2017年国外高超声速飞行器技术发展综述

战略技术前沿 2018-01-18 15:41:27 本文作者:远望智库本网编辑:塞尼

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2017年,世界主要大国加大高超声速技术发展投入力度,试图抢占高超声速实战化先机。总体上,高超声速打击武器竞争愈发激烈,美俄等国加快高超声速武器化进程,或将在5年左右形成装备;高超声速飞机和空天往返飞行器依托典型项目开展方案论证和技术储备;同时加紧高超声速试验设施能力建设,并稳步推进基础科研,加快技术验证步伐。

加快高超声速武器化进程,或将在5年左右形成装备

美国着手制订首个高超声速武器装备型谱,启动高超声速导弹工程研制

随着中俄在高超声速技术领域的快速进展,美国开始担忧在高超声速武器装备发展上落后于竞争对手。进入2017年,美国空军高层首次将发展高超声速武器装备比喻成一项“曼哈顿工程”,并随后又公开表示将制订首个面向实战化的高超声速武器装备型谱,预示着美国将集中资源加快装备发展进程,以抢占高超声速武器实战化先机。

5月公开的2018财年预算中,美国为高超声速打击武器预研项目共申请4.34亿美元,较上一财年批复额(3.41亿美元)大幅提升。美国空军在2018财年预算中首次编列了“高超声速样机”项目,并随后发布了首个高超声速打击武器型号——“空射型高超声速常规打击武器”(HCSW)项目的招标预告,指出将在2018年初授出HCSW的工程研制合同,标志着美军高超声速导弹相比之前的规划将提前5年左右进入工程研制阶段。

此外,战术级射程的“高速打击武器”(HSSW)演示验证项目和战略级射程的“先进高超声速武器”(AHW)项目按照既定计划持续推进。HSSW项目包括“高超声速吸气式武器方案”(HAWC)和“战术助推滑翔武器”(TBG)两个子项目,去年顺利进入第二阶段后,计划于2018财年完成关键设计评审,为后续2019财年开展飞行验证做准备。AHW项目转由美国海军牵头后,于2016年与国家CPGS团队合作完成海基AHW首个试飞器FE-1的关键设计评审,并在2017年10月成功完成海基AHW的第一次飞行试验,计划在2019财年进行第二次飞行试验(FE-2)。

俄罗斯持续推进高超声速导弹飞行试验,将优先发展高超声速武器装备

2017年,俄罗斯国防部副部长表示高超声速武器是即将发布的《2018~2027国家武器装备计划》的重点发展装备之一,并公开宣称俄罗斯计划在2020~2022年间装备空射型高超声速导弹,当前正在加紧开展研制试验。

继去年连续成功完成战术级的“锆石”吸气式高超声速导弹和战略级的高超声速助推滑翔飞行器YU-71的试飞后,俄罗斯在2017年4月披露“锆石”又成功完成了一次飞行试验。结合俄罗斯早前的计划安排和开源情报,此次飞行试验应是继去年陆基试射后的海基试射,飞行速度达马赫数6左右。俄罗斯方面表示,“锆石”高超声速导弹或将在2020年左右服役,后续还将发展潜射型和空射型。此外,《简氏导弹与火箭》在2017年12月披露,俄罗斯在同步发展射程1500公里的新型吸气式空射型高超声速导弹。据悉,该型导弹的生产和采购已被列入《2018~2027国家武器装备计划》框架。

日本计划启动高速助推滑翔导弹项目

2017年11月,日本防卫省防卫装备厅技术战略部在2018财年防务预算申请文件中提交了一个名为“高速助推滑翔导弹关键技术研究”的项目预算申请,拟在2018财年预算中申请100亿日元(约9000万美元),用于在2018~2024年间开展高速助推滑翔导弹若干关键技术的开发及验证,为后续型号研制做好技术储备。研究内容涉及滑翔飞行器机体设计、气动力与直接力复合的滑翔飞行控制、高性能火箭发动机助推器等关键技术,计划完成原型样机的设计、制造和相关功能及性能验证试验。尽管该项目定位为技术研究与验证,但其发展的是进攻性武器技术,和日本近年来显现出的军事力量扩张战略意图相符。一旦获批,将推动日本在高速打击武器领域迈出重大的一步。

