高速飞机技术发展简史

摘 要：文章简要回顾了世界主要航空强国高速飞机领域的发展历史，将高速飞机的发展历史分为起步阶段、高速发展阶段、技术高原阶段和技术复兴阶段等4个阶段，并对各个阶段的典型飞机进行了分析介绍，最后得出了几点启示以供参考。

关键词：高速飞机；发展阶段；简史；启示

1 概述

更高、更快是飞机设计师永恒的追求。随着SR-72飞机、Manta飞机等高超声速飞机逐步出现，又将人类征服天空的激情推向了更高的高度。“罗马不是一天建成的”，高超声速飞机技术的发展已经走过了60余年的历程，人类一直在追求技术的进步。本文重点简述高速飞机技术发展史，探索技术发展脉络，以期对未来高超声速飞机的发展有所裨益。

2 发展历程

高速飞机技术60余年的发展历程，从型号角度来看有成功也有失败，失败居多，成功的寥寥可数；从技术角度来看，可以说是持续进步，取得了一个又一个的技术突破，大致经历起步、高速发展、高原期3个主要阶段，目前又迎来了新一轮的技术复兴，人类进入高超声速飞机的时代马上来临了。

2.1 起步阶段

由于冷战的需要，上世纪50年代中后期，欧美和苏联等航空强国针对水平起降高速飞机开展了大规模的研究，主要用于战略轰炸和截击，并提出了诸如TBCC发动机、钛合金制造、面积律设计等关键技术。这个阶段主要处于技术探索时期，欧美、前苏联均研制了相关飞机，但由于技术或经费的原因，所有项目最终纷纷下马。

2.1.1 Leduc 0.22

该机是法国1956年M2战斗机竞标的一种原型机[1]，由Breguet公司的René Leduc设计，是由冲压发动机试验机Leduc 0.10、Leduc 0.16和Leduc 0.21发展而来，其动力系统采用串联TBCC概念，在冲压发动机的流动管道内串联布置涡轮发动机。该机于1956年12月首飞（仅使用涡轮动力），1957年5月实现冲压飞行，共试验飞行80次，仅生产了1架原型机。由于法国军方最终选择了采用常规涡轮动力的幻影III，该项目下马。由于机身设计没有考虑面积律分布，该原型机被证明不能实现超音速飞行。主要参数见表1。

2.1.2 Avro 730

1954年英国皇家空军提出的远程超音速战略侦察机项目OR.330，需要能够潜入前苏联领空并且躲避敌防空力量。设计指标为18km高度M2.5巡航，最大M3.0，航程9260km，后续又加入了执行轰炸的能力。Avro飞机公司的Type 730方案作为竞标方案之一，原型机在制造阶段该项目取消，取消原因推测是英国军方認为10年后飞机服役时无法应对前苏联防空导弹技术的发展。Avro 730的研究工作为后来的超音速客机协和号的研制提供了技术储备。Avro 730方案采用大长细比机身鸭式布局，为降低超音速阻力采用埋入式座舱，发动机舱布置在机翼上，单侧4台发动机周向对称布置，采用共用的锥形压缩轴对称进气道。主要参数见表2。

美国空军远程战略轰炸机B-70的原型机，由北美航空公司研制，1964年实现首飞，项目总经费15亿美元。由于地对空导弹和远程洲际弹道导弹的发展，以及较高的研制经费，B-70项目于1961年取消。尽管项目取消，XB-70仍然生产了2架用于1964～1969年的超音速飞行试验，其中一架原型机于1966年失事，试飞得到的数据和结构材料的研究成果用于了B-1轰炸机的发展。

