2017年國外高超聲速飛行器技術發展綜述

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本文轉載自：海鷹資訊，作者：張燦等

2017年，世界主要大國加大高超聲速技術發展投入力度，試圖搶佔高超聲速實戰化先機。總體上，高超聲速打擊武器競爭愈發激烈，美俄等國加快高超聲速武器化進程，或將在5年左右形成裝備；高超聲速飛機和空天往返飛行器依託典型項目開展方案論證和技術儲備；同時加緊高超聲速試驗設施能力建設，並穩步推進基礎科研，加快技術驗證步伐。

一

加快高超聲速武器化進程，或將在5年左右形成裝備

美國著手制訂首個高超聲速武器裝備型譜，啟動高超聲速導彈工程研製

隨著中俄在高超聲速技術領域的快速進展，美國開始擔憂在高超聲速武器裝備發展上落後於競爭對手。進入2017年，美國空軍高層首次將發展高超聲速武器裝備比喻成一項「曼哈頓工程」，並隨後又公開表示將制訂首個面向實戰化的高超聲速武器裝備型譜，預示著美國將集中資源加快裝備發展進程，以搶佔高超聲速武器實戰化先機。

5月公開的2018財年預算中，美國為高超聲速打擊武器預研項目共申請4.34億美元，較上一財年批複額（3.41億美元）大幅提升。美國空軍在2018財年預算中首次編列了「高超聲速樣機」項目，並隨後發布了首個高超聲速打擊武器型號——「空射型高超聲速常規打擊武器」（HCSW）項目的招標預告，指出將在2018年初授出HCSW的工程研製合同，標誌著美軍高超聲速導彈相比之前的規劃將提前5年左右進入工程研製階段。

圖1 美國FBO網站上公開的HCSW工程研製招標預告

此外，戰術級射程的「高速打擊武器」（HSSW）演示驗證項目和戰略級射程的「先進高超聲速武器」（AHW）項目按照既定計劃持續推進。HSSW項目包括「高超聲速吸氣式武器方案」（HAWC）和「戰術助推滑翔武器」（TBG）兩個子項目，去年順利進入第二階段後，計劃於2018財年完成關鍵設計評審，為後續2019財年開展飛行驗證做準備。AHW項目轉由美國海軍牽頭後，於2016年與國家CPGS團隊合作完成海基AHW首個試飛器FE-1的關鍵設計評審，並在2017年10月成功完成海基AHW的第一次飛行試驗，計劃在2019財年進行第二次飛行試驗（FE-2）。

俄羅斯持續推進高超聲速導彈飛行試驗，將優先發展高超聲速武器裝備

2017年，俄羅斯國防部副部長表示高超聲速武器是即將發布的《2018~2027國家武器裝備計劃》的重點發展裝備之一，並公開宣稱俄羅斯計劃在2020~2022年間裝備空射型高超聲速導彈，當前正在加緊開展研製試驗。

繼去年連續成功完成戰術級的「鋯石」吸氣式高超聲速導彈和戰略級的高超聲速助推滑翔飛行器YU-71的試飛後，俄羅斯在2017年4月披露「鋯石」又成功完成了一次飛行試驗。結合俄羅斯早前的計劃安排和開源情報，此次飛行試驗應是繼去年陸基試射後的海基試射，飛行速度達馬赫數6左右。俄羅斯方面表示，「鋯石」高超聲速導彈或將在2020年左右服役，後續還將發展潛射型和空射型。此外，《簡氏導彈與火箭》在2017年12月披露，俄羅斯在同步發展射程1500公里的新型吸氣式空射型高超聲速導彈。據悉，該型導彈的生產和採購已被列入《2018~2027國家武器裝備計劃》框架。

表1 俄羅斯新型吸氣式高超聲速導彈性能參數

日本計劃啟動高速助推滑翔導彈項目

2017年11月，日本防衛省防衛裝備廳技術戰略部在2018財年防務預算申請文件中提交了一個名為「高速助推滑翔導彈關鍵技術研究」的項目預算申請，擬在2018財年預算中申請100億日元（約9000萬美元），用於在2018~2024年間開展高速助推滑翔導彈若干關鍵技術的開發及驗證，為後續型號研製做好技術儲備。研究內容涉及滑翔飛行器機體設計、氣動力與直接力複合的滑翔飛行控制、高性能火箭發動機助推器等關鍵技術，計劃完成原型樣機的設計、製造和相關功能及性能驗證試驗。儘管該項目定位為技術研究與驗證，但其發展的是進攻性武器技術，和日本近年來顯現出的軍事力量擴張戰略意圖相符。一旦獲批，將推動日本在高速打擊武器領域邁出重大的一步。