积极推进高超声速飞机的技术储备

美国明确高超声速飞机发展路线

美国进一步明确高超声速飞机的发展路线,空军高层在2017年7月表示将采取“先爬——再走——最后才跑”的渐进式发展方式,与2016年“高速作战系统支撑技术”(ETHOS)调研公告指出的“先机载发射、再水平起降”发展思路相吻合,并透露洛克希德·马丁公司正在研制的基于火箭基组合循环发动机(RBCC)的SR-72将成为高超声速飞机发展的第一步。

在2013~2017年期间开展大量地面试验验证后,洛克希德·马丁公司在2017年6月表示已经具备研制SR-72高超声速飞机验证机的技术条件,最快将在2018年开始研制一型可选有人驾驶的飞行验证机。该验证机将由一台全尺寸支板引射火箭发动机(RBCC的一种典型结构)提供动力。2013年首次披露SR-72时推断的涡轮基组合循环发动机(TBCC)更可能是远期的水平起降方案。验证机大小与F-22战斗机相当,计划21世纪20年代早期开展首飞,晚期开展更大尺寸验证机首飞。

另一方面,美国同步探索基于涡轮基组合循环发动机(TBCC)的水平起降型高超声速飞机方案,并加紧核心技术攻关。DARPA持续推进“先进全速域发动机”(AFRE)项目发展,在2017年9月分别授予轨道ATK公司和洛克达因公司合同。AFRE项目于2016年启动,旨在研究高超声速飞机涡轮基组合发动机(TBCC)推进系统工程化的可行性,计划在2018财年完成大尺寸进气道、全尺寸燃烧室的制造和初始测试,全尺寸尾喷管的制造及其与现货涡轮发动机的初步集成等。

俄罗斯积极准备高超声速六代机研制工作

俄罗斯官员在2017年8月透露,军机承造商正在为高超声速第六代战斗机积极储备科学与技术基础。俄罗斯联合飞机公司在2016年首次披露六代机时,表示六代机将配备高功率微波武器和无线电光子雷达,并已完成概念方案设计。负责六代机雷达研制的俄罗斯无线电电子技术集团在2017年8月披露,其已研制出机载射频光子相控阵雷达发射机和接收机的试验样机,接下来将着手全尺寸模型的研制,确定雷达具体的物理尺寸、工作频段以及输出功率等。

持续开展空天往返飞行器的概念论证和技术探索

美国推进可重复使用火箭的太空飞机项目,加强吸气式组合动力空天飞行器的关键技术储备

面对低成本快速空间进入的能力需求,美国国防高级研究计划局(DARPA)在2017年陆续授出合同,推动相关项目发展。

在基于可重复使用火箭的空间进入方案方面,继去年发布第二、三阶段招标通告后,DARPA于2017年5月发表声明,授予波音公司“试验性太空飞机”(XS-1)项目研制试飞合同。XS-1项目顺利完成转阶段,按计划第二阶段将在2019年前完成技术验证机的设计、试制和测试,为飞行试验做好准备。DARPA在2018财年为XS-1项目申请预算6000万美元,比上一财年的批复额增长50%,为项目稳步推进提供经费保障。

在水平起降式空天飞行器方面,继去年披露两型基于“佩刀”(SABRE)发动机的两级入轨空天飞行器概念方案后,DARPA对“佩刀”发动机的核心部件——预冷却器技术开展验证。2017年9月,DARPA授予英国反应发动机公司(REL)在美国设立的子公司一份合同,要求在美国开展“佩刀”发动机预冷却器样机的高温气流试验,以考核确认预冷却器在马赫数5的高温高速气流条件下的性能。2017年12月,REL宣布已经启动预冷却样机高温气流考核试验设施的建设工作。

