高超声速飞行总体概念是什么（高超声速飞行总体概念图）

编者按：本文是高超声速飞行推进系统的专题文章。它给出了高超声速飞行的总体概念，并确定了适合实现高超声速飞行的两种主要类型的飞行器：——高超声速滑翔飞行器（HGV）和高超声速巡航导弹（HCM），确定其飞行可以使用火箭发动机或高超声速喷气发动机。此外，启动高超音速冲压空气喷气发动机需要较高的初速度，这可以通过使用火箭助推器作为第一级来实现。

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对更高速度的追求一直是飞机和火箭推进系统发展的驱动力。对至少5 马赫的大气层内飞行速度的需求日益增长，导致了所谓的高超音速飞行新创新解决方案的出现。

早期尝试达到5 马赫

西方高超音速专家主要以NASA的X-15试验机为例，该机配备火箭发动机，早在20世纪60年代就能够实现高超音速飞行。但正是由于其实验性质，它并不代表高超音速飞行的有前途的长期解决方案。据称，迄今为止还没有军用飞机或无人机进行过高超音速飞行。

B-52 轰炸机机翼下的NASAX-15 测试机

1986年，美国开始实施一项雄心勃勃的计划，研制能够进入地球轨道的单级航天器（SSTO——单级航天器入轨）——国家航天飞机（NASP）。作为一项先进技术示范项目，罗克韦尔公司的X-30 计划由燃烧液氢的内部高超音速冲压发动机提供动力。

苏联当时的答案是图波列夫设计局的Tu-2000。据推测，Tu-2000配备了稍微不那么复杂的推进系统，由四台涡轮喷气发动机、一台冲压喷气发动机和两台液体火箭发动机组成。这些程序都没有产生原型。 NASP 和Tu-2000 项目均于1993 年终止。

来自美国空军研究实验室的图像显示了典型高超音速冲压喷气发动机的布局以及在超音速气流中维持燃烧的难度

导弹高超音速飞行

因此，目前只有导弹/火箭能够实现高超音速飞行。这种能力水平并不新鲜——希特勒德国制造的A-4（V-2，也称为FAU-2）弹道导弹在大约80 年前就达到了接近5 马赫的速度。对于俄罗斯声称在2022年3月、4月和5月使用高超音速武器攻击乌克兰多个目标，西方消息人士指出，“使用的是Kh-47M2‘匕首’短程空射弹道导弹。它是9K720“伊斯坎德尔”陆基导弹（北约代号SS-26“石头”）的改进型。”他们坚信，“匕首”导弹的推进系统和有效载荷与陆基导弹相同武器。

大多数弹道导弹可以达到高超音速并具有可预测的弹道。新一代高超音速武器将高速与飞行中后期的机动性结合在一起。这使得它们能够飞得足够低，不遵循可预测的轨迹，并且能够高速飞行以避免导弹防御系统的拦截。

高超音速飞行器

高超音速导弹有两种基本形式。一种更简单的方法是在单级或多级火箭助推器上安装一个或多个非制导高超音速滑翔飞行器（Hypersonic Glide Vehicles，HGV）。第二类更复杂的武器是配备航空喷气动力的高超音速巡航导弹（HCM）。

顾名思义，高超音速滑翔机的所有能量都来自火箭发动机产生的初始脉冲。一旦初始脉冲结束，HGV 将开始下降（滑翔）阶段。通常，这种飞机从运载火箭上弹射的高度约为50公里至100多公里。确定飞行路径的准确高度、速度和角度后，HGV 可以滑翔穿过高层大气，直至到达目标。

HGV 的空气动力学形状旨在在稀薄的大气中产生升力，如果车辆进行机动，升力等于或略大于其重量。当遇到正面阻力时，能量将开始耗散，导致速度逐渐损失并以缓慢降低的高度飞行，以便增加的空气密度可以维持所需的升力。

