一、高超音速飛行器表面溫度分布

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當飛(fei)行(xing)器(qi)以(yi)高(gao)超(chao)音速在大氣中飛(fei)行(xing)時，氣動加熱嚴重。當飛(fei)行(xing)速度達到(dao)8馬赫時，飛行器的頭(tou)錐部位(wei)溫度可(ke)達1800℃，其它(ta)部位的(de)溫度也將(jiang)在(zai)600℃以上。因(yin)此(ci)設(she)計合(he)(he)適的(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)載荷管理系統(tong)成為(wei)必須(xu)。此(ci)前(qian)(qian)的(de)(de)(de)太空“穿梭”航(hang)天(tian)器，航(hang)天(tian)飛(fei)(fei)機(ji)的(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)效應(ying)主(zhu)要是集中在(zai)升空和再入階(jie)段，時(shi)(shi)間(jian)相(xiang)對(dui)有(you)限，在(zai)熱(re)(re)(re)防(fang)護(hu)上是以隔離為(wei)主(zhu)，機(ji)體(ti)(ti)材(cai)料(liao)可選(xuan)(xuan)余地較大(da)。但高(gao)(gao)超音速飛(fei)(fei)行器在(zai)大(da)氣(qi)層內(nei)長(chang)時(shi)(shi)間(jian)飛(fei)(fei)行，摩擦(ca)熱(re)(re)(re)集中在(zai)機(ji)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)前(qian)(qian)端和翼面前(qian)(qian)緣(yuan)，氣(qi)動加熱(re)(re)(re)持續時(shi)(shi)間(jian)遠比(bi)航(hang)天(tian)器要長(chang)，若沒有(you)有(you)效的(de)(de)(de)溫度控(kong)制手段將無(wu)法保(bao)證結構(gou)安全，也(ye)無(wu)法保(bao)證機(ji)體(ti)(ti)內(nei)部設(she)備的(de)(de)(de)工作環境。對(dui)于熱(re)(re)(re)防(fang)護(hu)首先就是材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)選(xuan)(xuan)擇(ze)，選(xuan)(xuan)用長(chang)壽命(ming)、耐高(gao)(gao)溫、抗腐蝕、高(gao)(gao)強度、低密(mi)度的(de)(de)(de)輕質材(cai)料(liao)。目前(qian)(qian)研(yan)制的(de)(de)(de)和可能采用的(de)(de)(de)新材(cai)料(liao)主(zhu)要有(you)輕金屬材(cai)料(liao)、金屬基復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)、聚合(he)(he)物基復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)、陶瓷基復(fu)合(he)(he)材(cai)料(liao)、碳-碳復合材料等(deng)。

只(zhi)不過(guo)高超(chao)音(yin)速飛(fei)(fei)行(xing)(xing)器，與(yu)空(kong)氣的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)摩擦(ca)熱量(liang)實(shi)在是(shi)太大，對(dui)飛(fei)(fei)行(xing)(xing)器的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)材(cai)料與(yu)結構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)選擇(ze)實(shi)在是(shi)巨大難(nan)題。機體(ti)(ti)材(cai)料很可能(neng)因(yin)溫(wen)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)飆升發(fa)(fa)(fa)生著(zhu)膨脹形變，加(jia)之(zhi)(zhi)機體(ti)(ti)內不同材(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)膨脹系數不同，形變程度又有(you)著(zhu)差別。這細微的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形變隨(sui)(sui)之(zhi)(zhi)可能(neng)引(yin)發(fa)(fa)(fa)高速飛(fei)(fei)行(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)飛(fei)(fei)行(xing)(xing)器的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)氣動(dong)控制的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)改變、機體(ti)(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)振動(dong)乃至解體(ti)(ti)。目前(qian)在美國多(duo)數高超(chao)音(yin)速飛(fei)(fei)行(xing)(xing)器的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)頭部多(duo)采用鎢基材(cai)料，但這種較高價值的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)金屬(shu)材(cai)料，隨(sui)(sui)之(zhi)(zhi)引(yin)發(fa)(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)就是(shi)成本的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)居高不下(xia)，對(dui)于未(wei)來的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)武器化(hua)、大范(fan)圍(wei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)裝備又會是(shi)不小的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)障礙(ai)。對(dui)于層(ceng)出不窮(qiong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)復合材(cai)料，在新材(cai)料的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)設計與(yu)加(jia)工(gong)都還有(you)這加(jia)工(gong)難(nan)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)問(wen)題，就像在美國“獵(lie)鷹(ying)”的(de)試(shi)驗(yan)計(ji)劃中(zhong)多次推遲(chi)的(de)原因就有(you)碳基殼體材(cai)料(liao)(liao)出現了剝離問題，研制人(ren)員不(bu)得(de)不(bu)改(gai)進工藝來使(shi)材(cai)料(liao)(liao)更易制造和性(xing)能穩定。

