高超音速飛機(jī)（hypersonicaircraft）最小飛行速度大于5倍音速的飛機(jī)。目前正在研制中，尚未實(shí)用。高超音速飛機(jī)實(shí)現(xiàn)高超音速飛行，必須有相應(yīng)的動(dòng)力裝置，解決高強(qiáng)度激波、表面溫度、噪聲和音爆等問題。①解決相應(yīng)動(dòng)力裝置。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)飛行馬赫大于3.5之后，性能會(huì)迅速下降；高超音速飛機(jī)的研究工作和航天飛機(jī)研究存在著緊密的聯(lián)系。1994年終止的X-30飛機(jī)就是作為一級(jí)入軌的航天飛機(jī)進(jìn)行研究的。德國的桑格爾（sanger）則是作為二級(jí)入軌的航天飛機(jī)的第一級(jí)被研究的。
發(fā)展歷程
據(jù)國外媒體報(bào)道，航空巨頭表示，高超音速飛機(jī)將成為航空運(yùn)輸業(yè)發(fā)展的必然趨勢，美國政府正尋求多方面支持和資助，希望能走在世界前沿。在上個(gè)月舉行的一場研討會(huì)上，美國航空航天局、美國空軍、洛克希德·馬丁公司等航空業(yè)巨頭表示，我們即將迎來空中運(yùn)輸?shù)男录o(jì)元。不過，有專家表示，要真正推廣這項(xiàng)技術(shù)，必須要有大幅度減少飛機(jī)產(chǎn)生的超音速音爆的措施，目前，許多公司正在努力研發(fā)解決這個(gè)問題的方法。據(jù)稱，高超音速飛機(jī)的飛行速度將至少達(dá)到音速的5倍，環(huán)游世界只需要4個(gè)小時(shí)。
專家表示，高超音速飛機(jī)的研發(fā)在停滯許久后開始蓬勃發(fā)展，將先進(jìn)的技術(shù)逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。NASA的航空項(xiàng)目目前正致力于研究一款試驗(yàn)性飛機(jī)，項(xiàng)目由眾議院科學(xué)委員會(huì)成員SteveKnight領(lǐng)導(dǎo)。Knight表示，自從1967年以來，美國就沒有再研究過高超音速飛機(jī)，盡管有兩個(gè)無人駕駛超音速項(xiàng)目——X-51和X-43試驗(yàn)機(jī)，但工作卻沒有繼續(xù)下去。不過他希望當(dāng)時(shí)研究的數(shù)據(jù)仍能用于當(dāng)今的研究中。
美國航空航天局授予洛克希德·馬丁公司一份設(shè)計(jì)一架試驗(yàn)性飛機(jī)的合同，用以檢測減少音爆的技術(shù)。NASA最近也在研究混合機(jī)翼及其他能夠提高功率并減少環(huán)境污染。不過，來自國會(huì)和總統(tǒng)對(duì)預(yù)算的管控對(duì)科學(xué)家們的進(jìn)一步研究產(chǎn)生了一定影響。專家表示，我們時(shí)間不多了。就在幾個(gè)月前，一項(xiàng)革命性的超高音速推進(jìn)系統(tǒng)向地面展示推進(jìn)了一大步，但大小只是最初版本的四分之一。
噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)（ReactionEngines）公司將旗下Sabre引擎大小進(jìn)行了相應(yīng)縮減，使其成為更適合早期應(yīng)用的展示模型，包括一款模擬飛行軟件。該公司目前正在研發(fā)一款融合了噴氣式飛機(jī)和火箭技術(shù)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，以達(dá)到5倍音速的目標(biāo)。在接下來的研發(fā)中，科學(xué)家們將著重研究一種更小的引擎，類似F-35戰(zhàn)斗機(jī)聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)（美國聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)）的F135渦輪扇發(fā)動(dòng)機(jī)引擎。
接著，研發(fā)團(tuán)隊(duì)將在2020-2021年開始進(jìn)行整合引擎測試，該系統(tǒng)還將進(jìn)行海平面測試，研究者們將通過加熱氣流模擬高速氣流，隨后將在風(fēng)洞里進(jìn)行測試，評(píng)估流動(dòng)狀態(tài)。核心技術(shù)將在英國進(jìn)行測試，意味著該公司需要建造一個(gè)帶有氫/空氣呼吸預(yù)燃室的檢測設(shè)施。
