta)將成為(wei)轟(hong)炸機中的(de)“大哥(ge)大”。

SR-91

“曙光女神”高超音(yin)速戰略偵察機(ji)

國別：美國

類型(xing)：偵察機

型號：“極光”/“曙光女(nv)神(shen)

研制單位： 保密(mi)未公(gong)開 造價：研發(fa)費用大(da)約(yue)為(wei)44億到80億(yi)美元，購買24架大約還(huan)要100億到240億美元(yuan)

現狀： 保(bao)密未(wei)公開

“曙光女神”高超音速偵察機(Aurora)，又名“極(ji)光”，據稱其正式編號為CP-140或(huo)SR-91 ，是美國續SR-71“黑(hei)鳥”戰略(lve)偵察機(ji)之后新(xin)一代戰略(lve)偵察機(ji)。盡管(guan)美(mei)國(guo)官(guan)方(fang)(fang)一再否認該(gai)機(ji)的(de)存在，但有越(yue)(yue)來越(yue)(yue)多的(de)證據表明該(gai)機(ji)已(yi)存在多年，只是美(mei)國(guo)軍方(fang)(fang)的(de)保密工作做得(de)極好，如(ru)同(tong)當年的(de)B-2。

SR-72

SR-72偵察機(ji)(ji)臨界鷹戰(zhan)略隱身多用途飛機(ji)(ji)（ENGLISH：Lockheed Martin SR-72）是(shi)由(you)美國洛(luo)克希德·馬(ma)丁公司于2007年(nian)提出的(de)新型戰(zhan)略(lve)隱身多用途飛機概念，該型機本身涵蓋完(wan)整的(de)偵察系(xi)統(tong)并可攜帶在超高至臨界空域的(de)新型武器，集情報(bao)收(shou)集、偵察、監控、打擊等(deng)諸多功能為一(yi)體。

SR-72高(gao)超(chao)音(yin)速(su)無(wu)人偵察機主要用于取代上世紀(ji)70年(nian)代(dai)研制(zhi)的SR-71“黑鳥”高(gao)速高(gao)空偵察機(ji)，其最高(gao)飛行速度(du)將(jiang)達到驚(jing)人(ren)的馬赫數6(也就(jiu)是(shi)聲(sheng)音速(su)度(du)的(de)6倍)，是(shi)SR-71高(gao)速(su)高(gao)空偵察(cha)機(ji)最(zui)大(da)飛行速(su)度(du)(du)的(de)兩倍，是目前第四代(dai)戰(zhan)斗(dou)機(ji)最(zui)大(da)飛行速(su)度(du)(du)的(de)三倍，甚至其飛行速(su)度(du)(du)比一些常(chang)見的(de)導彈還要快，堪(kan)稱人類(lei)制造的(de)“最(zui)快飛機(ji)”。因為其速(su)度(du)(du)優勢，高(gao)超音速(su)飛行器對(dui)21世(shi)紀(ji)防空(kong)系(xi)統(tong)的壓力極大，一些著名(ming)的地空(kong)導彈，如(ru)美國(guo)的“愛國(guo)者(zhe)”、俄羅斯的S-400和(he)中國(guo)的紅旗(qi)-9甚至無法追(zhui)上這種飛(fei)機，從(cong)而無法攔(lan)截和擊(ji)落它(ta)[2]。

XS-1

英國(guo)《簡(jian)氏防(fang)務周刊》網站7月31日發(fa)表題為《五角大(da)樓(lou)用(yong)于(yu)發(fa)射衛(wei)星的無人機進入(ru)研(yan)發(fa)新(xin)階段》的報道(dao)稱，根(gen)據(ju)7月28日的一份聲明，美國國防部高級研究項目局日前根據合同變更條款，向波音公司追加了660萬美元(yuan)，以繼續研發XS-1試驗型(xing)太空飛機。

該項目旨(zhi)在(zai)研發(fa)一種可重復使用的(de)無人發(fa)射器，其成本、操作方式(shi)和可靠(kao)性與現代飛機類(lei)似(si)，能將3000至(zhi)5000磅（1磅約合0.454千克）的(de)小型載(zai)荷衛星(xing)送(song)入低地球軌(gui)道。

可重復(fu)使用(yong)的(de)第一(yi)(yi)級(ji)能夠在(zai)亞軌(gui)道高(gao)度(du)(du)作高(gao)超音速飛(fei)行。當達(da)到適當的(de)速度(du)(du)和高(gao)度(du)(du)后(hou)，一(yi)(yi)個或多(duo)個一(yi)(yi)次(ci)性的(de)其他級(ji)將(jiang)(jiang)與第一(yi)(yi)級(ji)分離，并將(jiang)(jiang)小(xiao)型衛(wei)星(xing)送(song)入低地球(qiu)軌(gui)道。之后(hou)，可重復(fu)使用(yong)的(de)第一(yi)(yi)級(ji)將(jiang)(jiang)返(fan)回地球(qiu)，為下次(ci)飛(fei)行做準備。

美(mei)國國防(fang)部高級研究項(xiang)目局(ju)在聲明中稱，在1B階段，波(bo)音公司(si)負責研發XS-1的展示概念和核(he)心技術。加上1B階段的投入，迄今波音公司研發團隊獲得(de)的經(jing)費總額已經(jing)從1000萬美元增加到1660萬美元。其中波(bo)音(yin)公司提供了(le)600萬(wan)美元，其(qi)余部分由美國國防部高級研究項目局提(ti)供。預計1B階段的工作(zuo)將于2016年8月(yue)之前完成。

高級研(yan)究項目局(ju)計(ji)劃明年(nian)舉行第(di)二階段競(jing)賽，以決定哪支(zhi)團隊獲得制(zhi)造XS-1的合同并進行(xing)展示(shi)飛行(xing)。

X-37B

X-37B空天戰(zhan)斗(dou)機(ji)是由美國波音公司(si)研制的(de)無人(ren)且可重復使用(yong)的(de)太空飛機(ji)，由火箭發射進入太空，是第(di)一架既能在(zai)地(di)球衛星軌(gui)道(dao)上飛行、又能進入大氣層的(de)航空器，同時結束(shu)任務(wu)后還能自(zi)動返回地(di)面，被(bei)認為(wei)是未來太空戰(zhan)斗(dou)機(ji)的(de)雛形。其(qi)最高速度能達到音速的(de)25倍以(yi)上，常規軍(jun)用雷達技術無(wu)法捕捉。