加紧高超声速试验能力建设,稳步推进基础科研

美国加大高超声速试验设施投资力度,持续推进高超声速基础研究技术发展

目前美国多项高超声速核心技术的成熟度已达到5+,高超声速技术即将迈入武器化进程。在此背景下,美国紧密围绕研发和装备需求,加大高超声速试验设施建设投资力度,并持续推动基础科研,旨在支撑高超声速武器研制,同时进一步夯实可重复使用高超声速飞行器的理论基础。

在高超声速试验设施建设方面,《美国空军高超声速试验能力提升计划》指出,在2017~2021财年将为高超声速试验能力建设投资3.5亿美元。在该计划的推动下,美国从2017财年开始加大了对高超声速试验设施升级改进和建设的支持力度。据2018财年预算文件显示,2017财年美国国防部在“核心试验与鉴定投资计划”(CTEIP)项目下资助了8项高超声速试验设施建设子项目,2018财年将增至9项,包括马赫数7.5清洁空气试验环境、中压电弧加热装置、用于高超声速武器试验的机载自动跟踪系统等。

在基础科研方面,美国空军科学研究办公室(AFOSR)在2017年2月发布了关于高超声速飞行器边界层转捩(BOLT)实验的招标通告(BAA),将通过开展风洞试验、计算分析和飞行试验,旨在加深对高马赫数下具有后掠前缘的小曲率凹面上边界层转捩物理机理和转捩扰动演化规律的理解,对高超声速飞行器边界层转捩行为进行更为精确的预测;5月,美国国防部授予科罗拉多大学牵头的高校团队一份临近空间探空气球科研项目合同,以支撑未来高超声速飞机的研发。高校团队计划放飞一系列临近空间气球,通过球载仪器来收集气流、温度流动和颗粒物分布等大气环境数据,从而研究24~36千米高空的大气环境。

美澳合作HIFiRE项目持续开展飞行试验

作为美澳在高超声速基础研究领域的重要合作项目,“高超声速国际飞行研究试验”(HIFiRE)项目在2017年7月开展了第八次飞行试验。这次飞行试验编号为HIFiRE 4,试验中采取的乘波体试飞器飞行马赫数达到7以上。试验总体上取得成功,但助推火箭携带的两架试飞器中有一架在分离后很快与地面失去联系。试验主要任务是演示大气层外分离、高度控制和大气层内高超声速助推-滑翔飞行器的控制方案,并收集先进乘波体构型的气动、稳定性和控制等方面的相关数据。

英国新建高超声速发动机试验设施

继2016年9月披露“佩刀”发动机1/4缩比验证机详细发展规划后,英国REL公司在2017年5月宣称正在搭建一座试验设施,将用于“佩刀”发动机1/4缩比验证机的第一次地面验证。试验设施选址为牛津附近的白金汉郡韦斯科特,计划在2020年佩刀发动机核心部件运行前能够对其子系统进行测试。这座试验设施将包括一个多用途推进试验台、组装建筑楼、车间、办公室和控制室。其中,多用途推进试验台用于测试多种发动机配置,而车间和其他支撑设施可使发动机直接在现场更改配置,减少测试阶段之间的停顿时间,从而加速发动机的开发计划。

日本启动高超声速基础研究项目

2017年8月,日本防卫装备厅通过“安全保障技术研究推进制度”批准了包括高超声速技术在内的14项军事基础技术研究项目。其中,高超声速项目是6个大型研究项目之一,将针对高超声速飞行的流体和燃烧特性开展研究。该项目旨在通过风洞试验、飞行试验和计算机数值分析等方法,基于从地面设备上获取的数据研究高超声速的燃烧现象和空气动力加热的估算技术,从而提高高超声速飞行技术水平。项目研究代表机构为日本宇宙航空航天开发机构(JAXA),并分包给2所大学。日本防卫装备厅希望利用民间研发力量推进军用前沿基础技术创新。


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