需解決的問題
解決相應(yīng)動(dòng)力裝置
渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在飛機(jī)飛行馬赫大于3.5之后，性能會(huì)迅速下降。如果飛機(jī)使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)則攜帶氧化劑和燃料的負(fù)擔(dān)過重。雖然沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)馬赫數(shù)在3.5～6之間可以有較好的性能，但壓力和溫度會(huì)有較大的損失。馬赫數(shù)大于6時(shí)，使用碳?xì)淙剂显?a href="/hebeideji/4614184715056175821.html">超音速氣流中燃燒的沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)較為適宜。巡航馬赫數(shù)大于4時(shí)，使用渦噴/沖壓噴氣/超燃沖壓噴氣混合發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)較好的方案。
接受高強(qiáng)度激波的挑戰(zhàn)
風(fēng)洞試驗(yàn)初步表明，馬赫數(shù)為5～6時(shí)，巡航升阻比在5.5～6.0之間。采用乘波優(yōu)化方案可進(jìn)一步提高升阻比。
解決表面溫度問題
高超音速飛行會(huì)遇到惡劣的熱環(huán)境。作為一級(jí)入軌的航天飛機(jī)X-30的表面溫度達(dá)到840～1840℃，除需發(fā)展能長時(shí)間耐高溫的輕合金材料、非金屬復(fù)合材料外，突出的難點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和熱管，須考慮材料的熱膨脹系數(shù)問題，以免翹曲或裂縫。馬赫大于5時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件需進(jìn)行有效的冷卻。馬赫數(shù)接近15時(shí)，必須對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)的某些部分進(jìn)行有效的冷卻。
解決噪聲和音爆問題
高超音速飛機(jī)投入使用會(huì)遇到比超音速飛機(jī)更為嚴(yán)重的噪聲和音爆問題，必須有效解決。
研究作用
X-30飛機(jī)
X-30是由美國國防部和國家航空航天局共同組織研制的可復(fù)用空天飛機(jī)研究機(jī)，其目的是彌補(bǔ)地面試驗(yàn)設(shè)備在研究馬赫數(shù)大于8以上飛行現(xiàn)象的不足，開發(fā)驗(yàn)證用于高超音速飛行的基礎(chǔ)技術(shù)，以便制造在技術(shù)、成本及應(yīng)用上更為先進(jìn)的航天運(yùn)輸系統(tǒng)和軍、民用飛機(jī)。它是美國"國家空天飛機(jī)計(jì)劃"(NASP)有一個(gè)組成部分。
于1999年進(jìn)行樣機(jī)的飛行驗(yàn)證工作。桑格爾航天飛機(jī)是可重復(fù)使用的兩級(jí)空間運(yùn)輸系統(tǒng)。MBB公司領(lǐng)導(dǎo)研究小組進(jìn)行第一階段的方案論證研究。第一階段的研究為期4年，投資2.2億馬克。西德工業(yè)界提供3000萬馬克，其中有一半是MBB公司提供的。第二階段技術(shù)研究計(jì)劃在1993年進(jìn)行，1996年進(jìn)行可行性驗(yàn)證。桑格爾航天飛機(jī)的研制可能在1996年開始，阿里安一5型運(yùn)載火箭的研制工作業(yè)已完成。桑格爾第一次飛行在2006年。桑格爾航天飛機(jī)第一階段研究管理人員說，為了實(shí)現(xiàn)真正的歐洲自主，也就是說要達(dá)到能在歐洲發(fā)射的目的(考慮到安全的原因)，只有水平發(fā)射是可行的。歐洲要求桑格爾航天飛機(jī)完成的主要任務(wù)是:飛經(jīng)自由號(hào)空間站和飛往以克里斯托弗·哥倫布為基地的自主載人平臺(tái)，并發(fā)射到靜止軌道上。要完成這些任務(wù)，需要航天飛機(jī)具備3500公里的巡航能力，桑格爾航天飛機(jī)只有裝上5臺(tái)第一級(jí)吸氣式渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)才能達(dá)到這一能力。與英國霍托爾(Hoto1)航天飛機(jī)等單級(jí)入軌方案不同的是，桑格爾航天飛機(jī)的兩級(jí)入軌方案是把吸氣推進(jìn)系統(tǒng)與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)分開。
