一、高超音速飛行器表面溫度分布

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當(dang)飛行(xing)器(qi)以高超音速在大(da)氣中飛行(xing)時(shi)，氣動加(jia)熱嚴重。當(dang)飛行(xing)速度達到8馬赫時(shi)，飛行器的頭錐部(bu)位(wei)溫度可達1800℃，其它部位的(de)溫度也(ye)將在600℃以上。因此設計合(he)適(shi)的熱(re)(re)載荷(he)管(guan)理系(xi)統成(cheng)為必(bi)須。此前的太空“穿梭”航天器，航天飛(fei)機(ji)(ji)的熱(re)(re)效應主(zhu)要是(shi)集中在升空和再入階(jie)段(duan)，時間(jian)相對(dui)有(you)(you)限，在熱(re)(re)防護上是(shi)以隔離為主(zhu)，機(ji)(ji)體(ti)材(cai)(cai)料(liao)可選(xuan)(xuan)余地(di)較大。但高(gao)(gao)超(chao)音速飛(fei)行(xing)器在大氣層內(nei)長(chang)時間(jian)飛(fei)行(xing)，摩擦熱(re)(re)集中在機(ji)(ji)體(ti)的前端和翼(yi)面前緣，氣動(dong)加熱(re)(re)持(chi)續時間(jian)遠比航天器要長(chang)，若沒有(you)(you)有(you)(you)效的溫(wen)度(du)控制手段(duan)將無法保(bao)證結構安全，也(ye)無法保(bao)證機(ji)(ji)體(ti)內(nei)部設備的工(gong)作環(huan)境。對(dui)于熱(re)(re)防護首先就是(shi)材(cai)(cai)料(liao)的選(xuan)(xuan)擇，選(xuan)(xuan)用(yong)長(chang)壽命、耐高(gao)(gao)溫(wen)、抗腐蝕、高(gao)(gao)強(qiang)度(du)、低(di)密(mi)度(du)的輕質材(cai)(cai)料(liao)。目前研制的和可能采用(yong)的新材(cai)(cai)料(liao)主(zhu)要有(you)(you)輕金屬材(cai)(cai)料(liao)、金屬基(ji)(ji)復(fu)合(he)材(cai)(cai)料(liao)、聚(ju)合(he)物基(ji)(ji)復(fu)合(he)材(cai)(cai)料(liao)、陶瓷基(ji)(ji)復(fu)合(he)材(cai)(cai)料(liao)、碳-碳復合(he)材料(liao)等。

只(zhi)不(bu)過高超(chao)音(yin)速(su)飛(fei)行(xing)器(qi)，與空氣的(de)(de)摩擦熱(re)量實在是太(tai)大(da)，對(dui)飛(fei)行(xing)器(qi)的(de)(de)材(cai)料(liao)與結構的(de)(de)選擇實在是巨大(da)難(nan)題(ti)。機體材(cai)料(liao)很可(ke)能(neng)因溫度的(de)(de)飆升發(fa)(fa)生著膨(peng)脹(zhang)(zhang)形變(bian)(bian)，加(jia)(jia)之(zhi)(zhi)機體內不(bu)同材(cai)料(liao)的(de)(de)膨(peng)脹(zhang)(zhang)系數不(bu)同，形變(bian)(bian)程(cheng)度又(you)有著差別。這細微(wei)的(de)(de)形變(bian)(bian)隨之(zhi)(zhi)可(ke)能(neng)引發(fa)(fa)高速(su)飛(fei)行(xing)的(de)(de)飛(fei)行(xing)器(qi)的(de)(de)氣動(dong)控制(zhi)的(de)(de)改(gai)變(bian)(bian)、機體的(de)(de)振動(dong)乃(nai)至解體。目(mu)前在美國(guo)多(duo)數高超(chao)音(yin)速(su)飛(fei)行(xing)器(qi)的(de)(de)頭部多(duo)采用鎢基材(cai)料(liao)，但這種較高價值的(de)(de)金屬(shu)材(cai)料(liao)，隨之(zhi)(zhi)引發(fa)(fa)的(de)(de)就是成(cheng)本(ben)的(de)(de)居高不(bu)下(xia)，對(dui)于未(wei)來的(de)(de)武器(qi)化、大(da)范圍的(de)(de)裝(zhuang)備又(you)會是不(bu)小的(de)(de)障礙(ai)。對(dui)于層(ceng)出不(bu)窮(qiong)的(de)(de)復合(he)材(cai)料(liao)，在新材(cai)料(liao)的(de)(de)設(she)計(ji)與加(jia)(jia)工(gong)(gong)都(dou)還有這加(jia)(jia)工(gong)(gong)難(nan)度的(de)(de)問題(ti)，就像在美國(guo)“獵鷹”的(de)試驗計劃中(zhong)多次推遲的(de)原因(yin)就有碳基殼體材(cai)料(liao)(liao)出現了剝離問題，研制人員不(bu)得不(bu)改進工藝來使材(cai)料(liao)(liao)更易制造和性能穩定。

