高超音速飛機

高超音速飛機(hypersonic aircraft) 最小飛行速度大於5倍音速的飛機。高超音速飛機實現高超音速飛行，必須有相應的動力裝置，解決高強度激波、表面溫度、噪聲和音爆等問題。解決相應動力裝置。渦輪噴氣發動機在飛機飛行馬赫數大於3.5之後，性能會迅速下降；高超音速飛機的研究工作和太空梭研究存在著緊密的聯繫。1994年終止的X-30飛機就是作為一級入軌的太空梭進行研究的。德國的桑格爾(sanger)則是作為二級入軌的太空梭的第一級被研究的。

基本介紹

• 中文名：高超音速飛機
• 外文名：hypersonic aircraft
• 音速的飛機：大於5倍音速的飛機
• 前身：X-30、桑格爾
• 主要問題：動力、激波、溫度、噪聲、音爆等
• 發動機：噴氣或新型發動機

歷程

據國外媒體報導，航空巨頭表示，高超音速飛機將成為航空運輸業發展的必然趨勢，美國政府正尋求多方面支持和資助，希望能走在世界前沿。在上個月舉行的一場研討會上，NASA、美國空軍、洛克希德馬丁等航空業巨頭表示，我們即將迎來空中運輸的新紀元。不過，有專家表示，要真正推廣這項技術，必須要有大幅度減少飛機產生的超音速音爆的措施，目前，許多公司正在努力研發解決這個問題的方法。據稱，高超音速飛機的飛行速度將至少達到音速的5倍，環遊世界只需要4個小時。

高超音速飛機

專家表示，高超音速飛機的研發在停滯許久後開始蓬勃發展，將先進的技術逐漸變為現實。NASA的航空項目目前正致力於研究一款試驗性飛機，項目由眾議院科學委員會成員Steve Knight領導。Knight表示，自從1967年以來，美國就沒有再研究過高超音速飛機，儘管有兩個無人駕駛超音速項目——X-51和X-43，但工作卻沒有繼續下去。不過他希望當時研究的數據仍能用於當今的研究中。

今年二月，NASA授予洛克希德馬丁公司一份設計一架試驗性飛機的契約，用以檢測減少音爆的技術。NASA最近也在研究混合機翼及其他能夠提高功率並減少環境污染。不過，來自國會和總統對預算的管控對科學家們的進一步研究產生了一定影響。專家表示，我們時間不多了。就在幾個月前，一項革命性的超高音速推進系統向地面展示推進了一大步，但大小只是最初版本的四分之一。

噴氣發動機（ReactionEngines）公司將旗下Sabre引擎大小進行了相應縮減，使其成為更適合早期套用的展示模型，包括一款模擬飛行軟體。該公司目前正在研發一款融合了噴氣式飛機和火箭技術的渦輪發動機，以達到5倍音速的目標。在接下來的研發中，科學家們將著重研究一種更小的引擎，類似F-35聯合攻擊戰鬥機（JSF）的F135引擎。

接著，研發團隊將在2020-2021年開始進行整合引擎測試，該系統還將進行海平面測試，研究者們將通過加熱氣流模擬高速氣流，隨後將在風洞裡進行測試，評估流動狀態。核心技術將在英國進行測試，意味著該公司需要建造一個帶有氫/空氣呼吸預燃室的檢測設施。

需解決的問題

解決相應動力裝置

渦輪噴氣發動機在飛機飛行馬赫數大於3.5之後，性能會迅速下降。如果飛機使用火箭發動機則攜帶氧化劑和燃料的負擔過重。雖然衝壓噴氣發動機馬赫數在3.5～6之間可以有較好的性能，但壓力和溫度會有較大的損失。馬赫數大於6時，使用碳氫燃料在超音速氣流中燃燒的衝壓噴氣發動機較為適宜。巡航馬赫數大於4時，使用渦噴/衝壓噴氣/超燃衝壓噴氣混合發動機是一個較好的方案。

接受高強度激波的挑戰

風洞試驗初步表明，馬赫數為5～6時，巡航升阻比在5.5～6.0之間。採用乘波最佳化方案可進一步提高升阻比。

解決表面溫度問題

高超音速飛行會遇到惡劣的熱環境。作為一級入軌的太空梭X-30的表面溫度達到840～1 840℃，除需發展能長時間耐高溫的輕合金材料、非金屬複合材料外，突出的難點是結構和熱管，須考慮材料的熱膨脹係數問題，以免翹曲或裂縫。馬赫數大於5時，發動機構件需進行有效的冷卻。馬赫數接近15時，必須對機身結構的某些部分進行有效的冷卻。