在(zai)基(ji)礎材料之(zhi)外，高超音速(su)飛行器還必須在(zai)飛行器的總體(ti)設計(ji)和結構設計(ji)中考慮熱(re)防護(hu)因素，采用主(zhu)動降溫(wen)技術(shu)措施。比如，在(zai)X-51A上(shang)，不僅有著結構(gou)熱(re)(re)(re)(re)防護措施(shi)，又將燃料(liao)作(zuo)為結構(gou)散(san)熱(re)(re)(re)(re)的(de)載體(ti)，在熱(re)(re)(re)(re)交換器(qi)(qi)內(nei)流動(dong)(dong)后帶走(zou)發動(dong)(dong)機(ji)的(de)熱(re)(re)(re)(re)量承擔(dan)發動(dong)(dong)機(ji)散(san)熱(re)(re)(re)(re)的(de)作(zuo)用。在高溫段吸熱(re)(re)(re)(re)后的(de)燃料(liao)裂解(jie)成低分子產物，循環(huan)到(dao)超燃沖壓發動(dong)(dong)機(ji)動(dong)(dong)力系(xi)統(tong)后更適合工作(zuo)要求(qiu)。消(xiao)耗(hao)，利用燃料(liao)循環(huan)系(xi)統(tong)作(zuo)為外殼持續降溫的(de)手段。正是(shi)隔熱(re)(re)(re)(re)層、耐熱(re)(re)(re)(re)結構(gou)材料(liao)，降低熱(re)(re)(re)(re)流，減少(shao)熱(re)(re)(re)(re)應力、熱(re)(re)(re)(re)傳送(song)和熱(re)(re)(re)(re)冷(leng)卻(que)等(deng)多項措施(shi)的(de)全面綜合采用，才(cai)有熱(re)(re)(re)(re)防護問題的(de)解(jie)決可能，才(cai)有飛行器(qi)(qi)向(xiang)高超音速的(de)沖刺(ci)。

二、美國高超音速飛行器型號簡介

X-43

X-43系列高(gao)超音速(su)飛機(ji)是美國(guo)航空航天總署(shu)秘密研制的無人駕駛飛機(ji)，看(kan)上去很(hen)像一塊漂亮的沖浪板。1996年開始(shi)研制。2004年(nian)第二次試飛成功，并突破(po)7倍音速。

美國航天局在加利福尼亞當地(di)時(shi)間11月(yue)16日，成功(gong)地進行了無人駕(jia)駛的高超音速試(shi)驗飛(fei)機(ji)X-43A飛(fei)行試驗。X-43A試驗飛(fei)機飛(fei)上(shang)了太(tai)平洋上(shang)空，飛(fei)行(xing)速度為每(mei)小時1萬(wan)多公(gong)里(li)，此(ci)時(shi)飛行馬赫(he)數為(wei)9.6，即飛行速度為音速的9.6倍，從而打(da)破了(le)一(yi)架同樣型號的X-43A試驗飛機創造的(de)馬(ma)赫數為7的(de)紀錄，再次創(chuang)造(zao)了飛機飛行最(zui)高(gao)飛行速(su)度紀錄。當地時間昨(zuo)天下(xia)午，X-43A試驗飛機在加利福尼亞州洛杉磯北部沙漠(mo)中愛(ai)德(de)華空軍基地(di)被一架(jia)改(gai)型的B-52飛機(ji)運載到1.2萬米(mi)的高(gao)空(kong)，在這個高(gao)度它脫離母機，啟動(dong)自己的沖壓發動(dong)機，加(jia)速(su)到每小時1萬多公里的(de)速度(du),沖(chong)到3.35萬米高空。

美國航天局的X-43A計劃(hua)目(mu)標是(shi)制(zhi)造能(neng)到達地球(qiu)大氣層邊緣的(de)飛機，計劃(hua)的(de)研制(zhi)周(zhou)期為8年，研(yan)究預算(suan)為2.3億美元。計劃中的(de)主要研(yan)(yan)制目標就是(shi)沖壓發(fa)動(dong)機(ji)(ji)，科學家認(ren)為(wei)這(zhe)(zhe)是(shi)為(wei)實現研(yan)(yan)制出能接近地球大氣(qi)層邊緣的(de)飛機(ji)(ji)這(zhe)(zhe)一(yi)目的(de)最安全和便宜(yi)的(de)飛機(ji)(ji)發(fa)動(dong)機(ji)(ji)，因為(wei)這(zhe)(zhe)種發(fa)動(dong)機(ji)(ji)能將(jiang)空(kong)氣(qi)中的(de)氧(yang)(yang)氣(qi)吸(xi)進發(fa)動(dong)機(ji)(ji)中，而(er)一(yi)般的(de)航空(kong)發(fa)動(dong)機(ji)(ji)需要自帶氧(yang)(yang)化劑，從而(er)增加燃料重量。

