高超音速飛行器表面溫度分布 美國高超音速飛行器型號簡介

一、高超音速飛行器表面溫度分布

當飛行器以高超音速在大氣中飛行時，氣動加熱嚴重。當飛行速度達到8馬赫時，飛行器的頭錐部位溫度可達1800℃，其它部位的溫度也將在600℃以上。因此設計合適的熱載荷管理系統成為必須。此前的太空“穿梭”航天器，航天飛機的熱效應主要是集中在升空和再入階段，時間相對有限，在熱防護上是以隔離為主，機體材料可選余地較大。但高超音速飛行器在大氣層內長時間飛行，摩擦熱集中在機體的前端和翼面前緣，氣動加熱持續時間遠比航天器要長，若沒有有效的溫度控制手段將無法保證結構安全，也無法保證機體內部設備的工作環境。對于熱防護首先就是材料的選擇，選用長壽命、耐高溫、抗腐蝕、高強度、低密度的輕質材料。目前研制的和可能采用的新材料主要有輕金屬材料、金屬基復合材料、聚合物基復合材料、陶瓷基復合材料、碳-碳復合材料等。

只不過高超音速飛行器，與空氣的摩擦熱量實在是太大，對飛行器的材料與結構的選擇實在是巨大難題。機體材料很可能因溫度的飆升發生著膨脹形變，加之機體內不同材料的膨脹系數不同，形變程度又有著差別。這細微的形變隨之可能引發高速飛行的飛行器的氣動控制的改變、機體的振動乃至解體。目前在美國多數高超音速飛行器的頭部多采用鎢基材料，但這種較高價值的金屬材料，隨之引發的就是成本的居高不下，對于未來的武器化、大范圍的裝備又會是不小的障礙。對于層出不窮的復合材料，在新材料的設計與加工都還有這加工難度的問題，就像在美國“獵鷹”的試驗計劃中多次推遲的原因就有碳基殼體材料出現了剝離問題，研制人員不得不改進工藝來使材料更易制造和性能穩定。

在基礎材料之外，高超音速飛行器還必須在飛行器的總體設計和結構設計中考慮熱防護因素，采用主動降溫技術措施。比如，在X-51A上，不僅有著結構熱防護措施，又將燃料作為結構散熱的載體，在熱交換器內流動后帶走發動機的熱量承擔發動機散熱的作用。在高溫段吸熱后的燃料裂解成低分子產物，循環到超燃沖壓發動機動力系統后更適合工作要求。消耗，利用燃料循環系統作為外殼持續降溫的手段。正是隔熱層、耐熱結構材料，降低熱流，減少熱應力、熱傳送和熱冷卻等多項措施的全面綜合采用，才有熱防護問題的解決可能，才有飛行器向高超音速的沖刺。

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空航天總署秘密研制的無人駕駛飛機，看上去很像一塊漂亮的沖浪板。1996年開始研制。2004年第二次試飛成功，并突破7倍音速。

美國航天局在加利福尼亞當地時間11月16日，成功地進行了無人駕駛的高超音速試驗飛機X-43A飛行試驗。X-43A試驗飛機飛上了太平洋上空，飛行速度為每小時1萬多公里，此時飛行馬赫數為9.6，即飛行速度為音速的9.6倍，從而打破了一架同樣型號的X-43A試驗飛機創造的馬赫數為7的紀錄，再次創造了飛機飛行最高飛行速度紀錄。當地時間昨天下午，X-43A試驗飛機在加利福尼亞州洛杉磯北部沙漠中愛德華空軍基地被一架改型的B-52飛機運載到1.2萬米的高空，在這個高度它脫離母機，啟動自己的沖壓發動機，加速到每小時1萬多公里的速度,沖到3.35萬米高空。

美國航天局的X-43A計劃目標是制造能到達地球大氣層邊緣的飛機，計劃的研制周期為8年，研究預算為2.3億美元。計劃中的主要研制目標就是沖壓發動機，科學家認為這是為實現研制出能接近地球大氣層邊緣的飛機這一目的最安全和便宜的飛機發動機，因為這種發動機能將空氣中的氧氣吸進發動機中，而一般的航空發動機需要自帶氧化劑，從而增加燃料重量。

X-51

X-51A是美國空軍研究實驗室（AFRL）與國防高級研究計劃局（DARPA）聯合主持研制的超燃沖壓發動機驗證機——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碳氫燃料超燃沖壓發動機推動，設計飛行馬赫數在6～6.5之間。這個計劃的終極目標就是要發展一種比美國原武器庫中任何一種導彈的速度都要快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。

x-51a

X-51A（又名：“乘波者”），為美國軍方最新研發的實驗型高超音速飛行器。美國X-51A型高超音速飛行器成功完成最后一次試飛。此前，“乘波者”共進行過三次試飛，均未能實現以6倍音速飛行300秒的初始計劃。X-51A超燃沖壓發動機技術將應用到其他領域，比如研發可一小時內攻擊全球任一目標的武器。

