一、高超音速飛行器表面溫度分布

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當(dang)飛(fei)行器以(yi)高超音速在大(da)氣中(zhong)飛(fei)行時，氣動(dong)加(jia)熱嚴(yan)重。當(dang)飛(fei)行速度(du)達到8馬(ma)赫時，飛行器(qi)的頭錐部位溫度可達1800℃，其它(ta)部位的溫度也將在600℃以上(shang)。因(yin)此設(she)計合(he)適的(de)(de)熱(re)載荷(he)管理系統成為必須。此前的(de)(de)太空(kong)“穿梭”航天器，航天飛機的(de)(de)熱(re)效(xiao)應(ying)主要是集中在升空(kong)和再入階段，時(shi)間相對(dui)有限，在熱(re)防護上(shang)是以隔離(li)為主，機體材(cai)料(liao)(liao)(liao)可選余地較(jiao)大(da)。但高(gao)(gao)超(chao)音速飛行器在大(da)氣層(ceng)內長(chang)時(shi)間飛行，摩(mo)擦熱(re)集中在機體的(de)(de)前端和翼(yi)面前緣，氣動加熱(re)持續(xu)時(shi)間遠比航天器要長(chang)，若沒有有效(xiao)的(de)(de)溫(wen)度(du)控(kong)制(zhi)手段將無法(fa)保證(zheng)結構安全，也無法(fa)保證(zheng)機體內部設(she)備(bei)的(de)(de)工作環(huan)境。對(dui)于熱(re)防護首先就是材(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)(de)選擇，選用長(chang)壽命(ming)、耐高(gao)(gao)溫(wen)、抗腐(fu)蝕、高(gao)(gao)強度(du)、低密度(du)的(de)(de)輕質材(cai)料(liao)(liao)(liao)。目前研制(zhi)的(de)(de)和可能采用的(de)(de)新(xin)材(cai)料(liao)(liao)(liao)主要有輕金屬材(cai)料(liao)(liao)(liao)、金屬基復(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)(liao)、聚(ju)合(he)物基復(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)(liao)、陶(tao)瓷基復(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)(liao)、碳(tan)-碳復合(he)材(cai)料等。

只不(bu)過高超音速(su)飛(fei)行器，與(yu)空氣的(de)(de)摩擦熱(re)量實(shi)在(zai)是太大(da)，對(dui)飛(fei)行器的(de)(de)材(cai)(cai)料(liao)與(yu)結構的(de)(de)選擇實(shi)在(zai)是巨大(da)難(nan)題。機(ji)體(ti)(ti)材(cai)(cai)料(liao)很可(ke)能因(yin)溫(wen)度(du)的(de)(de)飆升發生(sheng)著膨(peng)脹形(xing)變，加之機(ji)體(ti)(ti)內不(bu)同材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)膨(peng)脹系數不(bu)同，形(xing)變程(cheng)度(du)又有著差別。這(zhe)細微的(de)(de)形(xing)變隨之可(ke)能引發高速(su)飛(fei)行的(de)(de)飛(fei)行器的(de)(de)氣動控(kong)制的(de)(de)改變、機(ji)體(ti)(ti)的(de)(de)振(zhen)動乃至解體(ti)(ti)。目前在(zai)美(mei)國多數高超音速(su)飛(fei)行器的(de)(de)頭部多采用(yong)鎢基材(cai)(cai)料(liao)，但(dan)這(zhe)種較(jiao)高價值的(de)(de)金屬材(cai)(cai)料(liao)，隨之引發的(de)(de)就是成本的(de)(de)居高不(bu)下，對(dui)于(yu)未來(lai)的(de)(de)武器化、大(da)范圍的(de)(de)裝備又會是不(bu)小的(de)(de)障礙。對(dui)于(yu)層出(chu)不(bu)窮的(de)(de)復合(he)材(cai)(cai)料(liao)，在(zai)新材(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)設(she)計與(yu)加工都還有這(zhe)加工難(nan)度(du)的(de)(de)問題，就像在(zai)美(mei)國“獵(lie)鷹”的試驗計劃中多次推遲的原(yuan)因就有碳(tan)基(ji)殼體材(cai)料出現(xian)了(le)剝(bo)離(li)問題，研制人員不得不改進工藝來使材(cai)料更易制造和性能穩定(ding)。