当时美国空军提出的需求是能够从美国本土起飞，可携带核弹实现对前苏联的轰炸打击，要求轰炸机有不需空中加油远程飞行和大载弹量的能力，同时能够以超音速实现突防和逃逸。1955年有6家公司竞标，最终选择波音和北美航空公司的设计方案。初始方案为可抛式带副油箱外翼，携带外翼时采用M0.9亚音速巡航，抛出外翼后实现超音速飞行，最大起飞重量约340t，美国空军评估认为该方案吨位过大且使用复杂。1956年波音和北美航空公司都修改了设计方案，新方案在全任务阶段均以Ma3超音速巡航，都采用大长细比机身和三角翼布局形式，不同之处在于北美航空公司的方案发动机采用机身下并列布置，波音的方案采用翼下吊装发动机布置形式。美国空军在1957年对波音和北美航空公司的方案进行了评估，美国空军的设计要求包括：该型飞机能够以Ma3.0～3.2巡航飞行，飞临目标上空的高度为22km，航程不小于16900km，最大起飞重量不超过222t，并且可以沿用B-52同样的机库、跑道和操作流程。最终北美航空公司赢得了竞标，于1958年开展详细设计工作。

XB-70的设计特点包括：大长细比机身、带有鸭翼的三角翼布局形式，翼尖部分在高速飞行时可向下偏转。6台发动机水平并列布置在机身下方，1个进气道同时为3台发动机供气。机体大面积采用蜂窝夹层结构形式，在机头和机翼前缘采用钛合金材料，同时也采用燃油对机体进行降温。主要参数见表3。

2.1.4 Sukhoi T-4

Sukhoi T-4是60年代前苏联的高速战略轰炸机方案，和美国当时发展的XB-70相似。苏霍伊设计局以3200km/h的设计巡航速度击败了Yakolev和Tupolev设计局，在1964年开始了原型机的制造。原型机于1972年8月首飞，共飞行10次，最大飞行速度仅达到了M1.3。该项目于1974年取消，由于当时苏联空军需求T-4大约250架，而当时的争论是应该需要更切合实际的战斗机而不是这种巨大的飞行目标。T-4轰炸机大部分采用钛合金和不锈钢材料制造，起降时机头可以下偏提供较好的视野。主要参数见表4。

2.2 高速发展阶段

在该发展阶段，处于冷战铁幕笼罩下的美国和俄罗斯在高速飞机领域技术发展迅速，美国发展类SR-71系列飞机，主要用于高空高速侦察和打击；俄罗斯发展了MiG-25系列飞机，主要用于超音速截击、侦察机，都取得了巨大的成功，实现了M3+级高速飞机的实用性技术跨越，尤其在高速气动布局、推进系统、结构材料领域进步巨大。

2.2.1 SR-71系列

（1）A-12

由凯利·约翰逊设计，洛克希德臭鼬工厂为美国中情局制造的高速侦察机。A-12于1962年首飞， 1963年开始服役，是YF-12和SR-71的先驱机型，1968年全面退役，直到90年代中期该项目才公之于众。由于中情局为降低U-2飞机雷达散射面积的彩虹计划失败，于是洛克希德公司在1957年开始发展一型可以对前苏联进行侦察的飞机，设计代号大天使（Archangel）。1960年A-12方案（第12个设计方案）赢得竞标，获得了中情局12架飞机的订单，代号牛车计划（Oxcart）。在1962年A-12配装J-75发动机，可以达到M2.0；1963年换装J-58发动机，达到了M3.2。在整个生产周期内，共生产了18架飞机，包括12架A-12侦察机、1架A-12教练机（串列双座）、3架YF-12A截击机和2架M-21无人侦察机载机。A-12在1967年重点部署在日本冲绳的美军基地，用于对越南和朝鲜的侦察任务，1968年双座SR-71开始服役，同时考虑到受国防装备预算的限制， A-12退役。主要参数见表5。

（2）YF-12

由A-12发展而来的高空高速截击机的原型机，于1963年首飞，共生产了3架。其背景是1959年F-108高速截击机计划取消，而洛克希德在中情局牛车计划下研制成功了A-12，设计师凯利·约翰逊又有意发展A-12的战斗机改型AF-12，于是美国空军在60年代中期订购了3架AF-12，后来称为YF-12A截击机。1965年美国空军准备采购93架生产型的F-12B，但是由于越战开销较大没有获得国防部的审批，而后来由于美国不优先发展国土防空力量，F-12B计划于1968年被取消。尽管如此，YF-12A后来用于NASA的飞行研究。

