高超聲速飛行器技術

《高超聲速飛行器技術》是科學出版社2012年3月出版的圖書，作者是蔡國飆\徐大軍。本書系統地分析高超聲速飛行器的關鍵技術，闡述各項關鍵技術的主要研究內容與研究方法，並歸納總結了國外各國高超聲速飛行器技術的發展歷程及取得的主要研究成果。

基本介紹

• 書名：高超聲速飛行器技術
• 作者：蔡國飆、徐大軍
• ISBN：978-7-03-033062-8
• 定價：110元
• 出版社：科學出版社
• 出版時間：2012年3月

內容簡介

全書分上、下兩篇，總計16章，上篇(第?1~8?章)闡述的關鍵技術，下篇(第9~16章)介紹各國高超聲速飛行器技術的發展，並給出研究總結與展望。本書可作為高超聲速飛行器、可重複使用航天運載器領域從事相關研究的工程技術人員以及高等院校相關專業的師生的參考用書。

前言

追求更快的飛行速度，是飛行器發展歷程中一個重要的特徵。速度的提高所能帶來的實際益處是顯而易見的：在相同運輸距離上使得所需時間大大的縮短；信息化戰爭中速度高的一方有著更大的主動性和快速反應的能力，速度的提高增強了飛彈武器的作戰效能與攻擊能力；速度的提高使得入軌飛行器有了擺脫地球引力的基本能力。在大氣層內實現能夠高超聲速飛行的飛行器正是人類許久以來的夢想，而這個夢想正在逐步地走向現實。?

高超聲速飛行器是指飛行馬赫數大於5、以吸氣式發動機或其組合發動機為主要動力、能在大氣層和跨大氣層中遠程飛行的飛行器，其套用形式包括高超聲速巡航飛彈、高超聲速有人/無人飛機、空天飛機和空天飛彈等多種飛行器。?

高超聲速飛行器技術作為航空和航天技術的結合點，涉及高超聲速空氣動力學、計算流體力學、高溫氣動熱力學、化學動力學、導航與控制、電子信息、材料結構、工藝製造等多門學科，是高超聲速推進、機體/推進一體化設計、超聲速燃燒、熱防護、吸熱型碳氫燃料、高超聲速地面模擬和飛行試驗等多項前沿技術的高度綜合。高超聲速飛行器是當今航空航天領域的前沿技術，是各航空航天大國競相開展研究的熱點領域。近年來國內不少科研院所、高校等研究機構也廣泛開展了高超聲速飛行器相關技術的研究，取得了很大的研究進展。高超聲速飛行器除了具有相當大的技術難度外，也有其獨特的特點，如機身與推進的一體化設計、多學科的高度耦合，這些特點使得其研究方式、方法，以及研製的技術途徑不同於傳統飛行器研製過程。?

本書編撰的目的在於讓從事高超聲速飛行器技術研究的科研工作人員，從整個高超聲速飛行器的總體以及國外技術的發展歷程的高度和廣度上對高超聲速飛行器技術體系有個全面巨觀的認識，使其在科研工作中不局限於自己的專業分工，同時兼顧其他學科專業的內在要求，從而更好地把握高超聲速飛行器技術發展的關鍵所在。鑒於目前國內外尚無一本全面介紹高超聲速飛行器技術的著作，編撰本書的另一個目的就是希望本書能夠成為從事高超聲速飛行器技術研究的科研人員的初級讀本，成為邁向高超聲速飛行器技術領域的一份地圖。因此本書在各相應章節給出了與關鍵技術相關的一些基本概念的定義，基本參數的描述，以及基本方法的介紹，讀者通過本書的閱讀能夠初步掌握一些基礎知識，再進一步查閱、詳讀相應的參考文獻，相信能夠較快地步入高超聲速飛行器技術研究的殿堂。?

