一、高超音速飛行器表面溫度分布

該圖片由注冊用戶"知識君"提供，版權聲明反饋

當飛行器以高超音速在大氣中飛行時，氣動(dong)加熱嚴(yan)重(zhong)。當飛行速度達(da)到8馬(ma)赫時，飛行器的頭錐部(bu)位(wei)溫度(du)可達(da)1800℃，其它(ta)部位的溫度(du)也將在600℃以(yi)上(shang)。因此(ci)設計合(he)(he)適的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)載(zai)荷管(guan)理系統(tong)成(cheng)為(wei)必(bi)須。此(ci)前的(de)(de)(de)(de)太空(kong)(kong)“穿梭”航(hang)(hang)天器(qi)，航(hang)(hang)天飛(fei)機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)效(xiao)應主要是(shi)集中在升空(kong)(kong)和(he)(he)再入(ru)階段(duan)，時(shi)間(jian)相對(dui)有(you)限，在熱(re)(re)防(fang)護上(shang)是(shi)以(yi)隔離(li)為(wei)主，機(ji)(ji)體材(cai)(cai)料(liao)(liao)可選余地(di)較大(da)。但高(gao)超(chao)音速飛(fei)行(xing)器(qi)在大(da)氣層內(nei)長(chang)時(shi)間(jian)飛(fei)行(xing)，摩擦熱(re)(re)集中在機(ji)(ji)體的(de)(de)(de)(de)前端和(he)(he)翼面前緣，氣動(dong)加熱(re)(re)持續時(shi)間(jian)遠比航(hang)(hang)天器(qi)要長(chang)，若沒有(you)有(you)效(xiao)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度控制手(shou)段(duan)將(jiang)無法保證結構(gou)安全，也(ye)無法保證機(ji)(ji)體內(nei)部設備的(de)(de)(de)(de)工作環境。對(dui)于熱(re)(re)防(fang)護首先(xian)就(jiu)是(shi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)(de)(de)(de)選擇，選用長(chang)壽命、耐高(gao)溫(wen)、抗腐(fu)蝕、高(gao)強度、低(di)密(mi)度的(de)(de)(de)(de)輕質(zhi)材(cai)(cai)料(liao)(liao)。目前研(yan)制的(de)(de)(de)(de)和(he)(he)可能采用的(de)(de)(de)(de)新材(cai)(cai)料(liao)(liao)主要有(you)輕金屬材(cai)(cai)料(liao)(liao)、金屬基復合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)、聚合(he)(he)物基復合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)、陶瓷基復合(he)(he)材(cai)(cai)料(liao)(liao)、碳-碳復合材料等。

只(zhi)不過高(gao)超音(yin)速(su)(su)飛(fei)行器，與空氣(qi)的(de)(de)摩擦熱量實在(zai)(zai)是(shi)太大(da)，對飛(fei)行器的(de)(de)材(cai)(cai)(cai)料與結構的(de)(de)選擇實在(zai)(zai)是(shi)巨大(da)難題。機體(ti)材(cai)(cai)(cai)料很可能(neng)(neng)因溫度(du)的(de)(de)飆升發生著膨(peng)脹(zhang)形變，加(jia)之機體(ti)內不同材(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)膨(peng)脹(zhang)系數不同，形變程度(du)又有著差別。這(zhe)細微的(de)(de)形變隨之可能(neng)(neng)引(yin)發高(gao)速(su)(su)飛(fei)行的(de)(de)飛(fei)行器的(de)(de)氣(qi)動(dong)控制的(de)(de)改變、機體(ti)的(de)(de)振動(dong)乃至(zhi)解(jie)體(ti)。目前在(zai)(zai)美(mei)(mei)國多數高(gao)超音(yin)速(su)(su)飛(fei)行器的(de)(de)頭部多采用鎢基材(cai)(cai)(cai)料，但(dan)這(zhe)種較高(gao)價值的(de)(de)金(jin)屬材(cai)(cai)(cai)料，隨之引(yin)發的(de)(de)就是(shi)成本的(de)(de)居(ju)高(gao)不下，對于未來的(de)(de)武(wu)器化、大(da)范(fan)圍的(de)(de)裝備又會是(shi)不小的(de)(de)障(zhang)礙。對于層(ceng)出不窮的(de)(de)復合材(cai)(cai)(cai)料，在(zai)(zai)新材(cai)(cai)(cai)料的(de)(de)設計與加(jia)工都還有這(zhe)加(jia)工難度(du)的(de)(de)問(wen)題，就像在(zai)(zai)美(mei)(mei)國“獵鷹”的試(shi)驗計劃中多次推遲的原(yuan)因(yin)就有碳基殼體材(cai)料出現了剝離(li)問(wen)題，研制人員不得不改(gai)進工藝來使材(cai)料更易(yi)制造和(he)性能(neng)穩定。

