張強(qiáng)

【摘 要】介紹了高超聲速飛行器相關(guān)概念，歸納了以美國為代表的高超聲速計(jì)劃進(jìn)展，總結(jié)了高超聲速飛行器發(fā)展過程中的關(guān)鍵技術(shù)及高超飛行器的特點(diǎn)。針對高超聲速飛行器的特點(diǎn)，對高超聲速飛行器飛行試驗(yàn)測控需求進(jìn)行了簡單分析。

【關(guān)鍵詞】高超聲速飛行器；精確打擊；測控需求

中圖分類號(hào)： V249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）21-0009-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.004

【Abstract】This paper introduced related concepts of hyper-sound velocity flight vehicle，concluded hyper-sound velocity plan progress that represented by the USA，and summarized the key techniques and features of the hyper-sound velocity flight vehicle during its development progress.This paper took simple analysis of measurement and control requirement during the flight test in allusion to hyper-sound velocity flight vehicles features.

【Key words】Hyper-sound velocity flight vehicle；Accuracy striking；Measurement and control requirement

0 引言

高超聲速飛行器是指在大氣中飛行速度超過5倍音速的飛行器，通常包括帶動(dòng)力和無動(dòng)力滑翔高超聲速飛行器，典型的帶動(dòng)力高超聲速飛行器如X-51以及X-43等，無動(dòng)力高超聲速飛行器如HTV-2等。高超聲速飛行器具有飛行速度快、反應(yīng)時(shí)間短、作戰(zhàn)半徑大、隱蔽性好、突防能力強(qiáng)等特點(diǎn)，保證了飛行器具有了巨大的軍事、政治和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。高超聲速飛行器能夠有效地進(jìn)行高空高速偵察、預(yù)警和突防，可對敵方進(jìn)行直接打擊或作為遠(yuǎn)程精確打擊的武器平臺(tái)，極大地?cái)U(kuò)展了作戰(zhàn)空間，提高了作戰(zhàn)效能。

高超聲速飛行器由于其獨(dú)特的優(yōu)勢，目前已成為世界航空航天領(lǐng)域一個(gè)極其重要的發(fā)展方向和世界各國廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來，世界各軍事強(qiáng)國在空氣動(dòng)力、結(jié)構(gòu)材料、推進(jìn)技術(shù)以及飛行控制等關(guān)鍵技術(shù)的研究方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為高超聲速飛行器未來的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

近年來，我國在高超聲速飛行器關(guān)鍵技術(shù)方面有了很大突破，在型號(hào)的研制方面取得了很大進(jìn)步，隨著研制的進(jìn)程，相關(guān)型號(hào)將先后到靶場進(jìn)行各種飛行試驗(yàn)，由于高超音速飛行器本身特有的特點(diǎn)，對靶場的條件建設(shè)提出很高的要求。潛射或艦射高超音速飛行器也是其發(fā)展的一個(gè)重要方向，作為我國唯一的海上靶場，應(yīng)該了解高超音速飛行器的性能、特點(diǎn)，提前謀劃，加強(qiáng)高超音速飛行器飛行試驗(yàn)的保障條件建設(shè)及試驗(yàn)鑒定方法的研究。

1 高超聲速飛行器發(fā)展現(xiàn)狀

在高超聲速飛行器研究過程中，以美國為典型代表的高超聲速研究計(jì)劃具備了相對完善和成熟的研究體系，主要包括了帶動(dòng)力高超聲速計(jì)劃（HyFly計(jì)劃、X-43A計(jì)劃、X-51A計(jì)劃），無動(dòng)力高超聲速滑翔打擊計(jì)劃（HTV-2計(jì)劃、常規(guī)打擊導(dǎo)彈（CSM）計(jì)劃，弧光導(dǎo)彈（Arclight）計(jì)劃），在軌道服務(wù)以及高超聲速再入返回計(jì)劃（X-37B計(jì)劃）和高超聲速基礎(chǔ)研究計(jì)劃（NHFRP）。

1.1 帶動(dòng)力高超聲速計(jì)劃

HyFly計(jì)劃是由美國海軍主導(dǎo)開展的高超聲速導(dǎo)彈研究計(jì)劃，主要發(fā)展可在馬赫數(shù)3.3-6之間運(yùn)行的被動(dòng)冷卻雙燃燒室超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、氣動(dòng)/推進(jìn)一體化的軸對稱高超聲速導(dǎo)彈氣動(dòng)布局。