在(zai)基礎(chu)材料之外(wai)，高超音(yin)速飛(fei)行器還必須在(zai)飛(fei)行器的總體設計和結構(gou)設計中考慮熱(re)防護因素，采(cai)用主動(dong)降溫技(ji)術措施(shi)。比(bi)如，在(zai)X-51A上(shang)，不(bu)僅有(you)著結構熱(re)(re)防(fang)護(hu)措(cuo)施，又將燃(ran)料(liao)(liao)(liao)作(zuo)為(wei)(wei)結構散(san)熱(re)(re)的(de)(de)載體，在熱(re)(re)交換器(qi)內流(liu)(liu)動(dong)后(hou)(hou)帶走發(fa)(fa)動(dong)機的(de)(de)熱(re)(re)量承(cheng)擔(dan)發(fa)(fa)動(dong)機散(san)熱(re)(re)的(de)(de)作(zuo)用(yong)。在高溫段吸(xi)熱(re)(re)后(hou)(hou)的(de)(de)燃(ran)料(liao)(liao)(liao)裂解(jie)成低分子產物，循環到超(chao)燃(ran)沖壓(ya)發(fa)(fa)動(dong)機動(dong)力(li)系(xi)統(tong)后(hou)(hou)更適合(he)工作(zuo)要(yao)求。消耗，利用(yong)燃(ran)料(liao)(liao)(liao)循環系(xi)統(tong)作(zuo)為(wei)(wei)外(wai)殼持續(xu)降溫的(de)(de)手(shou)段。正是隔(ge)熱(re)(re)層(ceng)、耐(nai)熱(re)(re)結構材(cai)料(liao)(liao)(liao)，降低熱(re)(re)流(liu)(liu)，減少熱(re)(re)應(ying)力(li)、熱(re)(re)傳送和熱(re)(re)冷卻等多項(xiang)措(cuo)施的(de)(de)全面(mian)綜(zong)合(he)采(cai)用(yong)，才(cai)有(you)熱(re)(re)防(fang)護(hu)問(wen)題的(de)(de)解(jie)決(jue)可(ke)能，才(cai)有(you)飛行器(qi)向高超(chao)音速的(de)(de)沖刺。

二、美國高超音速飛行器型號簡介

X-43

X-43系(xi)列高(gao)超音(yin)速(su)飛機(ji)是美(mei)國航(hang)空(kong)航(hang)天總署秘密研制的無人駕(jia)駛飛機(ji)，看上去很像一(yi)塊漂亮的沖浪板。1996年開始研制。2004年第二次試(shi)飛成功，并突破(po)7倍音速。

美國航天局在加利福尼(ni)亞當地時間11月(yue)16日，成功地進行(xing)了(le)無人駕駛(shi)的高超音速(su)試驗飛機(ji)X-43A飛行試驗。X-43A試驗飛機飛上了太平洋上空，飛行速度為(wei)每小時1萬多公里，此時飛(fei)行馬赫數(shu)為9.6，即飛行(xing)速(su)度為音速(su)的(de)9.6倍(bei)，從而打破(po)了一架同(tong)樣(yang)型(xing)號的X-43A試驗飛機創造的馬赫數為7的紀錄，再次創造(zao)了飛機飛行(xing)最高飛行(xing)速度紀錄。當地時(shi)間昨天下午(wu)，X-43A試驗飛機在(zai)加利(li)福尼亞(ya)州洛杉磯北(bei)部沙漠中愛德華空軍基(ji)地被一架改(gai)型(xing)的B-52飛機(ji)運載到(dao)1.2萬米(mi)的(de)高空(kong)，在這個高度它(ta)脫離母機，啟動自己的(de)沖(chong)壓發動機，加速到(dao)每小(xiao)時1萬多(duo)公里(li)的速度,沖到3.35萬米高空。

美國航(hang)天局的X-43A計劃目標是(shi)制造能到達(da)地球大(da)氣層邊緣的飛機，計劃的研制周(zhou)期為(wei)8年(nian)，研究預算為2.3億美元(yuan)。計劃中的(de)主要研(yan)制目(mu)(mu)標就(jiu)是沖壓(ya)發動機(ji)(ji)(ji)，科學家認為(wei)這(zhe)(zhe)是為(wei)實現研(yan)制出能接(jie)近地球大氣層邊緣的(de)飛機(ji)(ji)(ji)這(zhe)(zhe)一目(mu)(mu)的(de)最安全和便宜的(de)飛機(ji)(ji)(ji)發動機(ji)(ji)(ji)，因(yin)為(wei)這(zhe)(zhe)種發動機(ji)(ji)(ji)能將(jiang)空氣中的(de)氧氣吸(xi)進發動機(ji)(ji)(ji)中，而一般的(de)航空發動機(ji)(ji)(ji)需要自帶氧化劑，從而增加燃料重(zhong)量。