在基礎(chu)材(cai)料之外，高超音速(su)飛行器還必(bi)須(xu)在飛行器的總(zong)體設計(ji)和結構設計(ji)中考(kao)慮熱防(fang)護因素，采(cai)用主動(dong)降溫(wen)技術(shu)措施(shi)。比如，在X-51A上(shang)，不僅有著結(jie)(jie)構熱(re)(re)防(fang)護措(cuo)施(shi)，又將燃(ran)(ran)料(liao)作為結(jie)(jie)構散熱(re)(re)的(de)載體，在(zai)熱(re)(re)交換器(qi)內流(liu)動(dong)(dong)(dong)后(hou)帶走發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)的(de)熱(re)(re)量承擔發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)散熱(re)(re)的(de)作用。在(zai)高溫段(duan)(duan)吸熱(re)(re)后(hou)的(de)燃(ran)(ran)料(liao)裂解成低(di)分(fen)子產物，循環到超燃(ran)(ran)沖壓發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)動(dong)(dong)(dong)力系統后(hou)更適合(he)工作要(yao)求。消(xiao)耗，利(li)用燃(ran)(ran)料(liao)循環系統作為外殼(ke)持(chi)續(xu)降溫的(de)手段(duan)(duan)。正是隔熱(re)(re)層、耐熱(re)(re)結(jie)(jie)構材料(liao)，降低(di)熱(re)(re)流(liu)，減少熱(re)(re)應(ying)力、熱(re)(re)傳送(song)和熱(re)(re)冷卻等多項措(cuo)施(shi)的(de)全面綜合(he)采用，才有熱(re)(re)防(fang)護問題的(de)解決(jue)可能(neng)，才有飛行器(qi)向(xiang)高超音速的(de)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)機是美國航空(kong)航天總署秘密研制的無人駕駛飛(fei)機，看上去(qu)很像一塊漂亮的沖浪板。1996年(nian)開始研制。2004年第二次試飛成功(gong)，并突破(po)7倍音速。

美國航天局在加利福尼亞(ya)當地時間11月(yue)16日(ri)，成功地進(jin)行了無人(ren)駕駛的高超音速試驗飛機X-43A飛行試驗。X-43A試驗(yan)飛(fei)機飛(fei)上了太平洋上空(kong)，飛(fei)行速度為每(mei)小(xiao)時1萬多公里，此(ci)時飛行馬赫數(shu)為9.6，即飛行速(su)度為音速(su)的9.6倍，從(cong)而(er)打破了一架(jia)同樣型號的(de)X-43A試驗飛機創造的馬赫(he)數為(wei)7的紀(ji)錄(lu)，再次創造了(le)飛(fei)機飛(fei)行最(zui)高飛(fei)行速度紀(ji)錄(lu)。當地(di)時間(jian)昨(zuo)天(tian)下午，X-43A試(shi)驗飛機在(zai)加(jia)利福(fu)尼亞州洛杉(shan)磯北部沙漠中愛德華空軍基地被一架(jia)改(gai)型的(de)B-52飛(fei)機運(yun)載到1.2萬米的(de)高空，在這個高度它脫(tuo)離母機，啟動自己的(de)沖(chong)壓發動機，加速到每小時1萬多(duo)公里的速度,沖到3.35萬米高(gao)空(kong)。

美國(guo)航天局的X-43A計劃(hua)目(mu)標是制(zhi)造能到達地球大氣層邊緣(yuan)的飛(fei)機，計劃(hua)的研制(zhi)周期為(wei)8年，研(yan)究預(yu)算為2.3億美元。計劃中的(de)(de)主要研制目(mu)標就是沖壓(ya)發(fa)(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)，科學家認為這(zhe)是為實現研制出能接近地(di)球大氣層邊(bian)緣的(de)(de)飛(fei)機(ji)(ji)(ji)這(zhe)一目(mu)的(de)(de)最安(an)全和(he)便(bian)宜的(de)(de)飛(fei)機(ji)(ji)(ji)發(fa)(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)，因為這(zhe)種發(fa)(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)能將空氣中的(de)(de)氧氣吸進發(fa)(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)中，而一般的(de)(de)航空發(fa)(fa)(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)需要自帶氧化劑，從而增(zeng)加燃(ran)料(liao)重量。