二

積極推進高超聲速飛機的技術儲備

美國明確高超聲速飛機發展路線

美國進一步明確高超聲速飛機的發展路線，空軍高層在2017年7月表示將採取「先爬——再走——最後才跑」的漸進式發展方式，與2016年「高速作戰系統支撐技術」（ETHOS）調研公告指出的「先機載發射、再水平起降」發展思路相吻合，並透露洛克希德·馬丁公司正在研製的基於火箭基組合循環發動機（RBCC）的SR-72將成為高超聲速飛機發展的第一步。

在2013~2017年期間開展大量地面試驗驗證後，洛克希德·馬丁公司在2017年6月表示已經具備研製SR-72高超聲速飛機驗證機的技術條件，最快將在2018年開始研製一型可選有人駕駛的飛行驗證機。該驗證機將由一台全尺寸支板引射火箭發動機（RBCC的一種典型結構）提供動力。2013年首次披露SR-72時推斷的渦輪基組合循環發動機（TBCC）更可能是遠期的水平起降方案。驗證機大小與F-22戰鬥機相當，計劃21世紀20年代早期開展首飛，晚期開展更大尺寸驗證機首飛。

另一方面，美國同步探索基於渦輪基組合循環發動機（TBCC）的水平起降型高超聲速飛機方案，並加緊核心技術攻關。DARPA持續推進「先進全速域發動機」（AFRE）項目發展，在2017年9月分別授予軌道ATK公司和洛克達因公司合同。AFRE項目於2016年啟動，旨在研究高超聲速飛機渦輪基組合發動機（TBCC）推進系統工程化的可行性，計劃在2018財年完成大尺寸進氣道、全尺寸燃燒室的製造和初始測試，全尺寸尾噴管的製造及其與現貨渦輪發動機的初步集成等。

圖2 美國「先進全速域發動機」（AFRE）項目

俄羅斯積極準備高超聲速六代機研製工作

俄羅斯官員在2017年8月透露，軍機承造商正在為高超聲速第六代戰鬥機積極儲備科學與技術基礎。俄羅斯聯合飛機公司在2016年首次披露六代機時，表示六代機將配備高功率微波武器和無線電光子雷達，並已完成概念方案設計。負責六代機雷達研製的俄羅斯無線電電子技術集團在2017年8月披露，其已研製出機載射頻光子相控陣雷達發射機和接收機的試驗樣機，接下來將著手全尺寸模型的研製，確定雷達具體的物理尺寸、工作頻段以及輸出功率等。

三

持續開展空天往返飛行器的概念論證和技術探索

美國推進可重複使用火箭的太空飛機項目，加強吸氣式組合動力空天飛行器的關鍵技術儲備

面對低成本快速空間進入的能力需求，美國國防高級研究計劃局（DARPA）在2017年陸續授出合同，推動相關項目發展。

在基於可重複使用火箭的空間進入方案方面，繼去年發布第二、三階段招標通告後，DARPA於2017年5月發表聲明，授予波音公司「試驗性太空飛機」（XS-1）項目研製試飛合同。XS-1項目順利完成轉階段，按計劃第二階段將在2019年前完成技術驗證機的設計、試製和測試，為飛行試驗做好準備。DARPA在2018財年為XS-1項目申請預算6000萬美元，比上一財年的批複額增長50%，為項目穩步推進提供經費保障。

在水平起降式空天飛行器方面，繼去年披露兩型基於「佩刀」（SABRE）發動機的兩級入軌空天飛行器概念方案後，DARPA對「佩刀」發動機的核心部件——預冷卻器技術開展驗證。2017年9月，DARPA授予英國反應發動機公司（REL）在美國設立的子公司一份合同，要求在美國開展「佩刀」發動機預冷卻器樣機的高溫氣流試驗，以考核確認預冷卻器在馬赫數5的高溫高速氣流條件下的性能。2017年12月，REL宣布已經啟動預冷卻樣機高溫氣流考核試驗設施的建設工作。

四

加緊高超聲速試驗能力建設，穩步推進基礎科研

美國加大高超聲速試驗設施投資力度，持續推進高超聲速基礎研究技術發展

目前美國多項高超聲速核心技術的成熟度已達到5+，高超聲速技術即將邁入武器化進程。在此背景下，美國緊密圍繞研發和裝備需求，加大高超聲速試驗設施建設投資力度，並持續推動基礎科研，旨在支撐高超聲速武器研製，同時進一步夯實可重複使用高超聲速飛行器的理論基礎。

