一、高超音速飛行器表面溫度分布

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當(dang)飛行(xing)器以高(gao)超音速(su)在大氣中(zhong)飛行(xing)時，氣動加熱嚴重。當(dang)飛行(xing)速(su)度(du)達(da)到8馬赫時，飛(fei)行器(qi)的頭(tou)錐部位(wei)溫(wen)度可達1800℃，其它部位的溫度也將在(zai)600℃以上。因此設計合適的(de)(de)熱(re)(re)(re)載荷(he)管理系統(tong)成為必須。此前的(de)(de)太空“穿梭”航天器，航天飛(fei)機的(de)(de)熱(re)(re)(re)效應主(zhu)要是(shi)集(ji)中在升空和再入(ru)階段(duan)，時間(jian)相對有(you)限，在熱(re)(re)(re)防護上是(shi)以隔離為主(zhu)，機體材(cai)(cai)料(liao)(liao)可(ke)選余地較大(da)(da)。但高(gao)超音速(su)飛(fei)行器在大(da)(da)氣層內長時間(jian)飛(fei)行，摩擦熱(re)(re)(re)集(ji)中在機體的(de)(de)前端和翼面前緣，氣動加(jia)熱(re)(re)(re)持續時間(jian)遠比航天器要長，若沒有(you)有(you)效的(de)(de)溫度(du)控制手段(duan)將無法保證結構安全，也無法保證機體內部設備的(de)(de)工作環境(jing)。對于熱(re)(re)(re)防護首(shou)先就是(shi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)選擇，選用長壽命、耐(nai)高(gao)溫、抗腐蝕、高(gao)強(qiang)度(du)、低密度(du)的(de)(de)輕質材(cai)(cai)料(liao)(liao)。目前研制的(de)(de)和可(ke)能采用的(de)(de)新材(cai)(cai)料(liao)(liao)主(zhu)要有(you)輕金屬(shu)材(cai)(cai)料(liao)(liao)、金屬(shu)基(ji)(ji)復(fu)合材(cai)(cai)料(liao)(liao)、聚(ju)合物基(ji)(ji)復(fu)合材(cai)(cai)料(liao)(liao)、陶瓷基(ji)(ji)復(fu)合材(cai)(cai)料(liao)(liao)、碳-碳復合材料等。

只不(bu)過高(gao)超音速飛(fei)(fei)行(xing)器，與(yu)空(kong)氣的摩擦熱(re)量實(shi)在是太大(da)，對飛(fei)(fei)行(xing)器的材(cai)料(liao)(liao)與(yu)結構(gou)的選(xuan)擇實(shi)在是巨大(da)難題。機(ji)體(ti)(ti)材(cai)料(liao)(liao)很可(ke)能因溫度(du)的飆升發生著膨脹形(xing)變，加(jia)之(zhi)機(ji)體(ti)(ti)內不(bu)同材(cai)料(liao)(liao)的膨脹系數(shu)不(bu)同，形(xing)變程度(du)又有著差別。這(zhe)細微的形(xing)變隨之(zhi)可(ke)能引(yin)發高(gao)速飛(fei)(fei)行(xing)的飛(fei)(fei)行(xing)器的氣動控制的改變、機(ji)體(ti)(ti)的振動乃至解體(ti)(ti)。目前在美(mei)國多數(shu)高(gao)超音速飛(fei)(fei)行(xing)器的頭(tou)部多采(cai)用鎢基材(cai)料(liao)(liao)，但(dan)這(zhe)種(zhong)較高(gao)價值的金屬材(cai)料(liao)(liao)，隨之(zhi)引(yin)發的就是成本的居高(gao)不(bu)下，對于未來的武器化、大(da)范(fan)圍的裝備又會是不(bu)小的障礙(ai)。對于層(ceng)出不(bu)窮的復合材(cai)料(liao)(liao)，在新材(cai)料(liao)(liao)的設計與(yu)加(jia)工都(dou)還有這(zhe)加(jia)工難度(du)的問題，就像在美(mei)國“獵鷹”的試(shi)驗計劃中(zhong)多(duo)次(ci)推遲的原因(yin)就有碳基殼體材料出現(xian)了(le)剝離問(wen)題，研制人(ren)員不得不改進工藝(yi)來使材料更易制造和性能穩定。