X-51

X-51A是(shi)美國空軍(jun)研究實驗室（AFRL）與國防高級研究(jiu)計劃局（DARPA）聯合(he)主持研(yan)制的超燃沖壓發動機驗證機——乘波飛行器（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(tan)氫燃(ran)(ran)料超燃(ran)(ran)沖壓發動機推動，設(she)計飛(fei)行馬赫數在6～6.5之(zhi)間。這(zhe)個計劃的終極目標就是要(yao)發(fa)展(zhan)一種比美(mei)國原武(wu)器庫中任何一種導彈的速度(du)都要(yao)快5倍以上，可以在1小(xiao)時內(nei)攻(gong)擊地球(qiu)任意(yi)位置目標的新武器。

x-51a

X-51A（又名：“乘(cheng)波者(zhe)”），為美(mei)國軍方(fang)最(zui)新(xin)研(yan)發的實驗型高超音速飛行器。美(mei)國X-51A型(xing)高超音速飛行(xing)器(qi)成功完成最后(hou)一次試飛。此前，“乘波者”共進行(xing)過三次試飛，均未能實現以6倍音速(su)飛行(xing)300秒的初始計(ji)劃。X-51A超(chao)燃(ran)沖(chong)壓發(fa)動機(ji)技(ji)術將應用到其(qi)他領域(yu)，比(bi)如研(yan)發(fa)可(ke)一小時內攻擊全球任一目(mu)標的武器。

HTV

除了研發(fa)X-51A外，美國防部高級研究計劃局（DARPA）還(huan)有HTV計劃(hua)，但是其(qi)在(zai)2011年8月的(de)測試中墜毀，工(gong)程(cheng)師希望其能達到(dao)20馬赫的飛行速度(du)。2011年進行(xing)的HTV任務歷時9分(fen)鐘，但是(shi)飛行(xing)器只(zhi)進行(xing)了大約(yue)3分鐘的(de)可(ke)控飛(fei)行，它與X-51A相比，HTV并沒有配備吸氣式的超燃沖壓發(fa)動機(ji)。

B-3

美(mei)國飛機研制專(zhuan)家正(zheng)精心設(she)計一種能以5倍音(yin)速飛行(xing)的高超音(yin)速隱(yin)形戰(zhan)略轟炸(zha)機B-3，在2030年左右替代時下的B-2隱形轟炸機(ji)，獨(du)霸新世紀的天空。設(she)計(ji)中的B-3隱形戰(zhan)略(lve)轟炸機(ji)的作(zuo)戰(zhan)能力(li)將不同凡響，主要表(biao)現在三(san)個方面(mian)：驚人的高超音速遠(yuan)程飛行能力(li)，可在1小時之內(nei)轟炸(zha)世界任何地點；力求最佳的隱形(xing)效果；強(qiang)大的攻擊能力，其載彈(dan)量將達到或超過B-52的水(shui)平，因此它(ta)將(jiang)成為轟(hong)炸(zha)機(ji)中的“大哥大”。

SR-91

“曙光女(nv)神”高超(chao)音(yin)速(su)戰略偵(zhen)察機

國別：美國

類型：偵(zhen)察機

型號：“極光”/“曙(shu)光(guang)女神

研制單位： 保密未(wei)公(gong)開 造價：研發費用(yong)大約為44億到80億美(mei)元(yuan)，購買24架(jia)大約(yue)還要(yao)100億到240億美元(yuan)

現狀： 保密未公開

“曙光女神”高超音速偵察機(Aurora)，又名“極光”，據稱其正式編(bian)號為CP-140或(huo)SR-91 ，是美國續SR-71“黑鳥”戰略偵察(cha)機(ji)之后(hou)新(xin)一代戰略偵察(cha)機(ji)。盡管美(mei)國(guo)官方一再否(fou)認(ren)該機(ji)的(de)存在，但有越(yue)來越(yue)多(duo)的(de)證(zheng)據(ju)表明該機(ji)已(yi)存在多(duo)年(nian)，只是美(mei)國(guo)軍方的(de)保(bao)密工作做(zuo)得(de)極好，如同當年(nian)的(de)B-2。

SR-72

SR-72偵察機臨界(jie)鷹(ying)戰略隱(yin)身多用途(tu)飛機（ENGLISH：Lockheed Martin SR-72）是(shi)由(you)美國洛克(ke)希德·馬丁公(gong)司于2007年提(ti)出的新型戰略隱(yin)身多用途飛機(ji)概念(nian)，該型機(ji)本身涵蓋完整的偵(zhen)察系統并(bing)可攜帶在超高至臨界空域(yu)的新型武器，集(ji)情報(bao)收集(ji)、偵(zhen)察、監控、打(da)擊(ji)等(deng)諸多功能為一體。

