阻碍高超声速飞行的“四座大山”

总结。同时，气动加热烧蚀过程也是高度随机的一个复杂耦合过程。受到高空大气环境、弹道设计、控制方案、扰动等诸多因素的影响，也很少能够通过理论分析和数值模拟来完全解决气动热计算问题。因此需要一系列复杂的地面设备以验证防热设计的合理性。材料层面的试验一般采用石英灯模拟热流加热等手段进行基础试验，随后采用电弧加热器、高频等离子体风洞等进行较大结构的烧蚀试验。但最终仍会选择较大的设计余量，确保防热设计是一个“偏保守”的设计，才能应对各种复杂的随机状态，确保热防护不出问题。2011年8月美国HTV-2的失败就是因为热防护结构在高速飞行中烧蚀破坏，导致飞行器外壳损坏，快速形成的损伤区在飞行器周围产生了的强大冲击波，导致飞行器的解体。

结构一动力一体化高超声速推进技术是挡在探索临近空间高超声速飞行征途上的第三道难关。目前能够满足在10马赫速度下正常使用的推进系统不外乎火箭发动机和冲压发动机两类。传统的火箭发动机由于不需要外界氧化剂而自然具备高空高速工作的能力，但其推进剂重量的60%以上均为氧化剂（最常见的丁羟四组元固体推进剂HTPB中，氧化剂高氯酸铵占总重量的68%），导致其发动机比冲较低，很难超过600秒。而冲压发动机由于可以从大气层中吸取氧气作为氧化剂吸取氮气作为工质，大大提高了携带推进剂的效率，使其最大比冲可以达到约4000秒，提高超过6倍。按照目前的技术水平，使用冲压发动机的飞行器其有效载荷质量系数（即飞行器运载的有效载荷与发射时的初始质量之比，用于衡量飞行器的质量效率）比使用火箭发动机的飞行器高约一个数量级。由于比冲较低，依靠传统的火箭发动机难以提供远距离滑翔飞行所需的持续动力，必须突破冲压发动机的技术难关才能满足长航程的动力需求。

在诱人的比冲背后，是冲压发动机的研制的巨大困难。冲压发动机根据燃烧室内流动速度是否超过音速，可以分为亚燃冲压发动机和超燃冲压发动机两类。亚燃冲压发动机适用于飞行速度低于6马赫的状态，而超燃冲压发动机适用于飞行速度6～15马赫，是高超声速吸气式发动机的首选方案。但是，冲压发动机在地面无法启动，必须依靠推进器送至一定高度和一定速度才能启动，因此其进行试验非常困难。同时，高超声速条件下，一体化前体一进气道/燃烧室/后体一尾喷口气动效率设计、发动机燃烧室内部的燃烧稳定性设计、发动机防热设计等都是难以攻克的难题。我国著名冲压发动机专家刘兴洲院士曾在1998年倡议召开了全国范围的冲压发动机技术研讨会，会上形成了一份专家建议书，详细阐述了研制高超声速发动机及高超声速飞行器的战略意义。这份建议书受到有关领导的高度重视，并组织多方面专家对这份建议书进行了技术论证，从此高性能发动机的研制进入了实质阶段。国内在中国空气动力研究中心配套兴建了试验段直径600毫米的高温高超音速风洞、脉冲燃烧风洞以及试验段直径2400毫米的大型脉冲燃烧风洞，用于超燃冲压发动机冷、热态推阻特性试验研究、带动力一体化飞行器冷、热态推阻特性试验研究、前体/进气道相关试验研究、超燃发动机前体/进气道边界层转捩试验研究、超燃冲压发动机及带动力一体化飞行器其它相关的试验研究。中科院力学所高温气体动力学国家重点实验室也兴建了国际领先水平的JF12风洞，该项目于2008年1月启动，是财政部和中科院共同支持的8个重大科研装备研制项目之一。2012年5月，JF12风洞进行验收。专家委员会一致认为，该项目面向国家重大科技项目和学科基础研究需求，利用中科院力学所独创的反向爆轰驱动方法及一系列激波风洞创新技术，研制成功了国际首座可复现25～40千米高空、马赫数5～9飞行条件、喷管出口直径2.5米/1.5米、试验气体为洁净空气、试验时间超过100毫秒的超大型高超声速激波风洞，整体性能处于国际领先水平。该风洞具有高超声速飞行器试验的地面复现能力，为我国重大工程项目的关键技术突破和高温气体动力学基础研究提供了不可替代的试验手段。

美军通过HyperX计划、X-51项目等持续进行着超燃冲压发动机的研究，并于2010年5月，进行X-51A首次高超声速飞行，飞行速度达到5马赫，超燃冲压发动机运行约200秒，远远超过2004年11月X-43A高超声速飞行器运行时间12秒的纪录，标志着实用化的超燃冲压发动机首次完成高超声速飞行。

临近空间高超声速飞行控制技术也是有待突破的重大技术难题。如美国HTV-2A飞行器最初计划1363秒内进行全程5889千米距离的飞行，平均速度4.32千米/秒，末端速度在4马赫左右。高超声速下要求更快的反应控制，更困难的是人类对高超声速下的空气动力学知之甚少，地面风洞无法有效模拟20马赫高超声速的环境，因此其气动控制技术极具挑战性。

管窥中国“HTV2”进展

从日前各大媒体公开的中国进行临近空间高超声速飞行器飞行试验的细节来看，此次试验最大速度小于“HTV2”的20马赫，滑翔飞行距离也小于“HTV2”的5889千米，因此技术难度略低于“HTV2”的水平。但是最重要的亮点在于——我们的飞行试验完整结束，拿到了全部数据，实现了预定试验目的，而美国“HTV2”的两次试验均失败了。从探索临近空间高超声速飞行器发展道路的角度来看，可以说我们稳扎稳打，在世界上首次实现了全程成功飞行，具备了国际先进水平。

但是，目前飞行成功的国产临近空间高超声速飞行器并没有动力系统，与美国下一阶段的HTV3飞行器还有较大差距，未来还需要探索通过加入超燃冲压发动机系统以进行更高速度、更远距离的临近空间高超声速飞行。

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