X-51

X-51A是美國空軍研究實驗室（AFRL）與(yu)國防高級研究計(ji)劃(hua)局（DARPA）聯合主(zhu)持(chi)研制的(de)超燃(ran)沖(chong)壓發動機(ji)驗證機(ji)——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)氫燃料超燃沖壓(ya)發(fa)動機推動，設計(ji)飛行馬赫數在6～6.5之間(jian)。這個計劃的(de)終極目標就是要發展一(yi)種(zhong)比美國(guo)原(yuan)武器庫(ku)中任何(he)一(yi)種(zhong)導彈的(de)速度都要快5倍(bei)以上，可以在1小(xiao)時內攻擊地球任意位置目(mu)標的新武器(qi)。

x-51a

X-51A（又名(ming)：“乘波(bo)者”），為美國(guo)軍方最新研發的實驗型高超音速飛行器。美國(guo)X-51A型高超音速(su)飛行器成功完成最后(hou)一次(ci)試(shi)飛。此前(qian)，“乘波者”共進行過(guo)三次(ci)試(shi)飛，均未能(neng)實(shi)現(xian)以6倍(bei)音速飛行300秒(miao)的初始(shi)計(ji)劃。X-51A超燃(ran)沖壓(ya)發(fa)動機(ji)技術(shu)將應用到(dao)其他領域，比如研發(fa)可一小時(shi)內攻擊(ji)全球任(ren)一目標的武(wu)器(qi)。

HTV

除了研(yan)發X-51A外，美(mei)國防部高(gao)級研(yan)究計(ji)劃局（DARPA）還有HTV計劃(hua)，但(dan)是其在2011年(nian)8月的測試中墜毀，工程(cheng)師希望其能達到20馬赫的飛行速(su)度。2011年進行的(de)HTV任務歷(li)時9分鐘，但是飛行(xing)器(qi)只進行(xing)了大約(yue)3分(fen)鐘(zhong)的可控(kong)飛行，它(ta)與X-51A相比，HTV并沒(mei)有配備吸氣式的超燃沖(chong)壓發動(dong)機(ji)。

B-3

美國飛機研制專家正(zheng)精心設計一種能(neng)以(yi)5倍音速飛行的高(gao)超音速隱(yin)形戰(zhan)略轟(hong)炸(zha)機B-3，在2030年左右(you)替代時下的(de)B-2隱形(xing)轟炸機，獨(du)霸新(xin)世紀(ji)的天空。設計(ji)中的B-3隱形戰略轟炸機的(de)作(zuo)戰能(neng)力(li)將不同凡響，主(zhu)要(yao)表(biao)現在(zai)(zai)三個方(fang)面：驚(jing)人的(de)高超音(yin)速(su)遠程飛行(xing)能(neng)力(li)，可在(zai)(zai)1小時之內(nei)轟(hong)炸世(shi)界任(ren)何(he)地點(dian)；力求最佳的隱形效(xiao)果；強大的攻擊能力，其載(zai)彈量將達到或超過B-52的(de)水平(ping)，因此(ci)它將成為轟炸機(ji)中(zhong)的(de)“大哥大”。

SR-91

“曙(shu)光女神”高超音速戰略偵察機

國別：美國

類型(xing)：偵察機

型號：“極光”/“曙光女神

研制單位： 保(bao)密未(wei)公開 造價：研發(fa)費用大約為44億(yi)到(dao)80億美元，購(gou)買24架大(da)約還要100億到(dao)240億(yi)美元(yuan)

現狀： 保密(mi)未公(gong)開

“曙光女神”高超音速偵察機(Aurora)，又名“極(ji)光”，據稱其(qi)正式編號為CP-140或SR-91 ，是美國續SR-71“黑鳥”戰略偵(zhen)察(cha)機(ji)之后新一代戰略偵(zhen)察(cha)機(ji)。盡管美國官方(fang)一再否認該機(ji)的存在，但有(you)越來越多的證據表明(ming)該機(ji)已存在多年，只是美國軍方(fang)的保(bao)密工作(zuo)做(zuo)得(de)極好(hao)，如同當年的B-2。