X-51

X-51A是美國空軍研(yan)究實驗室（AFRL）與國防高級(ji)研究計劃局(ju)（DARPA）聯合主持(chi)研制的超燃沖壓發動機驗證(zheng)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碳氫燃(ran)料超燃(ran)沖(chong)壓發動機推(tui)動，設(she)計飛行(xing)馬(ma)赫數(shu)在6～6.5之間。這個計劃的(de)終極目標就是要發展一種比美國原武器庫中任何一種導彈的(de)速(su)度都要快5倍(bei)以上，可(ke)以在1小時內攻(gong)擊地球任意位置目標的新(xin)武(wu)器。

x-51a

X-51A（又名(ming)：“乘波(bo)者”），為美國(guo)軍方最新研發的實(shi)驗型高超音速飛行器(qi)。美國(guo)X-51A型高超音(yin)速飛(fei)行(xing)器成(cheng)功(gong)完成(cheng)最(zui)后一次(ci)試飛(fei)。此前(qian)，“乘波者”共(gong)進行(xing)過三次(ci)試飛(fei)，均(jun)未能(neng)實(shi)現以(yi)6倍音速飛行300秒的(de)初始計劃。X-51A超燃沖壓發動機技(ji)術將應用到其他領域，比如研發可一小(xiao)時內(nei)攻(gong)擊全球(qiu)任(ren)一目標的武器。

HTV

除了研(yan)發X-51A外(wai)，美國防部高級研(yan)究計劃局（DARPA）還有HTV計劃，但是其(qi)在(zai)2011年8月的測試中(zhong)墜毀，工程師希望其能(neng)達到20馬赫的飛行速度。2011年進(jin)行的HTV任(ren)務歷時(shi)9分鐘(zhong)，但是飛(fei)行器(qi)只(zhi)進(jin)行了(le)大約(yue)3分鐘的可(ke)控飛(fei)行，它與X-51A相比，HTV并沒有配備吸(xi)氣式的超燃沖壓發動機。

B-3

美國飛(fei)機研制專家(jia)正(zheng)精心設計一種能以5倍音(yin)速飛行的高超音(yin)速隱形戰略轟炸機B-3，在2030年左右替代時下的B-2隱形轟炸機，獨霸新世紀的(de)天(tian)空。設計中的(de)B-3隱(yin)形(xing)戰略轟炸(zha)機的(de)作戰能(neng)力(li)將不同(tong)凡響(xiang)，主要表現(xian)在三(san)個方面：驚(jing)人的(de)高超音速遠程飛行能(neng)力(li)，可在1小時之內轟炸世界任何地點；力求最佳的隱(yin)形效果；強大的攻擊(ji)能力，其載彈量(liang)將達(da)到或(huo)超過(guo)B-52的水(shui)平，因此它將成為轟炸機中(zhong)的“大(da)哥大(da)”。

SR-91

“曙光(guang)女(nv)神(shen)”高超音(yin)速戰略偵察機(ji)

國別：美國

類型：偵(zhen)察機

型號：“極光”/“曙光女(nv)神

研制單位： 保密未公開 造(zao)價：研發(fa)費(fei)用大約為44億到(dao)80億(yi)美元，購買(mai)24架大(da)約(yue)還要100億到240億美元

現(xian)狀： 保(bao)密未公開

“曙光女神”高超音速偵察機(Aurora)，又名(ming)“極光”，據(ju)稱其(qi)正式編號為CP-140或SR-91 ，是美國續SR-71“黑鳥”戰略偵察機(ji)之后新一(yi)(yi)代(dai)戰略偵察機(ji)。盡管美(mei)國(guo)官(guan)方(fang)一(yi)(yi)再否認該機(ji)的(de)存(cun)在(zai)，但(dan)有越(yue)來越(yue)多(duo)的(de)證據表明該機(ji)已存(cun)在(zai)多(duo)年，只(zhi)是(shi)美(mei)國(guo)軍方(fang)的(de)保密工(gong)作(zuo)做得極好(hao)，如同(tong)當年的(de)B-2。

