高超音速飞行器表面温度分布 美国高超音速飞行器型号简介

一、高超音速飞行器表面温度分布

当飞行器以高超音速在大气中飞行时，气动加热严重。当飞行速度达到8马赫时，飞行器的头锥部位温度可达1800℃，其它部位的温度也将在600℃以上。因此设计合适的热载荷管理系统成为必须。此前的太空“穿梭”航天器，航天飞机的热效应主要是集中在升空和再入阶段，时间相对有限，在热防护上是以隔离为主，机体材料可选余地较大。但高超音速飞行器在大气层内长时间飞行，摩擦热集中在机体的前端和翼面前缘，气动加热持续时间远比航天器要长，若没有有效的温度控制手段将无法保证结构安全，也无法保证机体内部设备的工作环境。对于热防护首先就是材料的选择，选用长寿命、耐高温、抗腐蚀、高强度、低密度的轻质材料。目前研制的和可能采用的新材料主要有轻金属材料、金属基复合材料、聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料、碳-碳复合材料等。

只不过高超音速飞行器，与空气的摩擦热量实在是太大，对飞行器的材料与结构的选择实在是巨大难题。机体材料很可能因温度的飙升发生着膨胀形变，加之机体内不同材料的膨胀系数不同，形变程度又有着差别。这细微的形变随之可能引发高速飞行的飞行器的气动控制的改变、机体的振动乃至解体。目前在美国多数高超音速飞行器的头部多采用钨基材料，但这种较高价值的金属材料，随之引发的就是成本的居高不下，对于未来的武器化、大范围的装备又会是不小的障碍。对于层出不穷的复合材料，在新材料的设计与加工都还有这加工难度的问题，就像在美国“猎鹰”的试验计划中多次推迟的原因就有碳基壳体材料出现了剥离问题，研制人员不得不改进工艺来使材料更易制造和性能稳定。

在基础材料之外，高超音速飞行器还必须在飞行器的总体设计和结构设计中考虑热防护因素，采用主动降温技术措施。比如，在X-51A上，不仅有着结构热防护措施，又将燃料作为结构散热的载体，在热交换器内流动后带走发动机的热量承担发动机散热的作用。在高温段吸热后的燃料裂解成低分子产物，循环到超燃冲压发动机动力系统后更适合工作要求。消耗，利用燃料循环系统作为外壳持续降温的手段。正是隔热层、耐热结构材料，降低热流，减少热应力、热传送和热冷却等多项措施的全面综合采用，才有热防护问题的解决可能，才有飞行器向高超音速的冲刺。

二、美国高超音速飞行器型号简介

X-43

X-43系列高超音速飞机是美国航空航天总署秘密研制的无人驾驶飞机，看上去很像一块漂亮的冲浪板。1996年开始研制。2004年第二次试飞成功，并突破7倍音速。

美国航天局在加利福尼亚当地时间11月16日，成功地进行了无人驾驶的高超音速试验飞机X-43A飞行试验。X-43A试验飞机飞上了太平洋上空，飞行速度为每小时1万多公里，此时飞行马赫数为9.6，即飞行速度为音速的9.6倍，从而打破了一架同样型号的X-43A试验飞机创造的马赫数为7的纪录，再次创造了飞机飞行最高飞行速度纪录。当地时间昨天下午，X-43A试验飞机在加利福尼亚州洛杉矶北部沙漠中爱德华空军基地被一架改型的B-52飞机运载到1.2万米的高空，在这个高度它脱离母机，启动自己的冲压发动机，加速到每小时1万多公里的速度,冲到3.35万米高空。

美国航天局的X-43A计划目标是制造能到达地球大气层边缘的飞机，计划的研制周期为8年，研究预算为2.3亿美元。计划中的主要研制目标就是冲压发动机，科学家认为这是为实现研制出能接近地球大气层边缘的飞机这一目的最安全和便宜的飞机发动机，因为这种发动机能将空气中的氧气吸进发动机中，而一般的航空发动机需要自带氧化剂，从而增加燃料重量。

X-51

X-51A是美国空军研究实验室（AFRL）与国防高级研究计划局（DARPA）联合主持研制的超燃冲压发动机验证机——乘波飞行器（SED-WR，Scramjet Engine Demonstrator-Waverider）。它由 波音公司与普拉特·惠特尼（简称普惠）公司共同开发，由一台JP-7碳氢燃料超燃冲压发动机推动，设计飞行马赫数在6～6.5之间。这个计划的终极目标就是要发展一种比美国原武器库中任何一种导弹的速度都要快5倍以上，可以在1小时内攻击地球任意位置目标的新武器。

x-51a

X-51A（又名：“乘波者”），为美国军方最新研发的实验型高超音速飞行器。美国X-51A型高超音速飞行器成功完成最后一次试飞。此前，“乘波者”共进行过三次试飞，均未能实现以6倍音速飞行300秒的初始计划。X-51A超燃冲压发动机技术将应用到其他领域，比如研发可一小时内攻击全球任一目标的武器。