本書分上下兩篇，上篇系統全面地介紹了高超聲速飛行器的若干關鍵技術，包括超燃衝壓發動機技術、組合推進系統技術、總體與一體化設計技術、結構與熱防護技術、導航制導控制技術，以及風洞試驗技術等；下篇則對美國、俄羅斯、法國、德國、日本、澳大利亞、英國、印度等國在高超聲速飛行器技術領域的研究歷程作了較為全面的歸納總結。本書的編撰參閱了大量的國內外技術與學術文獻資料，並儘可能地在書中各相應位置作了標註，但文獻數量之多，學科專業跨越之大，唯恐有遺漏和不足之處，敬請讀者及原文作者諒解。另外，由於作者專業領域所限，難以在較短的時間內消化和掌握非自己研究領域的學科專業知識及研究進展，在編撰過程中較多地參閱了相應學科的綜述性文獻，以及國內博士和碩士論文的研究綜述部分，引述文字相應的參考文獻在本書中標註並羅列於各章的參考文獻中。?

本書的編撰得到了解放軍總裝備部科技委陶平委員、電子信息基礎部新技術局趙同凱局長、劉志偉副局長、朱文峰主任，航天科技集團一院王珏研究員，航天科工集團三院黃瑞松院士、魏毅寅、史新興、湯龍生、趙文勝、謝海波研究員等多位領導專家的關心和大力支持，在此表示衷心的感謝。對各研究院所、高校的同行專家的幫助表示感謝。我校宇航學院多年來從事高超聲速飛行器技術研究的推進系徐旭教授、孫冰教授，航天導航制導與控制系李惠峰副教授為本書的編寫提供了大量的資料素材，在此也表示誠摯的感謝。著名空氣動力學專家莊逢甘院士和飛航飛彈動力專家劉興洲院士也一直關心本書的進展情況，但此書未能在他們生前出版是一個不小的遺憾。?

由於本書作者專業水平有限，書中難免存在不足之處，懇請廣大讀者批評指教，在此不甚感激。?? 蔡國飆 徐大軍?

2011年12月

目錄

前言?

上篇 高超聲速飛行器技術?

第1章 緒論??

1.1 高超聲速飛行器??

1.2 國外高超聲速飛行器總體方案研究??

1.2.1 可重複使用航天運載器??

1.2.2 高超聲速飛機??

1.2.3 高超聲速巡航飛彈??

1.3 國外高超聲速飛行器技術發展歷程??

1.3.1 國外高超聲速飛行器技術發展簡史??

1.3.2 國外高超聲速飛行器技術飛行試驗發展動態??

1.3.3 其他高超聲速飛行器技術發展計畫??

1.4 本書主要內容??

參考文獻??

第2章 高超聲速飛行器關鍵技術分解研究??

2.1 高超聲速飛行器關鍵技術分解??

2.1.1 技術層面與技術分類??

2.1.2 基於技術分類的關鍵技術分解??

2.2 發展戰略研究中定量分析的必要性??

2.3 高超聲速飛行器技術關鍵度分析??

2.4 高超聲速飛行器技術成熟度分析??

2.4.1 技術成熟度分析模型??

2.4.2 技術成熟度在可重複使用航天運載器上的套用分析??

2.5 高超聲速飛行器技術發展路徑??

參考文獻??

第3章 超燃衝壓發動機技術??

3.1 引言??

3.2 超聲速燃燒概念及關鍵技術??

3.2.1 超聲速燃燒問題的提出及概念??

3.2.2 超聲速燃燒關鍵技術??

3.3 超然衝壓發動機部件技術??

3.3.1 進氣道??

3.3.2 隔離段??

3.3.3 燃燒室??

3.3.4 尾噴管??

3.4 超燃衝壓發動機總性能評估指標??

3.4.1 燃燒效率??

3.4.2 內推力??

3.4.3 淨推力??

3.4.4 推力增益??

3.4.5 性能指標的選擇??

3.5 超燃衝壓發動機的燃料技術??

3.6 超燃衝壓發動機地面試驗技術??

3.6.1 地面試驗系統??

3.6.2 直連式試驗??

3.6.3 自由射流試驗??

3.6.4 試驗氣流參數對發動機性能的影響??

參考文獻??

第4章 高超聲速飛行器組合推進系統技術??

4.1 火箭基組合循環發動機推進系統??

4.1.1 RBCC基本概念及工作原理??

4.1.2 支板引射RBCC結構與原理??

4.1.3 引射火箭工作性能的影響因素??