YF-12A在A-12的基础上为了安装雷达修改了机头形状，并且改为双座，为增加航向稳定性在发动机舱下方加装了腹鳍。A-12的4个侦察设备舱其中的3个改为弹舱，1个用于安装火控系统。在试飞中YF-12A在M3.2约23km高度成功发射了AIM-47A空空导弹。主要参数见表6。

（3）SR-71

SR-71采用串列双座，前座为飞行员，后座为侦察设备操作员。为确保飞行员高空高速安全飞行，设计了增压座舱，并使用像航天员一样的增压服。SR-71的机体结构85%采用钛合金，其余大部分为复合材料，其生产线采用了全新的工艺来实现钛合金的焊接。为解决M3长时间飞行气动加热问题， SR-71的内翼蒙皮大部分采用褶皱式设计，因为飞行产生的气动加热会使光滑的蒙皮弯曲或撕裂，而褶皱的蒙皮可以抵抗气动加热带来的膨胀；机身油箱在地面停机时有缝隙，在起飞时会漏油，SR-71每次執行任务需要先进行短暂的加速飞行，利用机体的热膨胀来封闭油箱，再进行空中加油后执行侦察任务。SR-71采用隐身设计概念，包括从机头开始的大面积曲线脊线和内倾双垂尾，同时在燃油中加入了铯化合物来降低发动机喷流的雷达信号，并且配以吸波材料和深色涂装。SR-71装有电子对抗系统，但其最大的自卫能力还是飞行的高度和速度。SR-71采用的脊线不仅降低了雷达散射面积，而且提供了额外的涡升力来降低起降速度，并且提高了失速迎角，但SR-71的纵向过载限制为3g，是由进气道能力限制的。SR-71的进气道采用轴对称可调混压式进气道，中心锥可以前后伸缩，亚跨音速时位于最前端位置，在高度9km、M>1.6进气道中心锥开始调节，M3.2时收至最后端位置。在高速飞行时如果一侧进气道出现不起动现象，为避免推力不对称产生过大的偏航力矩，通过进气道调节系统也使另一侧的进气道不起动，然后再同时起动两个进气道。

1968年SR-71首次部署在日本冲绳的美军基地，主要完成对越南、老挝等国的侦察任务，执行任务频率越来越高，从开始的一周一次到1972年的几乎一天一次。SR-71黑鸟系列飞机（包括A-12和YF-12）在服役期间共执行任务3000余次，总计执行任务时间超过11000小时，其中超过2700小时是M3以上的高速飞行。在1970年以后，美国空军将注意力和投资集中在新项目B-1、B-2和B-52的升级上，同时由于SR-71的停产、缺少数据链功能（在战术层面上不能及时提供信息）和军方内部对SR-71的一些误解，促使SR-71于1989年退役。而由于中东局势日益紧张，美国国会在1993年又重新对SR-71飞机进行了评估，认为除了卫星的战略侦察之外还需要生存能力强的战术侦察机，而当时无人侦察机还不成熟，于是国会投入7.25亿美元重启3架SR-71飞行执行侦察任务，最主要的更改是加入了数据链功能。然而在1996年，由于无人机的发展，美国空军停止了对SR-71飞行的资金投入，最终SR-71于1998年完全退役。

SR-71系列飞机采用的普惠公司J58发动机是带有压气机旁路系统的单级轴流式涡喷发动机。长度5.44m，直径1.45m，重量2700kg，压气机9级、涡轮2级，海平面最大加力推力150kN。J-58发动机采用高燃点的JP-7煤油燃料，JP-7燃料同时作为热沉用来冷却发动机、液压系统、环控系统和气动加热严重的机体结构。三乙基硼作为催化剂来点燃高燃点的JP-7燃料。三乙基硼采用氮气增压储箱（每台发动机的三乙基硼储箱容积600m3）储存，可以完成至少16次的发动机起动和加力燃烧室的点火。在M3.2飞行时，常规的涡喷发动机由于进气总温的提高会使压气机效率和喘振裕度降低，并且会产生压气机叶片的疲劳问题。为实现高速飞行J58发动机通过6个外部管路将20%进入发动机的流量从第四级压气机直接引到加力燃烧室内部参与燃烧，来提高高速飞行时发动机的整体效率。