在(zai)基礎材料之外，高超音速飛行器還必須(xu)在(zai)飛行器的總體設計和結構設計中(zhong)考慮(lv)熱防護因素，采用主(zhu)動降溫技(ji)術措(cuo)施。比(bi)如，在(zai)X-51A上，不僅有(you)著結構(gou)(gou)熱(re)(re)(re)防(fang)護措施，又(you)將燃料作(zuo)為結構(gou)(gou)散熱(re)(re)(re)的(de)(de)載體，在熱(re)(re)(re)交換器(qi)內流動(dong)(dong)后帶走發動(dong)(dong)機的(de)(de)熱(re)(re)(re)量承擔發動(dong)(dong)機散熱(re)(re)(re)的(de)(de)作(zuo)用。在高溫(wen)(wen)段(duan)吸熱(re)(re)(re)后的(de)(de)燃料裂解成低分子產物，循(xun)環到超燃沖(chong)壓(ya)發動(dong)(dong)機動(dong)(dong)力系統后更適合工作(zuo)要求。消耗，利用燃料循(xun)環系統作(zuo)為外殼持續降溫(wen)(wen)的(de)(de)手(shou)段(duan)。正是隔(ge)熱(re)(re)(re)層、耐(nai)熱(re)(re)(re)結構(gou)(gou)材(cai)料，降低熱(re)(re)(re)流，減少熱(re)(re)(re)應力、熱(re)(re)(re)傳送(song)和熱(re)(re)(re)冷卻(que)等多項措施的(de)(de)全(quan)面綜合采用，才有(you)熱(re)(re)(re)防(fang)護問題的(de)(de)解決可能，才有(you)飛行器(qi)向高超音速(su)的(de)(de)沖(chong)刺。

二、美國高超音速飛行器型號簡介

X-43

X-43系列高超(chao)音(yin)速飛機是美國航空航天總署秘密研制(zhi)的無人駕駛飛機，看上去很像一塊漂亮的沖浪板(ban)。1996年開始(shi)研制。2004年(nian)第(di)二次試飛成功，并突破(po)7倍(bei)音速。

美國(guo)航天局(ju)在加利(li)福尼亞(ya)當地時間11月16日，成(cheng)功地進(jin)行了無(wu)人駕(jia)駛的(de)高超(chao)音速(su)試驗飛機X-43A飛(fei)行試(shi)驗。X-43A試(shi)驗飛機飛上了(le)太平洋(yang)上空(kong)，飛行速度為每小(xiao)時1萬多公里，此(ci)時飛(fei)行馬(ma)赫數為9.6，即(ji)飛行速(su)度為音速(su)的(de)9.6倍(bei)，從而打破了一架同樣型號的(de)X-43A試驗飛機(ji)創造的馬赫數(shu)為7的紀錄(lu)，再次創造了飛機飛行最高飛行速度紀錄(lu)。當地時間昨天下午(wu)，X-43A試(shi)驗飛機(ji)在加利(li)福尼(ni)亞州洛杉磯北(bei)部沙漠中愛德華空軍基地被一架(jia)改型(xing)的B-52飛機運載(zai)到1.2萬米的高空，在這(zhe)個高度它脫離母機，啟動(dong)自己的沖壓發動(dong)機，加速到每小時(shi)1萬(wan)多公(gong)里的速度,沖到3.35萬米高空。

美國航天局的X-43A計劃(hua)目標是制造能到達地球大氣(qi)層邊緣(yuan)的飛機(ji)，計劃(hua)的研制周期為8年，研究預算為2.3億美元。計劃中(zhong)的(de)主(zhu)要研制(zhi)目標就是(shi)沖壓發(fa)(fa)(fa)動機，科學家認為(wei)這(zhe)(zhe)是(shi)為(wei)實(shi)現研制(zhi)出(chu)能接近地球大氣(qi)(qi)層邊緣的(de)飛(fei)機這(zhe)(zhe)一目的(de)最安全(quan)和便宜的(de)飛(fei)機發(fa)(fa)(fa)動機，因為(wei)這(zhe)(zhe)種發(fa)(fa)(fa)動機能將空氣(qi)(qi)中(zhong)的(de)氧氣(qi)(qi)吸(xi)進發(fa)(fa)(fa)動機中(zhong)，而一般的(de)航空發(fa)(fa)(fa)動機需要自帶(dai)氧化劑，從而增加燃料重(zhong)量。