如果需要极远的航程，可以在HGV上安装小型火箭发动机或其他推进装置。这将最大限度地减少由于迎面阻力造成的速度损失，并确保更大程度的姿态控制或方向控制。不可避免地，这些互补能力、增加的质量和飞机结构之间需要进行权衡。

据西方消息人士称，“俄罗斯的先锋滑翔体展示了此类系统进入高超音速飞行的最简单方法。” —— 在现有弹道导弹上安装一个或多个滑翔体作为有效载荷。据报道，“先锋”最初被命名为“Yu-71”和“Yu-74”，并于2015年或2016年开始飞行测试。在这些早期测试中，滑翔体安装在UR-100UTTKh洲际弹道导弹上（ SS-19Mod 3“Stiletto”）从奥伦堡州的一个基地发射。 2016年10月，一枚R-36M2重型洲际弹道导弹（SS-18Mod 5“撒旦”）从同一平台发射，消息人士称这是首次完全成功的测试。

配备“先锋”滑翔体的“萨尔马特”导弹系统

“先锋号”长5.4米，重约2000公斤。它可以携带核弹头或常规弹头。它用作UR-100UTTKh、R-36M2 和新型RS-28 Sarmat 洲际弹道导弹的独立多导弹头(MIRV) 有效载荷。据西方专家介绍，“先锋”号虽然没有独立的推进系统，但能够进行突然的水平和垂直规避机动。其接近目标时的速度约为20-27马赫。

使用现有弹道导弹作为重型车辆有效载荷的助推器可能是最简单的工程解决方案，允许在必要时对导弹进行修改以适应新的角色。朝鲜于2021年9月测试了高超音速有效载荷，其外观与中国产品相似。据信它是使用朝鲜火星12中程弹道导弹的缩短版发射的。

如上所述，高超音速武器主要有两种形式：高超音速滑翔飞行器（HGV）和配备喷气发动机的高超音速巡航导弹（HCM）。

按需推力中断

对于重型车辆来说，最好的解决方案可能是为其安装专门设计的发动机。 2021年中，在美国国防高级研究计划局（DARPA）“战斗火力”（OpFires）计划框架内，美国Aerojet Rocketdyne公司研发的第二级节流固体推进剂发动机成功完成全尺寸静态试飞。测试，展示通过按需终止提供推力的技术。

根据与洛克希德马丁公司导弹和火控系统公司签订的合同变更条款，战斗火力计划已进入第3b 阶段。在该项目框架内，计划开发并进行陆基中程高超音速导弹的飞行试验。专家介绍，为了让高超音速滑翔武器从适合快速部署和转移的移动地面发射平台发射后能够投送不同距离，需要具备推力中断功能。

使用TERRIER 和ORIOLE 固体火箭发动机的多级配置用于发射HIFiRE2（高超音速国际飞行研究实验-2）产品，并使它们达到启动高超音速冲压喷气发动机所需的速度

洛克希德马丁公司和诺斯罗普格鲁曼公司于2021年5月27日成功地为美国海军和陆军的常规快速打击（CPS）和远程高超音速武器（LRHW）项目进行了第一级固体燃料火箭发动机的地面测试。 CPS和LRHW预计将共享一款适合从水面舰艇、潜艇和陆基移动发射器发射的导弹。

美国空军还一直在研究洛克希德马丁公司提出的两种空射高超音速导弹概念：空射快速反应武器（AARW）和高超音速常规打击武器（HCSW）。

AGM-183是在AARW计划框架内开发的，于2020年初被优先考虑。AGM-183比HCSW小，可以安装在F-15鹰战斗机的中心线挂架上。据报道，用于保护高超音速滑翔机有效载荷的外壳将在导弹燃尽燃料并达到约5马赫的速度后被抛弃。

据了解，AGM-183 的早期飞行测试失败了：火箭要么未能与其发射平台（一架B-52H Stratofortress 轰炸机）分离，要么分离但未能启动助推器。 2022年5月14日进行的测试成功：火箭与B-52H分离，助推器启动，速度超过5马赫。