HTV

除了研发X-51A外，美国防部高级研究计划局（DARPA）还有HTV计划，但是其在2011年8月的测试中坠毁，工程师希望其能达到20马赫的飞行速度。2011年进行的HTV任务历时9分钟，但是飞行器只进行了大约3分钟的可控飞行，它与X-51A相比，HTV并没有配备吸气式的超燃冲压发动机。

B-3

美国飞机研制专家正精心设计一种能以5倍音速飞行的高超音速隐形战略轰炸机B-3，在2030年左右替代时下的B-2隐形轰炸机，独霸新世纪的天空。设计中的B-3隐形战略轰炸机的作战能力将不同凡响，主要表现在三个方面：惊人的高超音速远程飞行能力，可在1小时之内轰炸世界任何地点；力求最佳的隐形效果；强大的攻击能力，其载弹量将达到或超过B-52的水平，因此它将成为轰炸机中的“大哥大”。

SR-91

“曙光女神”高超音速战略侦察机

国别：美国

类型：侦察机

型号：“极光”/“曙光女神

研制单位： 保密未公开 造价：研发费用大约为44亿到80亿美元，购买24架大约还要100亿到240亿美元

现状： 保密未公开

“曙光女神”高超音速侦察机(Aurora)，又名“极光”，据称其正式编号为CP-140或SR-91 ，是美国续SR-71“黑鸟”战略侦察机之后新一代战略侦察机。尽管美国官方一再否认该机的存在，但有越来越多的证据表明该机已存在多年，只是美国军方的保密工作做得极好，如同当年的B-2。

SR-72

SR-72侦察机临界鹰战略隐身多用途飞机（ENGLISH：Lockheed Martin SR-72）是由美国洛克希德·马丁公司于2007年提出的新型战略隐身多用途飞机概念，该型机本身涵盖完整的侦察系统并可携带在超高至临界空域的新型武器，集情报收集、侦察、监控、打击等诸多功能为一体。

SR-72高超音速无人侦察机主要用于取代上世纪70年代研制的SR-71“黑鸟”高速高空侦察机，其最高飞行速度将达到惊人的马赫数6(也就是声音速度的6倍)，是SR-71高速高空侦察机最大飞行速度的两倍，是目前第四代战斗机最大飞行速度的三倍，甚至其飞行速度比一些常见的导弹还要快，堪称人类制造的“最快飞机”。因为其速度优势，高超音速飞行器对21世纪防空系统的压力极大，一些著名的地空导弹，如美国的“爱国者”、俄罗斯的S-400和中国的红旗-9甚至无法追上这种飞机，从而无法拦截和击落它[2]。

XS-1

英国《简氏防务周刊》网站7月31日发表题为《五角大楼用于发射卫星的无人机进入研发新阶段》的报道称，根据7月28日的一份声明，美国国防部高级研究项目局日前根据合同变更条款，向波音公司追加了660万美元，以继续研发XS-1试验型太空飞机。

该项目旨在研发一种可重复使用的无人发射器，其成本、操作方式和可靠性与现代飞机类似，能将3000至5000磅（1磅约合0.454千克）的小型载荷卫星送入低地球轨道。

可重复使用的第一级能够在亚轨道高度作高超音速飞行。当达到适当的速度和高度后，一个或多个一次性的其他级将与第一级分离，并将小型卫星送入低地球轨道。之后，可重复使用的第一级将返回地球，为下次飞行做准备。

美国国防部高级研究项目局在声明中称，在1B阶段，波音公司负责研发XS-1的展示概念和核心技术。加上1B阶段的投入，迄今波音公司研发团队获得的经费总额已经从1000万美元增加到1660万美元。其中波音公司提供了600万美元，其余部分由美国国防部高级研究项目局提供。预计1B阶段的工作将于2016年8月之前完成。

高级研究项目局计划明年举行第二阶段竞赛，以决定哪支团队获得制造XS-1的合同并进行展示飞行。

X-37B

X-37B空天战斗机是由美国波音公司研制的无人且可重复使用的太空飞机，由火箭发射进入太空，是第一架既能在地球卫星轨道上飞行、又能进入大气层的航空器，同时结束任务后还能自动返回地面，被认为是未来太空战斗机的雏形。其最高速度能达到音速的25倍以上，常规军用雷达技术无法捕捉。

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