SR-72

SR-72偵察(cha)機臨界鷹戰略隱(yin)身多(duo)用途飛機（ENGLISH：Lockheed Martin SR-72）是由美國洛(luo)克希德·馬丁公司于2007年提出的新型(xing)戰略隱(yin)身(shen)多用途飛(fei)機概念(nian)，該型(xing)機本身(shen)涵蓋完整的偵察(cha)系統并可攜帶在(zai)超高至臨(lin)界空(kong)域的新型(xing)武器，集(ji)情報收(shou)集(ji)、偵察(cha)、監(jian)控(kong)、打擊等諸多功能為一體。

SR-72高超音速無人偵察機主(zhu)要用于取代上世紀70年代研制的SR-71“黑(hei)鳥”高速(su)高空(kong)偵察機，其最高飛行速(su)度將達到驚(jing)人(ren)的馬赫數6(也就是聲音速(su)度的6倍)，是SR-71高速(su)(su)高空偵(zhen)察(cha)機(ji)最大(da)飛行(xing)(xing)速(su)(su)度的(de)兩倍，是(shi)目前第四代戰斗機(ji)最大(da)飛行(xing)(xing)速(su)(su)度的(de)三倍，甚(shen)至其飛行(xing)(xing)速(su)(su)度比一些常見的(de)導彈還要(yao)快，堪稱人類制(zhi)造(zao)的(de)“最快飛機(ji)”。因為其速(su)(su)度優勢，高超音速(su)(su)飛行(xing)(xing)器對(dui)21世紀防空系統的(de)壓力極大，一(yi)些(xie)著名(ming)的(de)地空導彈，如(ru)美國的(de)“愛(ai)國者”、俄羅斯的(de)S-400和(he)中國的紅旗-9甚至無法追上(shang)這種(zhong)飛機(ji)，從而(er)無法攔截和(he)擊落它[2]。

XS-1

英國《簡氏防務周刊》網站7月(yue)31日(ri)發(fa)表題為《五角大樓用于發(fa)射衛星的無人(ren)機進(jin)入(ru)研發(fa)新(xin)階段》的報(bao)道(dao)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，以繼續研發XS-1試驗型太(tai)空飛機。

該項目旨在研發(fa)一種可重復(fu)使用的無人發(fa)射器，其成本、操作方式和可靠(kao)性(xing)與現代飛機類似，能將(jiang)3000至5000磅（1磅約合0.454千克）的小型載(zai)荷(he)衛星送入低地球軌道(dao)。

可重復使(shi)用(yong)(yong)的第(di)一(yi)級(ji)能夠在亞軌(gui)道(dao)高(gao)度作高(gao)超音速飛行。當達到適(shi)當的速度和(he)高(gao)度后，一(yi)個或多個一(yi)次(ci)(ci)性的其他級(ji)將(jiang)與第(di)一(yi)級(ji)分離，并將(jiang)小型衛星(xing)送入(ru)低地球軌(gui)道(dao)。之后，可重復使(shi)用(yong)(yong)的第(di)一(yi)級(ji)將(jiang)返回地球，為下次(ci)(ci)飛行做準備。

美國國防部高級(ji)研究項目(mu)局在聲明中稱(cheng)，在1B階段，波(bo)音公司(si)負責(ze)研發(fa)XS-1的展示概念(nian)和核心技(ji)術(shu)。加(jia)上1B階段的投(tou)入(ru)，迄今波音公司研發團隊獲得的經(jing)費總(zong)額(e)已經(jing)從(cong)1000萬美元增加到1660萬(wan)美元。其中波音(yin)公司提供(gong)了600萬美(mei)元，其余(yu)部(bu)分由(you)美(mei)國(guo)國(guo)防部(bu)高級研究項目(mu)局(ju)提(ti)供。預計1B階段的工作將于2016年8月之前完(wan)成。

高級研究項目(mu)局計劃明年舉(ju)行第(di)二階段競賽，以決定哪支(zhi)團隊獲得制(zhi)造XS-1的合同并進(jin)行(xing)(xing)展示飛行(xing)(xing)。

X-37B

X-37B空天戰斗機(ji)是由美國波音(yin)公司研制的無人且(qie)可重復使用的太(tai)空飛機(ji)，由火箭發射進(jin)入太(tai)空，是第一架既能(neng)在地球衛星(xing)軌道(dao)上飛行、又能(neng)進(jin)入大氣層的航空器(qi)，同時結束任務后(hou)還能(neng)自動返回地面，被認(ren)為是未來太(tai)空戰斗機(ji)的雛(chu)形。其最(zui)高(gao)速度能(neng)達到音(yin)速的25倍(bei)以上(shang)，常規(gui)軍用雷達(da)技術無法捕捉(zhuo)。