有效载荷保护装置被扔掉后的AGM-183

冲压空气喷气发动机

自喷气时代开始以来，人们一直在寻找能够实现更高速度的空气推进系统。加力涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机满足2马赫及以上超音速飞行的需要。然而，当速度接近或超过3 马赫时，这项技术几乎无法应对。

当速度达到3 马赫或更高时，冲压空气喷气发动机是一种高效的推进系统。其结构比较简单，依靠发动机向前运动产生推力。进气口设计用于在进入燃烧室之前将超音速气流压缩并减速至亚音速。随着冲突喷气发动机飞行所需的速度增加，入口处的空气温度也会增加。

这减少了入口和出口之间的温差，从而减少了可以以推力形式提取的能量。因此，大多数配备冲压发动机的飞机的飞行速度不会超过4.5 马赫。

美国宇航局高超音速飞机

高超音速喷气发动机

为了实现更高的飞行速度，进入的空气必须减速并压缩到比冲压空气喷射低得多的程度。这将使温度上升保持在最低限度。因此，燃烧室的设计必须能够承受超音速气流。由此产生的推进系统被归类为超燃冲压发动机。该术语通常被称为“超音速冲压发动机”。

在实现高超音速推力方面，高超音速冲压喷气发动机比火箭发动机更高效。它们可以依靠燃料连续飞行，但需要加速到高速才能工作。最简单的方法是使用火箭助推器作为第一级。由于助推器的任务仅限于升空后的初始飞行阶段，因此助推器将小于HGV 所需的尺寸。因此，为了达到相同的射程，配备高超音速冲压空气喷气发动机的武器将比配备滑翔机的解决方案更小、更轻。

高超音速巡航导弹

所需的初始加速度并不要求飞机加速到计划的巡航速度，而只需要达到足以使高超音速冲压空气喷气发动机运行的最小速度。激活后，高超音速冲压空气喷射器将导弹加速到其计划的巡航速度，然后保持该速度飞向目标。高超音速巡航导弹（HCM）的飞行高度可能在20至30公里之间，这部分取决于推进系统需要保持足够的推进剂燃烧压力。

2004年3月，NASA的X-43A无人机以7马赫的速度飞行，由氢喷气发动机提供动力，创造了新的飞行速度记录。在同年11 月的第二次飞行中，另一架同样采用氢动力的X-43A 在约33,528 米（110,000 英尺）的高度达到了9.64 马赫（10,240 公里/小时）的速度。

在2004 年3 月的一次试飞中，使用Pegasus 固体火箭助推器对配备高超音速冲压空气喷气发动机的X-43A 进行加速

在设计高超音速巡航导弹推进系统时，碳氢燃料比氢更具吸引力。碳氢燃料加工难度不高、成本低廉、能量体积密度高。然而，发动机设计者面临的挑战是，由于通过高超音速冲压空气喷气发动机的气流速度非常高，很难满足碳氢燃料汽化、混合和燃烧所需的时间。

X-51 Waverider 由波音公司开发，设计用于从B-52 飞机在大约15,240 米（50,000 英尺）的高度空中发射。采用与洛克希德马丁公司的MGM-140（ATACMS）陆军战术导弹系统中的固体燃料火箭发动机类似的固体燃料火箭发动机，可将导弹的速度提高到接近4.5马赫，从而使普惠公司的Rocketdyne SJY61碳氢燃料高超音速飞机能够通过冲压空气喷气发动机发射。前三次飞行均不成功，但2013年5月1日，最后一枚巡航导弹使用激活的高超音速冲压发动机飞行了210秒，达到了5.1马赫（5,400公里/小时）的速度。