2.2.2 MiG-25系列

（1）MiG-25

MiG-25飞机是前苏联Mikoyan-Gurevich设计局研制的超音速截击、侦察机，原型机于1964年首飞，1970年正式服役，可携带大功率雷达和4枚空空导弹，MiG-25的问世间接加速了美国F-15战斗机的发展。MiG-25于1984年停产，共生产了1190架，目前仍有少量MiG-25在俄罗斯和其他一些国家服役。MiG-25是飞行速度第二快的军用飞机，仅次于SR-71。

MiG-25的发展背景是前苏联广阔国土的防空需求，来应对美国的高空侦察机U-2和B-47、B-52、B-58等轰炸机，在1958年提出截击机的需求，要求该型飞机能够达到3000km/h的速度和27km的高度。MiG-25可以实现M3+的飞行，最大M数达到了3.2，但是由于发动机超速和超温会造成永久性的损坏，MiG-25的最大速度限制在M2.83。为解决高速飞行时的气动加热和强度问题，MiG-25机翼和机身采用不锈钢承力结构，由于加工工艺和成本的问题没有大面积采用钛合金，MiG-25由80%镍合金、11%铝合金和9%的钛合金构成。

MiG-25系列主要型号有MiG-25P（单座全天候截击机）、MiG-25PD（截击机改进型，更新了发动机、雷达和导弹）、MiG-25R（单座高空侦察机）、MiG-25RB（侦察机改进型，可携带500kg炸弹）。主要参数（MiG-25P）见表8。

（2）MiG-31

MiG-31是MiG-25的后续发展型号，由单座改为双座，由米高扬设计局研制。1975年首飞，1982年开始服役于俄罗斯和哈萨克斯坦空军，共制造大约400架。2010年启动了米格31的升级计划，称为MiG-31 BM，预计到2020年实现60架以上米格31的升级，俄罗斯预计MiG-31于2028年全面退役。和MiG-25相比，MiG-31加强了机身和机翼的结构强度，更换了更大推力的涡扇发动机，最大M数仍限制在2.83，采用了先进的相控阵雷达和导弹。主要参数见表9。

2.3 技术高原期

Ma3+飞机的成功极大增强了人们对高速技术的信心，对采用水平起降单级入轨并能返回降落的可重复使用空天飞机产生很大的兴趣。美国在上世纪80年代开始了NASP计划（国家空天飞机计划），欧洲也开始了S NGER空天飞机的研制。由于技术过于超前，上述计划全部失败，但是诸如计算流体力学、高速风洞试验、热材料、热管理等高超声速重大关键技术得到了发展，进一步促使美国在90年代后期开始考虑发展高超声速飞机。

2.3.1 X-33

X-33飞机是美国国家空天飞机计划（NASP）的产物[2，3]，NASA选择洛马公司于1996年开始研制（与波音和麦道竞争），作为无人、重复使用的空天飞机技术验证机（单级入轨SSTO，垂直发射重复使用RLV），重点验证热防护系统、液氢燃料复合材料低温储箱、气动（aerospike）发动机、自主飞行控制、升力体气动力特性等。该项目由于飞行的不稳定性和超重等技术问题于2001年取消，当时已经完成了原型机85%的装配工作，而且发射装置已经100%完成。尤其是在1999年的测试中，多瓣复合材料燃料储箱在充填燃料和压力测试中失败直接导致项目取消，NASA已经投入了9.22亿美元，洛马公司投入了3.57亿美元。主要参数见表10。