X-51

X-51A是美國(guo)空軍(jun)研究(jiu)實驗室(shi)（AFRL）與國防高級研究計劃(hua)局（DARPA）聯合主持研制的超燃沖(chong)壓發動機(ji)驗證機(ji)——乘波(bo)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碳氫燃料(liao)超(chao)燃沖壓(ya)發(fa)動(dong)機推動(dong)，設(she)計飛行馬赫(he)數(shu)在(zai)6～6.5之間。這(zhe)個計劃的終極目標就是(shi)要發(fa)展一(yi)種(zhong)比美國原武器庫中任何一(yi)種(zhong)導彈的速(su)度都要快5倍以(yi)上，可以(yi)在1小時內(nei)攻擊地球任意位置目標的新武器。

x-51a

X-51A（又名(ming)：“乘波(bo)者”），為美國(guo)軍方(fang)最新研發的實驗型高超音速飛行(xing)器。美國(guo)X-51A型高(gao)超音速飛(fei)(fei)行器成功完成最(zui)后(hou)一(yi)次試飛(fei)(fei)。此前，“乘(cheng)波者”共進行過三次試飛(fei)(fei)，均未能實現(xian)以6倍音速飛行(xing)300秒的初始計劃。X-51A超(chao)燃沖壓(ya)發動機技術將應用到(dao)其他領域，比(bi)如研(yan)發可(ke)一(yi)小時內攻(gong)擊(ji)全球任一(yi)目標的武(wu)器(qi)。

HTV

除了研(yan)發(fa)X-51A外(wai)，美國防部高(gao)級研究(jiu)計劃(hua)局（DARPA）還有HTV計劃，但是其(qi)在(zai)2011年8月的測試(shi)中墜毀，工程師希(xi)望其能達到20馬赫的(de)飛行速度。2011年進行的HTV任務歷(li)時9分鐘(zhong)，但是飛(fei)行器只進行了大約3分(fen)鐘的可控飛行，它與(yu)X-51A相比(bi)，HTV并沒有配(pei)備吸(xi)氣式的超燃沖壓發動機。

B-3

美國(guo)飛機(ji)研制(zhi)專家正(zheng)精心設(she)計一種能以(yi)5倍音速(su)飛行的高超音速(su)隱形戰略轟(hong)炸機B-3，在(zai)2030年左右替代時(shi)下的B-2隱(yin)形轟炸機，獨霸新(xin)世紀的天空。設計中的B-3隱形戰(zhan)略轟炸機(ji)的(de)作戰(zhan)能(neng)力(li)將不同(tong)凡(fan)響，主要表現在三個方面：驚人的(de)高超音速(su)遠程(cheng)飛(fei)行能(neng)力(li)，可在1小時(shi)之內轟炸世界任(ren)何地點；力求最佳的隱(yin)形效果；強(qiang)大的攻擊能力，其載彈量(liang)將達到或超(chao)過B-52的水平(ping)，因(yin)此它將成為轟炸機中的“大(da)哥大(da)”。

SR-91

“曙光女神”高(gao)超音速戰(zhan)略(lve)偵(zhen)察機

國別：美國

類型：偵察機(ji)

型號：“極光”/“曙光女(nv)神

研制單位： 保密未(wei)公開 造價：研發費用大約為(wei)44億到80億美元，購(gou)買24架大(da)約還要(yao)100億到(dao)240億美元

現狀(zhuang)： 保密未公(gong)開

“曙光女神”高超音速偵察機(Aurora)，又名“極光”，據稱(cheng)其正式(shi)編號為CP-140或(huo)SR-91 ，是美國續SR-71“黑鳥”戰(zhan)略偵察(cha)機(ji)之后新一代戰(zhan)略偵察(cha)機(ji)。盡管美國官(guan)方一再否(fou)認該機(ji)的存(cun)在，但有越來(lai)越多的證據(ju)表明(ming)該機(ji)已存(cun)在多年，只是美國軍(jun)方的保(bao)密工作做得(de)極好，如(ru)同當年的B-2。

SR-72

SR-72偵察機臨界鷹戰略隱(yin)身(shen)多(duo)用(yong)途飛(fei)機（ENGLISH：Lockheed Martin SR-72）是由美國洛克希德·馬丁公司于2007年(nian)提(ti)出的新型戰略隱(yin)身(shen)(shen)多(duo)(duo)用途(tu)飛(fei)機概念，該型機本(ben)身(shen)(shen)涵(han)蓋(gai)完(wan)整(zheng)的偵察系統并(bing)可攜帶在超高至臨界空域(yu)的新型武器，集情報(bao)收(shou)集、偵察、監控、打擊(ji)等諸(zhu)多(duo)(duo)功能為(wei)一(yi)體。