在(zai)基礎材(cai)料之外(wai)，高(gao)超音速飛行器還必(bi)須(xu)在(zai)飛行器的總體設計(ji)和結構(gou)設計(ji)中考(kao)慮熱防(fang)護因素(su)，采(cai)用主動降溫技術措(cuo)施(shi)。比如，在(zai)X-51A上(shang)，不僅有著結(jie)構(gou)熱防(fang)護措施，又將燃(ran)料作為結(jie)構(gou)散(san)熱的(de)載體，在(zai)(zai)熱交換器(qi)內流動(dong)后(hou)(hou)帶走發動(dong)機的(de)熱量承(cheng)擔發動(dong)機散(san)熱的(de)作用(yong)。在(zai)(zai)高(gao)溫(wen)段吸熱后(hou)(hou)的(de)燃(ran)料裂解(jie)成低分子產物，循環到超燃(ran)沖(chong)壓發動(dong)機動(dong)力系統后(hou)(hou)更(geng)適合工(gong)作要求。消(xiao)耗(hao)，利(li)用(yong)燃(ran)料循環系統作為外殼持續降溫(wen)的(de)手段。正(zheng)是隔熱層、耐熱結(jie)構(gou)材料，降低熱流，減少熱應(ying)力、熱傳送和熱冷卻等(deng)多項措施的(de)全面(mian)綜合采用(yong)，才(cai)有熱防(fang)護問題(ti)的(de)解(jie)決可能，才(cai)有飛行器(qi)向高(gao)超音速(su)的(de)沖(chong)刺。

二、美國高超音速飛行器型號簡介

X-43

X-43系列高超音速飛機是美國航(hang)空(kong)航(hang)天總署秘密研制的(de)無(wu)人駕駛飛機，看(kan)上去很像一塊(kuai)漂亮的(de)沖浪(lang)板(ban)。1996年開始研制。2004年(nian)第二(er)次(ci)試(shi)飛成功，并突(tu)破7倍音速。

美國航天局在加利福尼亞當(dang)地時間11月16日，成功地進行了無人駕(jia)駛的高超音速試驗飛機(ji)X-43A飛(fei)行試驗。X-43A試(shi)驗飛(fei)(fei)機飛(fei)(fei)上(shang)了太平洋(yang)上(shang)空，飛(fei)(fei)行速度為每小(xiao)時1萬(wan)多公里(li)，此時飛行馬赫數為9.6，即飛行速(su)(su)度為(wei)音速(su)(su)的9.6倍，從(cong)而打破了一架(jia)同樣型(xing)號的X-43A試驗(yan)飛(fei)機創造的馬赫數為7的紀錄(lu)，再(zai)次創造了飛(fei)機(ji)飛(fei)行最高飛(fei)行速度紀錄(lu)。當地時間昨天下(xia)午(wu)，X-43A試驗飛機在加利福尼亞州(zhou)洛杉磯北部沙(sha)漠(mo)中(zhong)愛德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(gao)空(kong)，在這個高(gao)度它脫離母機，啟動自己的沖壓(ya)發動機，加速到每(mei)小時(shi)1萬多公(gong)里的速度,沖到3.35萬(wan)米(mi)高(gao)空。

美國航(hang)天局(ju)的(de)X-43A計(ji)(ji)劃目標是制造能到(dao)達地球大氣層邊緣(yuan)的飛機(ji)，計(ji)(ji)劃的研制周期為8年(nian)，研究預算(suan)為(wei)2.3億美元(yuan)。計劃中的主要(yao)研制(zhi)目標就是沖壓發(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)，科(ke)學家認為(wei)(wei)這(zhe)是為(wei)(wei)實現研制(zhi)出(chu)能接近地球大(da)氣(qi)層邊緣的飛機(ji)(ji)(ji)(ji)這(zhe)一(yi)目的最安全和便(bian)宜(yi)的飛機(ji)(ji)(ji)(ji)發(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)，因為(wei)(wei)這(zhe)種發(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)能將空氣(qi)中的氧(yang)(yang)氣(qi)吸進發(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)中，而一(yi)般的航(hang)空發(fa)動(dong)機(ji)(ji)(ji)(ji)需要(yao)自帶氧(yang)(yang)化(hua)劑，從而增加燃料重量。