2.3.2 S NGER

SNGER空天飞机是德国20世纪80～90年代的两级入轨高超音速飞行器概念方案。1987年德國政府资助梅塞施密特公司开展两级入轨的研究，之后在德国的高超音速技术项目下资助至1993年。项目于1994年取消，是由于发展这种飞行器费用高昂，仅能比当时的阿里亚纳5号火箭投送载荷降低10～30%的成本。

第一级飞行器EHTV机长84.5m，翼展41.4m，总重254t，空重156t。采用6发涡轮冲压组合动力和液氢燃料，海平面比冲3600s，高空高速比冲1200s。能够以M4.4巡航飞行，俯冲至M6投放二级载荷，载荷分离高度37km。第二级飞行器Horus机长27.6m，翼展15.6m，总重112t，空重32.6t。采用单发ATCRE液体火箭发动机（液氧/液氢燃料），比冲490s。

2.4 技术复兴阶段

虽然技术高原期经历了较多的项目下马和技术失败，但是为迎来技术的全面复兴奠定了技术基础。航空巨头波音公司和洛马公司分别提出了各自的高超声速飞机方案和发展路线图，揭起了又一轮高速飞机技术研究热潮[4]。

2.4.1 Manta计划

Manta计划由美国空军牵头，美国航空工业的巨头--波音公司承担的临近空间侦察、打击平台研究项目，2007年启动，预计型号于2025首飞，计划分两阶段发展。

Manta布局方案由波音公司提出[5，6]。采用涡轮基双模态冲压发动机，机头三维内转进气小展弦比大后掠翼身融合布局，机长22.9米、翼展13.4米、机高5.4米，起飞总重84吨，载荷2.5吨，翼载273kg/m2。全机总体布置非常紧凑，机身主要布置进排气系统和动力系统，占到全机投影面积的一半以上。采用内外混压不可调内并联进气道、大膨胀比单边膨胀喷管。采用大后掠凸前缘三角翼布局，外漏翼面积非常小，属于典型的高速布局；全机仅四块舵面（两块升降副翼、两块方向舵），气动力控制难度较大。

2.4.2 SR-72飞机

美国国防高级研究计划局（DARPA）和美国空军的支持项目。洛克希德公司表示将研制SR-72飞机，用于替代SR-71飞机，用于高超声速情报、监视和侦察（ISR）和打击，属于猎鹰计划中HTV-3X的后续发展平台[7]，该平台预计在2018年进入验证机开发阶段。采用双发设计的SR-72飞机巡航速度为马赫数6，是SR-71飞机速度的两倍，并针对打击目标进行能力优化。验证机将在2018年开始研制，并在2023年实现首飞，装备型可在2030年交付部队。

SR-72的发展将以有人驾驶的飞行研究机（FRV）为起点，该研究机长约18.3米，动力装置为单台全尺寸推进系统。验证机大小与F-22相当，采用单台发动机，并能以马赫数6飞行数分钟。设想中的实用型飞行器SR-72将是双发无人飞行器，机长超过100英尺（30.5米）。推进系统舱安装在机身靠近内侧的位置，集成有组合推进系统以及涡轮-冲压发动机的进气道。与昔日HTV-3X的设计差异在于采用了仅适用于小尺寸涡轮发动机（战斗机发动机级）的低阻设计。在气动布局方面，前体表现为有考虑在高速下为进气道来流提供压缩，但是并非像X-51A那样的乘波体布局。NASA兰利研究中心表示并不主张采用乘波体布局。洛马公司研究发现如果想要乘波体的优势仅体现在对应的巡航速度状态，因此如果要利用气动优势，那么飞行器的燃料必须主要用于巡航段。但是事实上，高超声速飞行器的设计通常在加速段消耗较多燃料，因此必须让飞行器在加速段具有较高效率。采用大的发动机进气道和气动布局显示SR-72概念基本没有考虑隐身问题。臭鼬工厂工程和先进系统副总裁Al·罗米格表示“速度将是新的‘隐身’能力”。这意味着高超声速飞行器无需过多考虑低可探测问题。虽然表面可以涂有雷达吸收材料，尖锐前缘的热防护要求可能是更为重要的问题。类似HTV-3X，该飞行器可能采用热金属前缘和“热/加热”金属主结构设计以处理较高热流密度载荷。