X-43A（如圖1）計(jì)劃是由DRAPA主導(dǎo)的以氫燃料為動(dòng)力的高超聲速飛行器研究計(jì)劃，旨在發(fā)展一體化、小型、氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的高超聲速驗(yàn)證飛行器，工作馬赫數(shù)為7-10，在技術(shù)上已取得了部分成功。

X-51A計(jì)劃是由DRAPA主導(dǎo)的以碳?xì)淙剂蠟閯?dòng)力的高超聲速計(jì)劃，主要發(fā)展可在馬赫數(shù)4.5-7運(yùn)行的碳?xì)淙剂现鲃?dòng)冷卻超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、氣動(dòng)/推進(jìn)一體化的乘波體氣動(dòng)布局技術(shù)、可飛行600秒以上的高超聲速飛行的放熱技術(shù)。在試驗(yàn)中，X-51A（如圖2）已取得了試驗(yàn)成功，同時(shí)，也意味著超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)將提供一種全新的快速全球打擊能力。

1.2 無動(dòng)力高超聲速計(jì)劃

無動(dòng)力高超聲速計(jì)劃通常采用助推器將高超聲速無動(dòng)力滑翔飛行器助推到預(yù)定的分離點(diǎn)，無動(dòng)力滑翔飛行器通過長時(shí)間的高超聲速滑翔飛行實(shí)現(xiàn)快速的投送和打擊。

HTV-2（Falcon）計(jì)劃是由DRAPA主導(dǎo)用來驗(yàn)證全球快速打擊武器的關(guān)鍵技術(shù)，駐澳包括遠(yuǎn)程高超聲速助推滑翔飛行器氣動(dòng)布局技術(shù)、熱防護(hù)技術(shù)、先進(jìn)GPS制導(dǎo)技術(shù)和碳/碳減速傘技術(shù)等。HTV-2計(jì)劃的目標(biāo)是通過采用以米諾陶4火箭為助推器，將HTV-2飛行器投送到預(yù)定的高度，HTV-2在大氣層外與助推器分離，速度超過20Ma，采用滑翔方式完成再入滑翔打擊任務(wù)。但飛行試驗(yàn)尚未取得預(yù)期的試驗(yàn)效果。

常規(guī)打擊導(dǎo)彈（CSM）計(jì)劃主要發(fā)展高超聲速助推滑翔導(dǎo)彈技術(shù)、大氣層內(nèi)高超聲速滑翔飛行精確制導(dǎo)和導(dǎo)引技術(shù)、高超聲速熱防護(hù)系統(tǒng)（TPS）技術(shù)、常規(guī)戰(zhàn)斗部技術(shù)等。CSM可能以“人牛怪-3”火箭為基礎(chǔ)，在CSM第一級和第二級助推器中使用“人牛怪-2”發(fā)動(dòng)機(jī)。在近期的試驗(yàn)中，CSM試驗(yàn)已取得了成功。

Arclight計(jì)劃是由DRAPA主導(dǎo)的旨在演示驗(yàn)證艦載助推-滑翔的高超聲速技術(shù)，最終研制可對戰(zhàn)術(shù)、遠(yuǎn)程、時(shí)間敏感目標(biāo)進(jìn)行快速打擊的導(dǎo)彈?；」鈱?dǎo)彈將采用MK41垂直發(fā)射系統(tǒng)，具備30分鐘內(nèi)將45-90kg載荷投送至3700km遠(yuǎn)處目標(biāo)的能力。

1.3 在軌道服務(wù)以及高超聲速再入返回計(jì)劃（X-37B計(jì)劃）

X-37B計(jì)劃旨在針對可重復(fù)使用空天飛機(jī)開展RLV全包線制導(dǎo)和控制技術(shù)、再入返回的熱結(jié)構(gòu)與防護(hù)技術(shù)等開展研究。X-37B飛行器通過運(yùn)載火箭托送到預(yù)定軌道，在軌長時(shí)間駐留和空間機(jī)動(dòng)，完成任務(wù)后通過機(jī)動(dòng)變軌，調(diào)整狀態(tài)以滿足再入返回窗口條件，通過長時(shí)間的高超聲速再入飛行器，最后實(shí)現(xiàn)水平著陸。X-37B兩次成功試驗(yàn)表明，在再入過程中放熱系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、電子系統(tǒng)、自主導(dǎo)航與控制、自主返回與著陸和起落架技術(shù)上已取得成功，通過在軌長時(shí)間駐留和數(shù)次大機(jī)動(dòng)飛行，為未來在軌服務(wù)和空間抓捕任務(wù)積累了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