4.1.4 RBCC發動機性能分析模型研究??

4.1.5 RBCC系統循環方案??

4.2 渦輪基組合循環發動機推進系統??

4.2.1 TBCC系統方案??

4.2.2 TBCC渦輪發動機數學模型??

4.2.3 TBCC進排氣系統??

4.2.4 TBCC推進系統與高超聲速飛行器機身的一體化??

4.3 其他類型的組合循環發動機??

4.3.1 預冷卻渦輪基組合循環發動機??

4.3.2 深冷渦噴火箭組合循環發動機??

4.3.3 液化空氣組合循環發動機??

參考文獻??

第5章 高超聲速飛行器機身推進一體化設計技術??

5.1 高超聲速空氣動力學??

5.1.1 高超聲速流動??

5.1.2 高超聲速氣動力工程計算方法??

5.1.3 高超聲速流動的數值模擬技術??

5.2 高超聲速飛行器“乘波體”氣動外形設計??

5.2.1 “乘波體”氣動外形的概念與氣動特性??

5.2.2 “乘波體”氣動的生成??

5.2.3 “乘波體”飛行器設計??

5.3 高超聲速飛行器機身與推進一體化設計??

5.3.1 高超聲速飛行器機身推進一體化算力體系??

5.3.2 高超聲速飛行器前體進氣道一體化設計??

5.3.3 高超聲速飛行器後體噴管一體化設計??

5.3.4 高超聲速飛行器氣動推進一體化數值計算??

5.3.5 高超聲速飛行器一體化幾何外形的參數化建模方法??

5.4 高超聲速飛行器一體化氣動特性分析??

5.4.1 一體化氣動特性計算建模??

5.4.2 發動機工作狀態對一體化氣動特性的影響??

5.4.3 發動機工作狀態對飛行器穩定性和配平特性的影響??

5.4.4 後體噴管設計對一體化氣動特性的影響??

5.5 超燃衝壓發動機與“乘波體”氣動外形的一體化??

5.5.1 主要問題??

5.5.2 考慮進氣道入口條件的“乘波體”氣動外形設計??

5.5.3 “乘波體”氣動外形尾噴管的設計??

5.6 “圓截面”推進系統與高超聲速飛行器機身的一體化??

5.6.1 推進系統“圓?二維?圓”的演化??

5.6.2 “圓截面”推進系統與高超聲速飛行器機身的一體化??

參考文獻??

第6章 高超聲速飛行器熱防護技術??

6.1 高超聲速飛行器熱環境與熱走廊??

6.1.1 高超聲速飛行器熱環境??

6.1.2 高超聲速飛行器熱走廊??

6.1.3 高超聲速氣動熱環境工程預測方法??

6.2 高超聲速氣動?熱?彈性力學基礎研究問題??

6.2.1 高溫反應氣體的熱化學反應機制??

6.2.2 高超聲速邊界層轉捩??

6.2.3 高超聲速流動的激波/激波相互作用??

6.2.4 高超聲速熱環境下的氣動彈性??

6.3 航天熱防護技術與典型熱防護系統方案??

6.3.1 航天熱防護技術??

6.3.2 典型航天/空天飛機熱防護系統方案??

6.4 可重複使用航天運載器金屬熱防護系統??

6.4.1 可重複使用航天運載器對熱防護系統的要求??

6.4.2 金屬熱防護系統??

6.4.3 金屬熱防護系統的隔熱材料??

6.4.4 金屬熱防護系統熱分析方法??

6.4.5 熱防護系統健康監測技術??

6.5 吸氣式高超聲速飛行器熱防護系統與結構部件??

6.5.1 熱結構的技術難點??

6.5.2 前緣??

6.5.3 控制臺??

參考文獻??

第7章 高超聲速飛行器導航制導與控制技術??

7.1 高超聲速飛行器導航系統技術??

7.1.1 導航系統的作用與意義??

7.1.2 組合導航技術??

7.1.3 導引頭等任務設備在導航系統中的套用??

7.2 高超聲速飛行器動力學建模技術??

7.2.1 軸對稱飛行器動力學建模??

7.2.2 高超聲速飛行器機身推進一體化動力學建模??