SR-72高超音(yin)速(su)無人偵察(cha)機(ji)主要用于取代上世紀(ji)70年代研制的SR-71“黑鳥(niao)”高速高空偵察機，其最高飛行速度將達到驚人的馬赫(he)數6(也就是聲音速度(du)的6倍)，是(shi)SR-71高速(su)高空偵察機(ji)最(zui)大飛(fei)(fei)行(xing)速(su)度(du)的(de)兩倍，是目前(qian)第四代戰斗機(ji)最(zui)大飛(fei)(fei)行(xing)速(su)度(du)的(de)三倍，甚至其飛(fei)(fei)行(xing)速(su)度(du)比一(yi)些常見的(de)導彈(dan)還(huan)要快，堪(kan)稱人類制(zhi)造的(de)“最(zui)快飛(fei)(fei)機(ji)”。因為其速(su)度(du)優勢，高超音(yin)速(su)飛(fei)(fei)行(xing)器對(dui)21世紀防空系統的(de)壓力(li)極大，一些著名的(de)地(di)空導彈，如(ru)美國的(de)“愛國者”、俄羅斯的(de)S-400和中(zhong)國(guo)的紅旗-9甚至無(wu)法(fa)追(zhui)上這種飛(fei)機，從而無(wu)法(fa)攔截和擊(ji)落它(ta)[2]。

XS-1

英(ying)國《簡氏(shi)防務周(zhou)刊》網站7月31日發表題為《五(wu)角(jiao)大樓(lou)用于發射衛星的無人機進入(ru)研發新階段》的報道稱(cheng)，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，以繼續研發XS-1試(shi)驗型太(tai)空飛(fei)機。

該(gai)項(xiang)目旨(zhi)在研發一種可重(zhong)復使用的無(wu)人發射器，其(qi)成本、操作(zuo)方式和可靠性與現代飛機類似，能將3000至5000磅（1磅約合0.454千克）的小型載荷衛星送入低(di)地(di)球軌道。

可重復使用(yong)的第(di)一級(ji)能夠在亞軌道(dao)高(gao)度作高(gao)超(chao)音速飛行(xing)。當(dang)達到適(shi)當(dang)的速度和高(gao)度后，一個(ge)(ge)或多個(ge)(ge)一次(ci)性(xing)的其他級(ji)將與第(di)一級(ji)分離，并將小型衛星送(song)入低地球軌道(dao)。之后，可重復使用(yong)的第(di)一級(ji)將返回(hui)地球，為下次(ci)飛行(xing)做準備(bei)。

美國國防部高級研究(jiu)項目局在(zai)(zai)聲明中稱，在(zai)(zai)1B階段，波音公司負責(ze)研(yan)發XS-1的展示概念和核心技術(shu)。加上1B階(jie)段(duan)的(de)投(tou)入，迄今波音公司研發團隊(dui)獲得的(de)經費總額(e)已(yi)經從1000萬美元增加(jia)到(dao)1660萬美元。其中波音(yin)公司提供了600萬美元，其余部(bu)分由美國(guo)國(guo)防部(bu)高級研究項目局提供(gong)。預計1B階(jie)段(duan)的工作將于2016年8月(yue)之(zhi)前完成。

高級(ji)研究項目局(ju)計劃明年舉(ju)行第二階段競賽，以決(jue)定哪(na)支(zhi)團隊獲得(de)制(zhi)造XS-1的合同(tong)并進(jin)行(xing)展示飛行(xing)。

X-37B

X-37B空(kong)天戰(zhan)斗(dou)機是由(you)美國波音(yin)公司研制(zhi)的(de)無(wu)人且可重復使用的(de)太(tai)(tai)空(kong)飛(fei)機，由(you)火箭發(fa)射(she)進(jin)入太(tai)(tai)空(kong)，是第一架既能(neng)在地(di)球(qiu)衛(wei)星軌道上飛(fei)行、又能(neng)進(jin)入大氣層的(de)航空(kong)器，同時結(jie)束(shu)任務后還能(neng)自(zi)動返回地(di)面，被認(ren)為是未來太(tai)(tai)空(kong)戰(zhan)斗(dou)機的(de)雛形。其最高速(su)度能(neng)達到音(yin)速(su)的(de)25倍(bei)以上(shang)，常規軍用雷達技術(shu)無(wu)法捕捉。