1.4 國家高超聲速基礎(chǔ)研究計(jì)劃（NHFRP）

NHFRP主要開展超聲速燃燒、邊界層物理學(xué)、可控沖擊波、非平衡流、高溫材料與結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)技術(shù)研究。2009年3月，NASA和美國空軍在加利福尼亞、德克薩斯和弗吉尼亞分別成立了3個(gè)國家高超聲速中心，以開展高超聲速飛行器的吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)、材料和結(jié)構(gòu)以及附面層控制領(lǐng)域的預(yù)先研究。

2 高超聲速飛行器關(guān)鍵技術(shù)

高超聲速飛行器包含帶動(dòng)力和無動(dòng)力飛行器兩種典型的飛行模式，兩種不同的飛行模式在關(guān)鍵技術(shù)上具有共性，同時(shí)也存在較大差異。在本文中，討論的對象選擇以X-51A與HTV-2兩種典型的飛行器，通過對飛行彈道模式的對比，討論基于不同飛行特性情況的共性關(guān)鍵技術(shù)和異性關(guān)鍵技術(shù)。X-51A是一類帶動(dòng)力系統(tǒng)的高超聲速飛行器，發(fā)動(dòng)機(jī)工作處于X-51A巡航飛行段，飛行高度約30km，速度5-7Ma。HTV-2高超聲速飛行器的起始速度為20Ma以上，起始飛行高度約為100km，高超聲速條件下飛行終止高度約15-20km，彈道滿足速度和高度雙跨度高動(dòng)態(tài)變化模式。

本文從氣動(dòng)布局和氣動(dòng)/推進(jìn)一體化、熱技術(shù)和熱防護(hù)、高精度GNC、動(dòng)力技術(shù)四方面進(jìn)行對比分析。

2.1 共性關(guān)鍵技術(shù)

在氣動(dòng)布局方面，動(dòng)力和無動(dòng)力高超聲速均存在高升阻比與有效載荷容量相互矛盾的特性，追求高升阻比將導(dǎo)致飛行器的機(jī)構(gòu)類似乘波體構(gòu)型，導(dǎo)致載荷的構(gòu)型必須處于扁平結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)有效載荷設(shè)計(jì)體系不完全統(tǒng)一。因此，氣動(dòng)布局的設(shè)計(jì)需要將有效載荷的設(shè)計(jì)納入考慮的重要指標(biāo)。

熱技術(shù)和熱防護(hù)技術(shù)方面，兩類高超聲速飛行器在稠密大氣層內(nèi)飛行時(shí)，空氣均受到強(qiáng)烈的壓縮和劇烈的摩擦作用，飛行器的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致端頭溫度急劇升高，并且隨著飛行馬赫數(shù)的增加，氣動(dòng)加熱將更趨于嚴(yán)重。為保證飛行器在大氣層中不被燒毀，并且保證內(nèi)部儀器的正常工作，必須采取特殊的熱防護(hù)技術(shù)，主要關(guān)鍵技術(shù)包括：（1）防熱系統(tǒng)防熱與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，包括防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、防熱結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連接技術(shù)、通信窗口的防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)；（2）防熱系統(tǒng)的地面試驗(yàn)技術(shù)，包括防熱材料試驗(yàn)技術(shù)、防熱結(jié)構(gòu)單元件試驗(yàn)技術(shù)、防熱系統(tǒng)陣列結(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù)等；（3）防熱系統(tǒng)飛行演示試驗(yàn)技術(shù)，包括飛行演示試驗(yàn)總體方案研究、飛行演示試驗(yàn)方法研究、氣動(dòng)熱環(huán)境預(yù)測技術(shù)、熱的測量技術(shù)、熱換算技術(shù)等。

高精度GNC技術(shù)方面，從硬件上分析：（1）小型化、高可靠與低成本的光陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)；（2）高動(dòng)態(tài)、抗干擾的兼容GNSS/CGPS/CAPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)接收機(jī)；（3）小型大功率合成孔徑雷達(dá)及其景象匹配技術(shù)；（4）天基寬帶數(shù)據(jù)鏈通信系統(tǒng)；（5）集成化與智能化并具有自我檢查能力的高可靠控制裝置；（6）小型大功率、高可靠的數(shù)字式機(jī)電伺服系統(tǒng)。制導(dǎo)控制技術(shù)上分析：（1）捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的快速初始對準(zhǔn)與高動(dòng)態(tài)傳遞對準(zhǔn)技術(shù)；（2）組合導(dǎo)航的信息融合與容錯(cuò)以及誤差修正技術(shù)；（3）“黑障”區(qū)內(nèi)的導(dǎo)航信息補(bǔ)償技術(shù)；（4）高動(dòng)態(tài)下衛(wèi)星導(dǎo)航信息的快速捕捉技術(shù)；（5）實(shí)時(shí)通信與目標(biāo)重定位定向技術(shù)等。