7.2.3 基於參數化外形的高超聲速飛行器控制建模??

7.2.4 高超聲速飛行器氣動推進/氣動耦合問題??

7.3 高超聲速飛行器操控與姿態測量技術??

7.3.1 操控技術??

7.3.2 嵌入式大氣數據感測系統??

7.4 高超聲速飛行器制導與控制技術??

7.4.1 主要問題??

7.4.2 飛行控制方法??

7.5 可重複使用航天運載器的飛行控制技術??

7.5.1 可重複使用航天運載器飛控系統特點??

7.5.2 可重複使用的飛控系統設計要求??

7.5.3 可重複使用的飛控系統關鍵技術??

參考文獻??

第8章 高超聲速飛行器風洞試驗技術??

8.1 高超聲速飛行器風洞試驗的任務與要求??

8.1.1 高超聲速飛行器風洞試驗的任務??

8.1.2 高超聲速飛行器風洞試驗的要求??

8.2 高超聲速風洞設備種類??

8.2.1 風洞設備概況??

8.2.2 高超聲速風洞設備種類??

8.3 高超聲速風洞試驗形式??

8.3.1 全模測力試驗??

8.3.2 壓力分布測量試驗??

8.3.3 噴流干擾試驗??

8.3.4 高超聲速進氣道試驗??

8.3.5 鉸鏈力矩試驗??

8.3.6 級間分離及多體分離試驗??

8.4 國外高超聲速試驗風洞情況??

8.4.1 國外高超聲速風洞概況??

8.4.2 美國LENS系列激波風洞??

8.4.3 俄羅斯ITAM高超聲速風洞AT?303??

8.4.4 法國S4高超聲速風洞??

8.4.5 日本JAXA高超聲速風洞??

參考文獻??

下篇 各國高超聲速飛行器技術發展?

第9章 美國高超聲速飛行器技術研究??

9?1 超燃衝壓發動機的興起（20世紀50年代）??

9?2 超燃衝壓發動機初期的研究（20世紀60年代）??

9?3 SCRAM飛彈計畫（1961~1977）??

9?4 高超聲速研究發動機計畫（1964~1974）??

9?5 國家空天飛機計畫（1986~1995）??

9?5?1 NASP計畫的提出??

9?5?2 NASP X?30試驗飛行器的概念設計??

9?5?3 NASP計畫中的關鍵技術研究??

9?5?4 NASP計畫的調整??

9?5?5 NASP計畫的結束??

9?6 高超聲速技術計畫（1995~2003）??

9?6?1 HyTech計畫概覽??

9?6?2 技術的挑戰??

9?6?3 主要研究成果??

9?7 ARRMD計畫（1998~2001）??

9?7?1 戰場對快速回響飛彈的需求??

9?7?2 設計要求與概念方案??

9?7?3 技術的挑戰??

9?7?4 ARRMD計畫的後續發展??

9?8 Hyper?X計畫與X?43A飛行試驗??

9?8?1 Hyper?X計畫概覽??

9?8?2 X?43A試驗飛行器總體設計??

9?8?3 X?43A設計與製造上的挑戰??

9?8?4 X?43A飛行試驗??

9?9 NASA先進空天運輸高超聲速計畫??

9?9?1 ASTP計畫??

9?9?2 技術途徑??

9?9?3 系統分析項目??

9?9?4 推進技術項目??

9?9?5 機身技術項目??

9?9?6 飛行演示項目??

9?10 HyFly計畫??

9?10?1 飛行器的概念/結構??

9?10?2 飛行試驗過程和試驗目標??

9?10?3 面臨的技術挑戰??

9?11 X?51A飛行試驗計畫（2005~ ）??

9?11?1 戰略背景??

9?11?2 計畫由來??

9?11?3 研究團隊??

9?11?4 計畫路徑??

9?11?5 試驗飛行器系統組成??

9?11?6 發動機研製與試驗??

9?11?7 飛行試驗計畫安排??

9?11?8 飛行試驗的開展情況??

9?12 Falcon計畫??

9?12?1 計畫背景??

9?12?2 渦輪基組合循環推進系統??