X-51

X-51A是美國空軍研究實驗室（AFRL）與(yu)國(guo)防高(gao)級研(yan)究計(ji)劃局(ju)（DARPA）聯合主持(chi)研(yan)制的超燃(ran)沖壓(ya)發動機驗證機——乘波飛行(xing)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碳氫燃料(liao)超燃沖(chong)壓(ya)發動機推動，設計飛行馬赫數在6～6.5之間(jian)。這個計劃的終極目(mu)標就(jiu)是要發展(zhan)一種比美國(guo)原武器庫中任何一種導彈(dan)的速(su)度都要快5倍以上，可以在1小時內攻擊地球任意位置目標的新武器(qi)。

x-51a

X-51A（又(you)名：“乘波者”），為美國(guo)軍方最新研發的實(shi)驗型高超音(yin)速飛(fei)行器。美國(guo)X-51A型高(gao)超音速飛(fei)行(xing)器成功完成最后一次試(shi)飛(fei)。此(ci)前，“乘(cheng)波者”共進(jin)行(xing)過三次試(shi)飛(fei)，均未能實現以6倍(bei)音速飛(fei)行(xing)300秒的初始計劃。X-51A超燃沖(chong)壓(ya)發動(dong)機技術將應用到其他領域，比如(ru)研發可一(yi)小時內攻擊(ji)全球任(ren)一(yi)目標的武器。

HTV

除了研發X-51A外，美國防部高級研究(jiu)計劃局（DARPA）還(huan)有HTV計(ji)劃，但是(shi)其在2011年8月的測試中墜毀，工(gong)程師希望其能達到(dao)20馬(ma)赫(he)的飛行速度。2011年(nian)進行的HTV任務(wu)歷時9分鐘，但是飛行器只進(jin)行了大(da)約(yue)3分鐘的(de)可控飛行，它與X-51A相比(bi)，HTV并沒有配備吸氣(qi)式(shi)的超(chao)燃沖壓(ya)發動機。

B-3

美國飛(fei)機研制專家正精心設計一種能(neng)以5倍音速飛行的高超(chao)音速隱(yin)形戰略(lve)轟炸機(ji)B-3，在2030年左右替代(dai)時(shi)下(xia)的(de)B-2隱形轟炸機，獨霸新世紀的天空。設計中的B-3隱形戰略轟炸(zha)機的作戰能力(li)將不同凡響，主(zhu)要表現在三個方面：驚人的高(gao)超音速遠程飛行能力(li)，可在1小時(shi)之內轟(hong)炸(zha)世界任(ren)何(he)地(di)點；力(li)求最(zui)佳(jia)的隱形效(xiao)果；強(qiang)大的攻擊能力(li)，其(qi)載(zai)彈量將達(da)到(dao)或超過(guo)B-52的水平，因此(ci)它(ta)將成為(wei)轟炸機中的“大(da)哥大(da)”。

SR-91

“曙(shu)光(guang)女神”高超音(yin)速戰略偵察機

國別：美國

類型：偵察機

型號：“極光”/“曙光(guang)女神(shen)

研制單位： 保密未公開 造價：研發費用大(da)約為44億到80億美元，購買24架(jia)大約還要100億(yi)到(dao)240億美元

現狀(zhuang)： 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(zheng)式編號為(wei)CP-140或SR-91 ，是美國續SR-71“黑鳥”戰(zhan)略偵察機之后新一代戰(zhan)略偵察機。盡(jin)管美國官(guan)方(fang)一再否認該機的存在，但有越來越多的證據表明該機已存在多年，只是(shi)美國軍方(fang)的保密(mi)工作做得極(ji)好，如同當(dang)年的B-2。

SR-72

SR-72偵察(cha)機臨界鷹戰(zhan)略隱身多用途飛機（ENGLISH：Lockheed Martin SR-72）是由美(mei)國洛(luo)克(ke)希(xi)德·馬丁公司于2007年提出的(de)新型戰略(lve)隱身(shen)多(duo)用途(tu)飛機(ji)概(gai)念，該(gai)型機(ji)本身(shen)涵蓋完整的(de)偵察系統并可攜帶在超(chao)高(gao)至臨界(jie)空域(yu)的(de)新型武器，集情報(bao)收集、偵察、監控(kong)、打擊等諸多(duo)功能為一(yi)體。