SR-72高超音(yin)速無人偵(zhen)察機主要用于取代上世紀70年代研(yan)制的SR-71“黑(hei)鳥”高(gao)速高(gao)空(kong)偵察機，其最(zui)高(gao)飛行速度將達(da)到驚(jing)人的馬赫數6(也(ye)就是聲音(yin)速度的(de)6倍)，是(shi)SR-71高(gao)速(su)(su)高(gao)空偵察機(ji)最大飛(fei)行(xing)(xing)速(su)(su)度(du)的(de)(de)(de)兩(liang)倍，是目前第四代戰斗機(ji)最大飛(fei)行(xing)(xing)速(su)(su)度(du)的(de)(de)(de)三倍，甚(shen)至其飛(fei)行(xing)(xing)速(su)(su)度(du)比一些常見的(de)(de)(de)導彈還要(yao)快(kuai)，堪稱人類制造(zao)的(de)(de)(de)“最快(kuai)飛(fei)機(ji)”。因為其速(su)(su)度(du)優勢，高(gao)超音速(su)(su)飛(fei)行(xing)(xing)器對21世紀防空系(xi)統的壓(ya)力極大(da)，一(yi)些著(zhu)名的地空導彈，如美國的“愛(ai)國者”、俄羅斯的S-400和中國(guo)的紅旗-9甚至(zhi)無法追上(shang)這種飛機(ji)，從而無法攔截和擊落它(ta)[2]。

XS-1

英(ying)國《簡氏防(fang)務周刊(kan)》網站7月31日(ri)發(fa)表題為《五角大樓用于發(fa)射衛星(xing)的(de)無人(ren)機進(jin)入研發(fa)新階段》的(de)報道稱，根據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，以(yi)繼續研發XS-1試驗型太空(kong)飛機(ji)。

該(gai)項目旨在研發一種(zhong)可重復使用(yong)的無人(ren)發射器，其(qi)成本、操作方式和可靠性(xing)與現代(dai)飛機類似，能(neng)將(jiang)3000至(zhi)5000磅（1磅約(yue)合0.454千克）的小(xiao)型(xing)載荷衛(wei)星送(song)入低地球軌道。

可重(zhong)復使(shi)用的(de)(de)第一(yi)級能夠在亞軌道高度(du)作高超音(yin)速飛行。當(dang)達到適當(dang)的(de)(de)速度(du)和高度(du)后，一(yi)個或多個一(yi)次性的(de)(de)其他(ta)級將與第一(yi)級分離，并(bing)將小型衛星送(song)入低地球(qiu)軌道。之后，可重(zhong)復使(shi)用的(de)(de)第一(yi)級將返回(hui)地球(qiu)，為(wei)下次飛行做準備。

美國(guo)國(guo)防部(bu)高級研究項目局在聲明中(zhong)稱，在1B階段(duan)，波音公司(si)負責(ze)研發(fa)XS-1的展示(shi)概(gai)念和(he)核心技(ji)術。加上1B階段(duan)的投入，迄(qi)今(jin)波(bo)音公司研發團隊獲得的經(jing)費總額已經(jing)從1000萬美(mei)元增加到(dao)1660萬美元。其中波音公司提供了600萬美元，其余部分由美國國防部高級研(yan)究項目局提供。預計(ji)1B階段的(de)工作(zuo)將(jiang)于2016年(nian)8月之前完成。

高級研究項目局計劃明(ming)年舉行第二階段競賽，以決定哪支(zhi)團隊獲得制造XS-1的(de)合(he)同并進行(xing)展示飛行(xing)。

X-37B

X-37B空(kong)天戰(zhan)(zhan)斗(dou)機是(shi)由(you)美國波音(yin)公司研(yan)制的(de)無人且可重復使用的(de)太空(kong)飛(fei)機，由(you)火箭發射進入太空(kong)，是(shi)第一架既能(neng)在地(di)球衛星(xing)軌道上飛(fei)行、又能(neng)進入大氣層的(de)航空(kong)器，同時結束任務后還能(neng)自動返(fan)回(hui)地(di)面，被認為是(shi)未來太空(kong)戰(zhan)(zhan)斗(dou)機的(de)雛(chu)形(xing)。其最高速度能(neng)達到音(yin)速的(de)25倍(bei)以上(shang)，常規(gui)軍用雷(lei)達(da)技術無法捕捉。