2.2 異性關(guān)鍵技術(shù)

針對動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面，目前，帶動(dòng)力的高超聲速飛行器通常采用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)，但是，高超聲速空氣在燃燒室中的滯留時(shí)間通常是毫秒級，要想在如此短的時(shí)間內(nèi)將其壓縮、增壓，并與燃料在超聲速流動(dòng)狀態(tài)下迅速、均勻、穩(wěn)定、高效率地混合和燃燒室十分困難的，因此需要對發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸、形狀以及燃料種類、噴射器設(shè)計(jì)、燃燒機(jī)理進(jìn)行綜合性能理論和試驗(yàn)研究。而無動(dòng)力滑翔高超聲速飛行器不純在此類設(shè)計(jì)方面的考慮。

在氣動(dòng)/推進(jìn)一體化設(shè)計(jì)方面，帶動(dòng)力系統(tǒng)的高超聲速飛行器通常采用乘波體理論對機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，容易引起空氣動(dòng)力學(xué)與推進(jìn)系統(tǒng)的強(qiáng)耦合效應(yīng)，而無動(dòng)力滑翔高超聲速滑翔飛行器不存在此類設(shè)計(jì)方面的考慮。

GNC設(shè)計(jì)方面，通過飛行包線的分析，無動(dòng)力高超聲速滑翔飛行器包括高度和速度雙域度強(qiáng)變化的特點(diǎn)，當(dāng)飛行器做大跨度機(jī)動(dòng)飛行時(shí)，其動(dòng)壓和馬赫數(shù)在大范圍內(nèi)變化，造成飛行器的氣動(dòng)模型和動(dòng)力學(xué)模型的非線性特性突出，從而導(dǎo)致飛行器的動(dòng)態(tài)特性變化顯著。同時(shí)，由于無動(dòng)力高超聲速滑翔飛行器長時(shí)間內(nèi)具有以上的特點(diǎn)，基于上述特點(diǎn)的飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。高超聲速滑翔飛行器再入階段將經(jīng)歷的環(huán)境非常復(fù)雜，為保證飛行器的控制能力，采用RCS作為控制系統(tǒng)的重要組成部分已受到極大的重視，但RCS噴流和飛行器表面氣流之間相互干擾，導(dǎo)致RCS干擾效應(yīng)的分析極其困難，要求設(shè)計(jì)的控制算法具有良好的魯棒性；無動(dòng)力高超聲速滑翔飛行器再入過程中的再入走廊和再入彈道設(shè)計(jì)技術(shù)非常關(guān)鍵，在無動(dòng)力再入過程中需要考慮敵方攔截因素，投放載荷條件約束的影響，同時(shí)又必須保證動(dòng)壓，熱流以及過載等硬約束條件滿足條件，因此，再入彈道設(shè)計(jì)和再入走廊的分析相比于帶動(dòng)力高超聲速飛行器更為復(fù)雜。無動(dòng)力高超聲速滑翔飛行器為具備大范圍內(nèi)的打擊目標(biāo)的能力，必須具備有高精度的末端能量管理和制導(dǎo)技術(shù)，通過在再入末端調(diào)整飛行器狀態(tài)，保證飛行器能準(zhǔn)確投放有效載荷，而帶動(dòng)力高超聲速飛行器考慮此方面的因素較少。

3 高超聲速飛行器的特點(diǎn)

未來戰(zhàn)爭是高智能化、高信息化的戰(zhàn)爭，空中打擊將主要依靠速度和高度取勝，高超音速飛行器的作戰(zhàn)使命為：有效突破敵反導(dǎo)防御系統(tǒng)，多方向、遠(yuǎn)程、快速、精確、靈活打擊敵體系中陸上、海上、空中的目標(biāo)。超高度超聲速和超機(jī)動(dòng)的飛行特點(diǎn)使得高超聲速飛行器具有以下特點(diǎn)。

（1）飛行彈道復(fù)雜

典型飛行剖面分為四段（如圖3）：助推段、爬升段、巡航段和俯沖段。導(dǎo)彈艦載垂直發(fā)射或機(jī)載水平發(fā)射后以較大的彈道傾角加速爬升，在預(yù)定的轉(zhuǎn)級點(diǎn)進(jìn)行級間分離；然后超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火接力繼續(xù)加速爬升，到達(dá)預(yù)定巡航點(diǎn)按規(guī)劃彈道飛行；最后適時(shí)機(jī)動(dòng)，進(jìn)入俯沖，命中目標(biāo)。