SR-72高超音速無人(ren)偵察機主要(yao)用于取代上世紀70年(nian)代研制的SR-71“黑鳥”高(gao)(gao)速高(gao)(gao)空(kong)偵察機，其最(zui)高(gao)(gao)飛行速度將達(da)到(dao)驚人(ren)的(de)馬赫數6(也就是(shi)聲音(yin)速度(du)的(de)6倍)，是SR-71高速(su)(su)高空(kong)偵察機(ji)(ji)最大(da)飛行(xing)速(su)(su)度(du)(du)的(de)兩倍，是目前(qian)第四代戰斗機(ji)(ji)最大(da)飛行(xing)速(su)(su)度(du)(du)的(de)三(san)倍，甚(shen)至其飛行(xing)速(su)(su)度(du)(du)比一(yi)些(xie)常見的(de)導彈還要快，堪(kan)稱人(ren)類制(zhi)造的(de)“最快飛機(ji)(ji)”。因(yin)為其速(su)(su)度(du)(du)優勢，高超音速(su)(su)飛行(xing)器對21世紀防空系(xi)統的(de)(de)壓力極(ji)大，一些著名的(de)(de)地空導彈(dan)，如美(mei)國的(de)(de)“愛國者”、俄(e)羅斯(si)的(de)(de)S-400和(he)中(zhong)國的紅旗(qi)-9甚至無法(fa)追(zhui)上這種飛機，從而無法(fa)攔截和擊落它[2]。

XS-1

英(ying)國《簡氏防務周刊》網站7月31日發表題為《五(wu)角(jiao)大樓(lou)用于(yu)發射衛星的無人(ren)機進入(ru)研(yan)發新(xin)階段(duan)》的報(bao)道稱，根(gen)據(ju)7月(yue)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(ji)續研發XS-1試(shi)驗型太空飛機。

該項目旨在研發(fa)一種可重復使用(yong)的無人發(fa)射器，其成本、操作方式(shi)和可靠(kao)性(xing)與現代(dai)飛機(ji)類似，能將3000至(zhi)5000磅（1磅約合0.454千克）的小(xiao)型載荷衛星送入低地(di)球(qiu)軌(gui)道。

可(ke)重復(fu)使用的第(di)一(yi)級能夠在亞軌(gui)道(dao)高(gao)度(du)(du)作(zuo)高(gao)超(chao)音速飛行(xing)。當(dang)達到適當(dang)的速度(du)(du)和高(gao)度(du)(du)后(hou)，一(yi)個(ge)或(huo)多個(ge)一(yi)次性的其他(ta)級將與第(di)一(yi)級分離，并將小型衛星送入低(di)地(di)球軌(gui)道(dao)。之后(hou)，可(ke)重復(fu)使用的第(di)一(yi)級將返回地(di)球，為下(xia)次飛行(xing)做準備。

美國國防部(bu)高(gao)級研究項(xiang)目局在聲明中(zhong)稱，在1B階段，波音公司負責研發(fa)XS-1的展示概念(nian)和核心技術(shu)。加上1B階(jie)段的投入，迄今波(bo)音公司(si)研發(fa)團隊(dui)獲(huo)得的經費總額(e)已經從1000萬(wan)美元增加到1660萬美(mei)元。其中波音公司提(ti)供了(le)600萬(wan)美(mei)元(yuan)，其余部(bu)分由美(mei)國(guo)國(guo)防部(bu)高級研究項(xiang)目局提供。預計(ji)1B階段的工作(zuo)將于(yu)2016年8月之(zhi)前完成。

高級研究(jiu)項目(mu)局(ju)計(ji)劃(hua)明(ming)年舉行第二(er)階段競賽，以決定哪支(zhi)團隊獲得制造XS-1的合同并進行展示飛(fei)行。

X-37B

X-37B空天(tian)戰斗機(ji)是(shi)由(you)美國(guo)波音公司研制的(de)(de)無人且可重復使用的(de)(de)太(tai)空飛機(ji)，由(you)火(huo)箭發射進入太(tai)空，是(shi)第一架既能(neng)在地球衛(wei)星軌道上飛行、又(you)能(neng)進入大(da)氣層的(de)(de)航空器，同時結束任務(wu)后還能(neng)自動返回地面(mian)，被(bei)認為是(shi)未來太(tai)空戰斗機(ji)的(de)(de)雛形。其最高(gao)速度能(neng)達到音速的(de)(de)25倍以上，常(chang)規軍用雷達(da)技術無法捕(bu)捉。