HTV

除了研發X-51A外，美國防部高級研究計劃局（DARPA）還有HTV計劃，但是其在2011年8月的測試中墜毀，工程師希望其能達到20馬赫的飛行速度。2011年進行的HTV任務歷時9分鐘，但是飛行器只進行了大約3分鐘的可控飛行，它與X-51A相比，HTV并沒有配備吸氣式的超燃沖壓發動機。

B-3

美國飛機研制專家正精心設計一種能以5倍音速飛行的高超音速隱形戰略轟炸機B-3，在2030年左右替代時下的B-2隱形轟炸機，獨霸新世紀的天空。設計中的B-3隱形戰略轟炸機的作戰能力將不同凡響，主要表現在三個方面：驚人的高超音速遠程飛行能力，可在1小時之內轟炸世界任何地點；力求最佳的隱形效果；強大的攻擊能力，其載彈量將達到或超過B-52的水平，因此它將成為轟炸機中的“大哥大”。

SR-91

“曙光女神”高超音速戰略偵察機

國別：美國

類型：偵察機

型號：“極光”/“曙光女神

研制單位： 保密未公開 造價：研發費用大約為44億到80億美元，購買24架大約還要100億到240億美元

現狀： 保密未公開

“曙光女神”高超音速偵察機(Aurora)，又名“極光”，據稱其正式編號為CP-140或SR-91 ，是美國續SR-71“黑鳥”戰略偵察機之后新一代戰略偵察機。盡管美國官方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，只是美國軍方的保密工作做得極好，如同當年的B-2。

SR-72

SR-72偵察機臨界鷹戰略隱身多用途飛機（ENGLISH：Lockheed Martin SR-72）是由美國洛克希德·馬丁公司于2007年提出的新型戰略隱身多用途飛機概念，該型機本身涵蓋完整的偵察系統并可攜帶在超高至臨界空域的新型武器，集情報收集、偵察、監控、打擊等諸多功能為一體。

SR-72高超音速無人偵察機主要用于取代上世紀70年代研制的SR-71“黑鳥”高速高空偵察機，其最高飛行速度將達到驚人的馬赫數6(也就是聲音速度的6倍)，是SR-71高速高空偵察機最大飛行速度的兩倍，是目前第四代戰斗機最大飛行速度的三倍，甚至其飛行速度比一些常見的導彈還要快，堪稱人類制造的“最快飛機”。因為其速度優勢，高超音速飛行器對21世紀防空系統的壓力極大，一些著名的地空導彈，如美國的“愛國者”、俄羅斯的S-400和中國的紅旗-9甚至無法追上這種飛機，從而無法攔截和擊落它[2]。

XS-1

英國《簡氏防務周刊》網站7月31日發表題為《五角大樓用于發射衛星的無人機進入研發新階段》的報道稱，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試驗型太空飛機。

該項目旨在研發一種可重復使用的無人發射器，其成本、操作方式和可靠性與現代飛機類似，能將3000至5000磅（1磅約合0.454千克）的小型載荷衛星送入低地球軌道。

可重復使用的第一級能夠在亞軌道高度作高超音速飛行。當達到適當的速度和高度后，一個或多個一次性的其他級將與第一級分離，并將小型衛星送入低地球軌道。之后，可重復使用的第一級將返回地球，為下次飛行做準備。

美國國防部高級研究項目局在聲明中稱，在1B階段，波音公司負責研發XS-1的展示概念和核心技術。加上1B階段的投入，迄今波音公司研發團隊獲得的經費總額已經從1000萬美元增加到1660萬美元。其中波音公司提供了600萬美元，其余部分由美國國防部高級研究項目局提供。預計1B階段的工作將于2016年8月之前完成。

高級研究項目局計劃明年舉行第二階段競賽，以決定哪支團隊獲得制造XS-1的合同并進行展示飛行。

X-37B

X-37B空天戰斗機是由美國波音公司研制的無人且可重復使用的太空飛機，由火箭發射進入太空，是第一架既能在地球衛星軌道上飛行、又能進入大氣層的航空器，同時結束任務后還能自動返回地面，被認為是未來太空戰斗機的雛形。其最高速度能達到音速的25倍以上，常規軍用雷達技術無法捕捉。