SR-72

SR-72偵察機(ji)臨界鷹戰略隱(yin)身多用途飛機(ji)（ENGLISH：Lockheed Martin SR-72）是(shi)由(you)美國洛克(ke)希德·馬(ma)丁(ding)公(gong)司(si)于2007年提(ti)出的新型戰略隱身(shen)多用途飛機概念，該型機本身(shen)涵蓋完整的偵察(cha)系(xi)統并可攜帶(dai)在超高至(zhi)臨界空域的新型武器，集情報收集、偵察(cha)、監控、打擊等諸多功(gong)能為(wei)一體。

SR-72高超音速無人偵察(cha)機(ji)主要(yao)用于取代(dai)上世紀70年代研制(zhi)的SR-71“黑鳥”高(gao)速高(gao)空偵察機，其最高(gao)飛行速度(du)將(jiang)達到驚(jing)人的馬赫(he)數6(也就是聲音(yin)速度的6倍)，是SR-71高速高空偵(zhen)察機(ji)(ji)最大(da)(da)飛行速度的(de)兩倍，是目(mu)前(qian)第四代戰斗(dou)機(ji)(ji)最大(da)(da)飛行速度的(de)三倍，甚至其飛行速度比(bi)一些(xie)常見的(de)導(dao)彈還要快(kuai)，堪(kan)稱(cheng)人類制(zhi)造的(de)“最快(kuai)飛機(ji)(ji)”。因為其速度優勢，高超音速飛行器對21世(shi)紀防空(kong)(kong)系統的(de)壓(ya)力極大，一些(xie)著名的(de)地(di)空(kong)(kong)導彈，如美國(guo)的(de)“愛國(guo)者(zhe)”、俄羅斯的(de)S-400和中國的紅(hong)旗-9甚至(zhi)無(wu)(wu)法追上這種飛機，從而無(wu)(wu)法攔截和擊(ji)落它[2]。

XS-1

英(ying)國《簡氏防(fang)務周刊》網站7月31日發(fa)表題為《五角大樓用于發(fa)射衛星的無(wu)人機進入研發(fa)新階段》的報道稱，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(wan)美元(yuan)，以(yi)繼續研(yan)發XS-1試(shi)驗型太(tai)空飛機。

該(gai)項(xiang)目(mu)旨在研發一種可重復使用(yong)的(de)無人發射器，其(qi)成本、操作方式和(he)可靠性與現代飛(fei)機類似，能(neng)將3000至5000磅(bang)（1磅約合(he)0.454千(qian)克）的小(xiao)型載荷衛星(xing)送入低地球軌道。

可重復使(shi)用的第(di)一(yi)(yi)級能夠在亞(ya)軌(gui)道高(gao)度作高(gao)超音速飛(fei)行(xing)。當達到適(shi)當的速度和(he)高(gao)度后，一(yi)(yi)個或多(duo)個一(yi)(yi)次性(xing)的其他級將與第(di)一(yi)(yi)級分(fen)離，并將小型衛星送入低地球軌(gui)道。之后，可重復使(shi)用的第(di)一(yi)(yi)級將返(fan)回地球，為下次飛(fei)行(xing)做準備(bei)。

美國國防(fang)部高級研究項目局在聲明(ming)中稱，在1B階段，波音(yin)公司負責研發XS-1的展示概念和核心技術。加上1B階段(duan)的投(tou)入，迄(qi)今波音公(gong)司研發團(tuan)隊獲(huo)得的經費總額(e)已(yi)經從1000萬(wan)美(mei)元增加到1660萬(wan)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究項(xiang)目局提(ti)供。預(yu)計1B階段的工作將于2016年8月之(zhi)前完(wan)成(cheng)。

高級研究項目局計劃(hua)明年舉行第二階段競賽，以決定(ding)哪支(zhi)團隊(dui)獲得制造XS-1的合同并進行展示飛行。

X-37B

X-37B空(kong)(kong)天戰斗機是由(you)美(mei)國(guo)波音公司研制的(de)(de)(de)無人且(qie)可重復(fu)使用的(de)(de)(de)太(tai)空(kong)(kong)飛(fei)機，由(you)火箭發射(she)進(jin)入(ru)太(tai)空(kong)(kong)，是第一架(jia)既能(neng)在地(di)球衛(wei)星(xing)軌道上飛(fei)行、又能(neng)進(jin)入(ru)大氣層的(de)(de)(de)航空(kong)(kong)器，同時結束任務后還(huan)能(neng)自動返回地(di)面，被(bei)認為是未(wei)來(lai)太(tai)空(kong)(kong)戰斗機的(de)(de)(de)雛形。其(qi)最高速度能(neng)達到音速的(de)(de)(de)25倍以上，常規軍用(yong)雷達技術(shu)無法捕捉。