（2）快速打擊能力，先敵打擊、先敵摧毀的實(shí)時(shí)/近實(shí)時(shí)快速打擊能力是奪取信息優(yōu)勢和戰(zhàn)爭主動(dòng)權(quán)的必然要求；

（3）精確打擊能力，對點(diǎn)目標(biāo)、機(jī)動(dòng)目標(biāo)的直接命中打擊能力，對目標(biāo)"點(diǎn)穴式"小附帶損傷打擊能力，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭和未來信息化戰(zhàn)爭的基本要求，是精確打擊和常規(guī)威懾的技術(shù)保證；

（4）有效突防能力：導(dǎo)彈速度越高，其突防能力越強(qiáng)；關(guān)于飛行高度，其突防能力與攔截武器類型有關(guān)，對于靠氣動(dòng)力控制的攔截彈而言，其攔截能力隨導(dǎo)彈飛行高度增高而下降，對于靠直接力控制的攔截彈而言，其攔截能力隨導(dǎo)彈飛行高度增高而增強(qiáng)

（5）高作戰(zhàn)效能，具備包括高射前生存能力、有效突防能力、高效毀傷能力等在內(nèi)的較高綜合作戰(zhàn)效能，是對武器裝備的總體要求；

（6）使用方便，全壽命周期內(nèi)具備良好的維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性等，具備較高的信息化水平和一定的智能化，可多平臺(tái)裝載使用，便于部隊(duì)的貯存、訓(xùn)練、作戰(zhàn)使用。

4 高超聲速飛行器飛行試驗(yàn)測控需求

4.1 航區(qū)需求

飛行試驗(yàn)采用海上航區(qū)或海陸結(jié)合航區(qū)。由于高超聲速巡航導(dǎo)彈飛行速度較高，轉(zhuǎn)彎半徑大，飛行試驗(yàn)擬采用直線飛行彈道，這些影響航區(qū)長度、高度、寬度選擇確定。

4.2 測控需求

（1）遙測需求

需對飛行試驗(yàn)全程進(jìn)行遙測和外測參數(shù)測量。為獲取全部飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，測控站（陸基、?；蚩栈┬韪鶕?jù)航區(qū)特點(diǎn)合理布置。

彈上測量參數(shù)種類、數(shù)量非常多，主要包括熱流參數(shù)、壓力參數(shù)、溫度參數(shù)、過載參數(shù)、緩變電壓模擬量、開關(guān)量等，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量非常大，因此遙測需滿足大容量數(shù)據(jù)傳輸要求。靶場地面站應(yīng)能滿足相關(guān)的保密保密要求。

（2）外測需求

對導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)全程進(jìn)行外彈道測量，測量導(dǎo)彈位置參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，如高度、距離、側(cè)偏、速度、加速度等。并能夠按要求實(shí)時(shí)傳送到指揮控制中心，用于監(jiān)測和安控判決。

（3）安控需求

安控系統(tǒng)采用自主安控方式和被動(dòng)安控方式兩種方式，通過地彈聯(lián)合完成導(dǎo)彈的安全控制。自主安控以位置安控為主，由飛行器根據(jù)自主安控準(zhǔn)則實(shí)施，被動(dòng)安控由試驗(yàn)場根據(jù)外測彈道和被動(dòng)安控準(zhǔn)則實(shí)施。

5 總結(jié)

本文從高超聲速飛行器的概念入手，介紹了美國的高超聲速飛行器發(fā)展現(xiàn)狀。然后，針對帶動(dòng)力和無動(dòng)力兩類高超聲速飛行器，分析了關(guān)鍵技術(shù)上的共性和異性。最后，在歸納了高超聲速飛行器的特點(diǎn)上，對飛行器飛行試驗(yàn)提出了建設(shè)需求。

【參考文獻(xiàn)】

[1]馬麗，楊建軍，張維剛.“高超聲速飛行器發(fā)展綜述”，《飛航導(dǎo)彈》，2012，6.

[2]黃偉，夏智勛.“美國高超聲速飛行器技術(shù)進(jìn)展及其啟示”，《國防科技》，2011，3.

[3]黃偉，羅世彬，王振國.“臨近空間高超聲速飛行器關(guān)鍵技術(shù)及展望”，《宇航學(xué)報(bào)》2010，5.

[4]“Intercept-Angle Guidance”，《JOURNAL OF GUIDANCE， CONTROL，AND DYNAMICS》Vol.34，No.2，March-April 2011.