9?12?3 TBCC相關技術的發展??

9?12?4 HTV?2飛行試驗??

參考文獻??

第10章 俄羅斯高超聲速飛行器技術研究??

10?1 “冷”計畫??

10?1?1 軸對稱亞/超燃衝壓發動機試驗模型??

10?1?2 試飛器??

10?1?3 飛行試驗??

10?2 “鷹”計畫??

10?2?1 “鷹”試驗飛行器??

10?2?2 超燃衝壓發動機試驗模型??

10?2?3 “鷹”試驗運載器??

10?2?4 “鷹”試驗??

10?3 彩虹?D2計畫??

10?3?1 彩虹?D2試飛器??

10?3?2 實驗型超燃衝壓發動機模型??

10?3?3 飛行試驗??

10?4 “鷹?31”計畫??

10?4?1 試飛器??

10?4?2 亞/超燃衝壓發動機試驗模型??

10?4?3 飛行試驗??

10?5 高超聲速飛機“圖2000”的研究??

參考文獻??

第11章 法國高超聲速飛行器技術研究??

11?1 PREPHA計畫(1992~1998)??

11?1?1 PREPHA計畫簡介??

11?1?2 試驗裝置的建立??

11?1?3 CFD數值計算研究??

11?1?4 超燃衝壓發動機部件研究??

11?1?5 材料與冷卻結構研究??

11?1?6 高超聲速飛行器總體系統研究??

11?2 JAPHAR計畫(1997~2002)??

11?2?1 JAPHAR計畫簡介??

11?2?2 JAPHAR計畫的研究途徑??

11?2?3 雙模態超燃衝壓發動機研究??

11?2?4 超聲速燃燒基礎研究??

11?3 PROMETHEE計畫(1999~2002)??

11?3?1 PROMETHEE計畫簡介??

11?3?2 PROMETHEE計畫的主要目標??

11?3?3 PROMETHEE計畫的技術途徑??

11?4 LEA飛行試驗計畫(2003~ )??

11?4?1 LEA飛行試驗計畫的背景??

11?4?2 LEA飛行試驗計畫的試驗原理??

11?4?3 LEA飛行器研髮狀況??

參考文獻??

第12章 德國高超聲速飛行器技術研究??

12?1 S?nger計畫（1988~1995）??

12?2 FESTIP TSTO方案研究(1994~1998)??

12?3 SHEFEXⅠ飛行試驗（2005）??

12?4 SHEFEXⅡ飛行試驗（2008）??

12?4?1 研製背景??

12?4?2 試飛器介紹??

12?4?3 分系統介紹??

12?4?4 氣動力學問題??

參考文獻??

第13章 日本高超聲速飛行器技術研究??

13?1 日本的超燃衝壓發動機研究??

13?2 空天飛機方案研究??

13?3 HOPE飛行試驗研究計畫??

13?3?1 OREX軌道再入試驗??

13?3?2 HFLEX高超聲速飛行試驗??

13?3?3 ALFLEX自動著陸試驗??

13?3?4 HSFD高速飛行演示試驗??

13?4 高超聲速試驗設備與研究機構??

13?4?1 衝壓發動機自由射流試車台??

13?4?2 自由活塞式激波風洞??

13?4?3 相關研究機構??

參考文獻??

第14章 澳大利亞高超聲速飛行器技術研究??

14?1 HyShot計畫??

14?2 HyCAUSE飛行試驗??

14?3 HIFiRE飛行試驗計畫??

參考文獻??

第15章 其他國家高超聲速飛行器技術研究??

15?1 英國高超聲速飛行器技術研究概況??

15?1?1 HOTOL計畫??

15?1?2 SHyFE飛行試驗計畫??

15?1?3 SKYLON可重複使用運載器??

15?1?4 高超聲速客機??

15?2 義大利高超聲速飛行器技術研究概況??

15?3 印度高超聲速飛行器技術研究概況??

15?3?1 HSTDV飛行器結構與組成??

15?3?2 印度高超聲速試驗設備??

參考文獻??

第16章 總結與展望??

16?1 高超聲速飛行器技術的研究總結??

16?2 高超聲速飛行器技術的發展趨勢