SR-72在设计时除考虑凌空ISR能力外，还同时考虑了利用导弹的打击能力。从马赫数6飞行的平台发射的武器无需助推器，将显著减少重量。拥有更高速度的SR-72将能探测和打击更加敏捷的目标。即使是马赫数3的SR-71，被侦察目标仍可提前注意到飞机的来袭，但是对于马赫数6的飞机而言，根本没有足够的时间来隐藏移动目标。

3 启示

通过上文对水平起降临近空间高速飞機发展历程的梳理，我们可得到三点启示：

（1）高超声速飞机的新一轮发展正露头角。高超声速飞机的发展已经经过半个多世纪，中间走了很多弯路，也取得了很大的成绩，随着动力、材料、平台等关键技术的日益成熟，现在又迎来了高超声速飞机发展的黄金时期。

（2）高超声速飞机的主要技术路线已经初露端倪。从Manta和SR-72飞机的方案来看，采用基于吸气式动力的组合动力系统的高超声速飞机将是重要的发展方向，平台技术特征和发展路线已经逐步明确，在未来20年内将形成装备，临近空间作战武器初露端倪。

（3）国外技术基础雄厚，技术延续性很强。国外水平起降临近空间高速飞机的发展是在上世纪五、六十年代Ma3+飞机和八十年代X-33空天飞机的技术基础上发展起来的，技术的继承性很强，现在发展Ma7+平台水到渠成，这一点值得我们注意。

参考文献

[1]France National Report，Francois Falempin 16th AIAA/DGLR Spaceplanes & Hypersonic Systems & Technologies Conference Bremen[R]. 19-22 October， 2009.

[2]T. Kokan J.R. Olds V. Hutchinson J.D. Reeves ，Aztec： A TSTO Hypersonic Vehicle Concept Utilizing TBCC and HEDM Propulsion Technologies[C].GA 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference And Exhibit， 11-14 July 2004 Fort Lauderdale， AIAA 2004-3728.

[3]USA Applied Hypersonics， 16th AIAA/DLR/DGLR International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference 19-22 Oct 2009， Thomas A. Jackson， Ph.D. Aerospace Propulsion Division Propulsion Directorate Air Force Research Laboratory[C].

[4]NATIONAL AEROSPACE INITIATIVE ，Committee on the National Aerospace Initiative Air Force Science and Technology Board Division on Engineering and Physical Sciences[R].

[5] Brian Zuchowski.AIR VEHICLE INTEGRATION AND TECHNOLOGY RESEARCH （AVIATR） Delivery Order 0023： Predictive Capability for Hypersonic Structural Response and Life Prediction： Phase II-Detailed Design of Hypersonic Cruise Vehicle Hot-Structure [R]. AFRL-RQ-WP-TR-2012-0280.

[6]George G eorge Tzong， Richard Jacobs， and Salvatore Liguore The Boeing Company. AIR VEHICLE INTEGRATION AND TECHNOLOGY RESEARCH （AVIATR） Task Order 0015： Predictive Capability for Hypersonic Structural Response and Life Prediction： Phase 1-Identification of Knowledge Gaps， Volume 1-Nonproprietary Version[R]. AFRL-RB-WP-TR-2010-3068，V1.

[7]C. R. McClinton， J. L. Hunt， and R. H. Ricketts， Hampton VA P. Reukauf， Edwards， CA and C. L. Peddie， Cleveland， OH，Airbreathing Hypersonic Technology Vision Vehicles and Development Dreams[C]. AIAA 99-4978.

作者简介：侯晓辉（1972，01-），女，汉族，沈阳飞机设计所从事基础预研项目管理工作。

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