解決噪聲和音爆問題

高超音速飛機投入使用會遇到比超音速飛機更為嚴重的噪聲和音爆問題，必須有效解決。

研究作用

高超音速飛機的研究工作和太空梭研究存在著緊密的聯繫。1994年終止的X-30飛機就是作為一級入軌的太空梭進行研究的。德國的桑格爾(sanger)則是作為二級入軌的太空梭的第一級被研究的。

X-30飛機

X-30是由美國國防部和國家航空航天局共同組織研製的可復用空天飛機研究機，其目的是彌補地面試驗設備在研究馬赫數大於8以上飛行現象的不足，開發驗證用於高超音速飛行的基礎技術，以便製造在技術、成本及套用上更為先進的航天運輸系統和軍、民用飛機。它是美國"國家空天飛機計畫"(NASP)有一個組成部分。

桑格爾

於1999年進行樣機的飛行驗證工作 。桑格爾太空梭是可重複使用的兩級空間運輸系統。 MBB公司領導研究小組進行第一階段的方案論證研究。第一階段的研究在今年2月開始，為期4年， 投資2.2 億馬克 。西德工業界 提供3000萬馬克 ，其中有一半是MBB公司提供的。 第二階段技術研究計畫在1993年進行，1996年進行可行性驗證。 桑格爾太空梭的研製可能在1996年開始，阿里安一5 型運載火箭的研製工作業已完成。桑格爾第一次飛行 在2006年 。 桑格爾太空梭第一階段研究管理人員說， 為了實現真正的歐洲自主，也就是說要達到能在歐洲發射的目的 (考慮到安全的原因) ，只有水平發射是可行的。 歐洲要求桑格爾太空梭完成的主要任務是 :飛經自由號空間站和飛往以哥倫布為基地的自主載人平台，並發射到靜止軌道上 。要完成這些任務，需要太空梭具備 3500公里的巡航能力， 桑格爾太空梭只有裝上 5 台第一級 吸氣式渦輪衝壓發動機才能達到這一 能力。 與英國霍托爾 (H oto1) 太空梭等單級入軌方案不同的是，桑格爾太空梭的兩級入軌方案是把吸氣推進系統與火箭發動機分開。

MBB公司的空間通信與推進系統部副總裁兼總經理說 : “ 這樣可避免因極複雜的複合推進系統帶來的技術風險，而且不會將任何不必要的重量帶入軌道。推進技術是桑格爾太空梭成敗的關鍵。” 凱爾勒說，桑格爾太空梭有翼第一級飛行器的渦輪衝壓發動機，推力為 300 千牛，它和未來潛在的高超音速客機的通用性最大。 凱爾勒認為，過去的經驗證明，載人空間飛行應與不載人飛行嚴格分開，桑格爾太空梭就是這樣的。因為它有兩個不同的上面級:一個是可重複使用的HORUS， 它是用於載人的高超音速軌道上面級， 可以把 4 噸有效載荷送入軌道;另一個是一次性的CARGUS，這是不載人的貨運上面級，可載 14 噸有效載荷。 凱爾勒說，研製桑格爾太空梭在技術上不需要任何突破。他還爭辯道，桑格爾太空梭是阿里安~5型運載火箭與赫爾墨斯載人太空梭順理成章的下一代太空飛行器。

桑格爾太空梭每年可進行 6 次載人飛行 ，每次費用為1 500~ 2 000萬美元。與此相比，赫爾墨斯太空梭的發射費用為 2 億美元，每年只能進行 2 次發射。桑格爾太空梭每年可為歐洲節省1億美元。 桑格爾太空梭的飛行過程是這樣的:開始時由第一級渦輪噴氣發動機推動，將桑格爾送到10公里的高度 ，然後在加力燃燒室的全 力推動下超過聲速。在速度達到馬赫 3.5， 高度為 19.54 里 時，衝壓發動機起動，使桑格爾加速到馬赫 4.4 ，此時高度28公里。在居住區上空以馬赫 4.4 速度向南飛行 3 500公里，然後適時向東，直到桑格爾加速到馬赫 6.6，高度為 37 公里時，其第一級便與第二級分離。

X-41

空天轟炸飛行器驗證機X-41從2005年開始進行試驗，它在9月份取得的成功使臭鼬工廠不必再製造HTV-1初級技術原型機。洛·馬公司將開始製造第二階段原型機HTV-2，HTV-3原型機於2009年升空，真正的“黑雨燕”HTV-3X空天轟炸機的首次試飛於2012年。HTV- 3X項目在2008年被削減大量經費，最後該項目被取消，但DARPA通過該項目對高超音速飛行器及其動力系統進行了研究，除了洛·馬公司外，GenCorp Inc公司旗下的Rocketdyne公司也會加入該項目中，後者以研製發動機見長，高超音速動力系統將與組合循環動力有關。SR -72項目基於HTV- 3X，後者的經費由國防高級研究計畫局（DARPA）承擔，但在2008年就被砍掉，HTV- 3X項目的動力系統並沒符合設計要求。