B-52 同温层堡垒轰炸机机翼下的X-51 Waverider

据报道，在HAWC空射高超音速巡航导弹计划框架内，DARPA和美国空军于2021年9月成功试飞了雷神技术公司的一枚技术演示机。该导弹在空中发射后，使用了固体燃料助推器随后成功启动了其碳氢燃料高超音速冲压空气喷气发动机，并展示了5马赫的飞行速度。洛克希德马丁公司开发的该机的第二种配置于2022年初成功完成测试。它采用Aerojet Rocketdyne巡航发动机，可以高速飞行速度超过5 马赫，飞行高度超过19,812 米（65,000 英尺），飞行距离超过500 公里。

美国空军于2021 年底公布了一项耗资3.71 亿美元的计划项目大纲，用于开发和演示机载高超音速系统。该项目名为Mayhem，旨在为新发动机概念开发一次性测试台，例如能够以亚音速、超音速和高超音速运行的涡轮联合推进系统和双模喷气发动机。

俄罗斯高超音速飞行技术

据西方消息来源称，俄罗斯3M22“锆石”（SS-N-33）是一种配备高超音速冲压空气喷气发动机的巡航导弹。固体燃料助推器将其加速至超音速，然后喷气发动机（据称使用碳氢燃料）将高超音速巡航导弹加速至9 马赫的巡航速度。最初的模型供俄罗斯海军使用。该产品已在戈尔什科夫海军上将号护卫舰、北德文斯克核潜艇和陆基岸防系统上进行了测试。 “锆石”用于攻击1000公里范围内的海上或陆地目标。

公开资料显示，俄罗斯“奥斯特罗塔”（“夏普”）空射高超音速巡航导弹计划于2022年进行首次飞行试验，将用于装备Su-34和Tu-22M3轰炸机。该导弹由以别列兹尼亚克命名的“彩虹”国家机械制造设计局公司研制，采用图拉耶沃“联盟”机械制造设计局设计的“产品7”新型推进系统。国外已经注意到俄罗斯媒体对导弹及其推进系统细节的报道。 “奥斯特罗塔”预计质量不到1000公斤，射程可达数百公里。

3M22“锆石”高超音速导弹

媒体还提到了一款远程空射高超音速导弹，代号“精灵”。该导弹的推进系统由图拉热沃“联盟”机械制造设计局研制，发动机代号为“产品70”。

在高超音速飞行领域，俄罗斯与法国的合作备受关注。 MBDA集团与法国航空航天研究中心（ONERA）合作，继续按计划开发法国现有的ASMP空射核导弹。据称，未来的发展可能会采取能够以高超音速飞行的武器的形式。在这个名为“LEA”的项目框架内，正在开发一种实验性高超音速验证机，并计划于2014 年至2015 年在俄罗斯的协助下进行飞行测试。 LEA验证机将从Tu-22M3轰炸机上发射，然后使用改进的Kh-22 Rainbow空射反舰导弹液体燃料推进系统加速到与高超音速冲压空气喷气发动机相匹配的速度。后来的计划要求LEA 在美国东海岸进行飞行测试，但这尚未发生。

印度的努力

为了将高超音速技术演示器（HSTDV）加速到支持高超音速冲压空气喷气发动机运行的速度，印度国防研究与发展实验室使用AGNI-I中程弹道导弹的火箭发动机作为助推装置。在2019年6月12日的试飞中，巡航导弹在高超音速冲压空气喷气发动机的帮助下以6马赫的速度飞行。 2020年9月7日的发射中，采用高超音速冲压空气喷气发动机，以近2公里/秒的速度飞行20秒。

在海平面，5马赫的速度相当于每小时约5600-6000公里，在高海拔地区逐渐降低约5-6%。常规亚音速巡航导弹的飞行速度约为0.6-0.7马赫，因此从发射到与约1200公里外的目标相撞的总飞行时间约为1小时。以5 马赫飞行的高超音速洲际弹道导弹可以在大约10 分钟内完成这一距离。但无论高超声速威胁是基于高超声速滑翔机还是高超声速巡航导弹技术，高速、高空、机动性和最短预警时间的结合都会给最先进的防空武器带来压力。

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