MBB公司的空間通信與推進(jìn)系統(tǒng)部副總裁兼總經(jīng)理說:“這樣可避免因極復(fù)雜的復(fù)合推進(jìn)系統(tǒng)帶來的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，而且不會(huì)將任何不必要的重量帶入軌道。推進(jìn)技術(shù)是桑格爾航天飛機(jī)成敗的關(guān)鍵。”凱爾勒說，桑格爾航天飛機(jī)有翼第一級(jí)飛行器的渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，推力為300千牛，它和未來潛在的高超音速客機(jī)的通用性最大。凱爾勒認(rèn)為，過去的經(jīng)驗(yàn)證明，載人航天應(yīng)與不載人飛行嚴(yán)格分開，桑格爾航天飛機(jī)就是這樣的。因?yàn)樗袃蓚€(gè)不同的上面級(jí):一個(gè)是可重復(fù)使用的HORUS，它是用于載人的高超音速軌道上面級(jí)，可以把4噸有效載荷送入軌道;另一個(gè)是一次性的CARGUS，這是不載人的貨運(yùn)上面級(jí)，可載14噸有效載荷。凱爾勒說，研制桑格爾航天飛機(jī)在技術(shù)上不需要任何突破。他還爭辯道，桑格爾航天飛機(jī)是阿里安~5型運(yùn)載火箭與赫爾墨斯載人航天飛機(jī)順理成章的下一代航天器。
桑格爾航天飛機(jī)每年可進(jìn)行6次載人飛行，每次費(fèi)用為1500~2000萬美元。與此相比，赫爾墨斯航天飛機(jī)的發(fā)射費(fèi)用為2億美元，每年只能進(jìn)行2次發(fā)射。桑格爾航天飛機(jī)每年可為歐洲節(jié)省1億美元。桑格爾航天飛機(jī)的飛行過程是這樣的:開始時(shí)由第一級(jí)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)，將桑格爾送到10公里的高度，然后在加力燃燒室的全力推動(dòng)下超過音速。在速度達(dá)到馬赫3.5，高度為19.54里時(shí)，沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)，使桑格爾加速到馬赫4.4，此時(shí)高度28公里。在居住區(qū)上空以馬赫4.4速度向南飛行3500公里，然后適時(shí)向東，直到桑格爾加速到馬赫6.6，高度為37公里時(shí)，其第一級(jí)便與第二級(jí)分離。
X-41
空天轟炸飛行器驗(yàn)證機(jī)X-41從2005年開始進(jìn)行試驗(yàn)，它在9月份取得的成功使臭工廠不必再制造HTV-1初級(jí)技術(shù)原型機(jī)。洛·馬公司將開始制造第二階段原型機(jī)HTV-2，HTV-3原型機(jī)于2009年升空，真正的“黑雨燕”HTV-3X空天轟炸機(jī)的首次試飛于2012年。HTV-3X項(xiàng)目在2008年被削減大量經(jīng)費(fèi)，最后該項(xiàng)目被取消，但DARPA通過該項(xiàng)目對(duì)高超音速飛行器及其動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了研究，除了洛·馬公司外，GenCorpInc公司旗下的Rocketdyne公司也會(huì)加入該項(xiàng)目中，后者以研制發(fā)動(dòng)機(jī)見長，高超音速動(dòng)力系統(tǒng)將與組合循環(huán)動(dòng)力有關(guān)。SR-72項(xiàng)目基于HTV-3X，后者的經(jīng)費(fèi)由國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）承擔(dān)，但在2008年就被砍掉，HTV-3X項(xiàng)目的動(dòng)力系統(tǒng)并沒符合設(shè)計(jì)要求。
參考資料 >
高超音速飛機(jī)到底能飛多快?我們做了大量理論分析后，畫出了未來飛機(jī)可能的樣子 | 崔凱.騰訊網(wǎng).2023-12-22