在高超聲速試驗設施建設方面，《美國空軍高超聲速試驗能力提升計劃》指出，在2017~2021財年將為高超聲速試驗能力建設投資3.5億美元。在該計劃的推動下，美國從2017財年開始加大了對高超聲速試驗設施升級改進和建設的支持力度。據2018財年預算文件顯示，2017財年美國國防部在「核心試驗與鑒定投資計劃」（CTEIP）項目下資助了8項高超聲速試驗設施建設子項目，2018財年將增至9項，包括馬赫數7.5清潔空氣試驗環境、中壓電弧加熱裝置、用於高超聲速武器試驗的機載自動跟蹤系統等。

圖3 2017年3月空軍裝備司令部提出將啟動「高超聲速試驗能力提升計劃」

在基礎科研方面，美國空軍科學研究辦公室（AFOSR）在2017年2月發布了關於高超聲速飛行器邊界層轉捩（BOLT）實驗的招標通告（BAA），將通過開展風洞試驗、計算分析和飛行試驗，旨在加深對高馬赫數下具有後掠前緣的小曲率凹面上邊界層轉捩物理機理和轉捩擾動演化規律的理解，對高超聲速飛行器邊界層轉捩行為進行更為精確的預測；5月，美國國防部授予科羅拉多大學牽頭的高校團隊一份臨近空間探空氣球科研項目合同，以支撐未來高超聲速飛機的研發。高校團隊計劃放飛一系列臨近空間氣球，通過球載儀器來收集氣流、溫度流動和顆粒物分布等大氣環境數據，從而研究24~36千米高空的大氣環境。

美澳合作HIFiRE項目持續開展飛行試驗

作為美澳在高超聲速基礎研究領域的重要合作項目，「高超聲速國際飛行研究試驗」（HIFiRE）項目在2017年7月開展了第八次飛行試驗。這次飛行試驗編號為HIFiRE 4，試驗中採取的乘波體試飛器飛行馬赫數達到7以上。試驗總體上取得成功，但助推火箭攜帶的兩架試飛器中有一架在分離後很快與地面失去聯繫。試驗主要任務是演示大氣層外分離、高度控制和大氣層內高超聲速助推-滑翔飛行器的控制方案，並收集先進乘波體構型的氣動、穩定性和控制等方面的相關數據。

圖4 HIFiRE 4助推火箭點火瞬間

英國新建高超聲速發動機試驗設施

繼2016年9月披露「佩刀」發動機1/4縮比驗證機詳細發展規劃後，英國REL公司在2017年5月宣稱正在搭建一座試驗設施，將用於「佩刀」發動機1/4縮比驗證機的第一次地面驗證。試驗設施選址為牛津附近的白金漢郡韋斯科特，計劃在2020年佩刀發動機核心部件運行前能夠對其子系統進行測試。這座試驗設施將包括一個多用途推進試驗台、組裝建築樓、車間、辦公室和控制室。其中，多用途推進試驗台用於測試多種發動機配置，而車間和其他支撐設施可使發動機直接在現場更改配置，減少測試階段之間的停頓時間，從而加速發動機的開發計劃。

日本啟動高超聲速基礎研究項目

2017年8月，日本防衛裝備廳通過「安全保障技術研究推進位度」批准了包括高超聲速技術在內的14項軍事基礎技術研究項目。其中，高超聲速項目是6個大型研究項目之一，將針對高超聲速飛行的流體和燃燒特性開展研究。該項目旨在通過風洞試驗、飛行試驗和計算機數值分析等方法，基於從地面設備上獲取的數據研究高超聲速的燃燒現象和空氣動力加熱的估算技術，從而提高高超聲速飛行技術水平。項目研究代表機構為日本宇宙航空航天開發機構（JAXA），並分包給2所大學。日本防衛裝備廳希望利用民間研發力量推進軍用前沿基礎技術創新。

結束語

目前，美國和俄羅斯均將高超聲速武器化提上日程，不斷加大投資和研發力度，預計2020~2025年陸續形成裝備，同時積極推進高超聲速飛機的總體方案論證和技術儲備，並面向長遠目標持續開展空天飛行器概念論證和技術探索。高超聲速飛行器技術未來發展動向需要保持持續跟蹤和關注，為相關決策提供參考。

作者：北京海鷹科技情報研究所張燦胡冬冬劉都群

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作者簡介

張燦，北京海鷹科技情報研究所青年學者，主要研究領域包括：高超聲速裝備技術發展和智能化情報分析研究等。

胡冬冬，北京海鷹科技情報研究所中青年學者，主要研究領域包括：美國軍事戰略、作戰理論與裝備體系建設、高超聲速裝備技術發展等。

劉都群，北京海鷹科技情報研究所青年學者，主要研究領域包括：俄羅斯軍事戰略武器裝備及技術發展、高超聲速武器情報研究。

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