解析美国高超声速飞机未来发展之路

转自：光明军事（GM-junshi）

作者：胡冬冬 叶蕾

美国对高超声速技术的探索和研究已有70年历史。在20世纪长达半个世纪的探索中，美国高超声速技术的发展主要是由航天飞机和空天飞机的发展需求牵引的。直至进入21世纪，美国才提出高超声速飞机的发展构想和军事需求，并在 2001年国家航空航天倡议（NAI）中被纳入美国高超声速技术的整体发展规划。

以 NAI的发布为起点，美国高超声速飞机的发展演化历程归结起来大致可分为以下四个阶段：

（一）第一阶段（2003—2008年），在NAI 和PGS需求牵引下启动了基于高速涡轮TBCC的 “黑雨燕”高超声速飞机验证项目，项目正式实施不到2年即因技术风险太高而下马

2001年，美国国防部与NASA联合发布的国家航空航天倡议中，首次提出了发展采用碳氢燃料涡轮基组合循环发动机（TBCCＣ）的马赫数0～7高超声速飞机用于远程打击的应用构想。2003年，国防部正式提出了 “快速全球打击” （PGS）的使命任务需求。在NAI和PGS的共同牵引下，DARPA于2003年启动 “猎鹰”（FALCON）计划，旨在对实现全球到达使命任务的关键技术进行演示验证。“猎鹰”计划分为两部分：近期发展一次性使用的高超声速技术飞行器（HTV）和小型运载器（SLV），主要由HTV－1、HTV－2来验证；远期发展可重复使用的高超声速巡航飞行器（HCV），主要由HTV－3来验证。最初 HTV－3为无动力的可重复使用飞行器，但是当NASA在2004年决定取消基于组合循环动力的X－43B高超声速飞行器项目之后，DARPA便将HTV－3转变为带有组合循环动力的HTV－3X，“黑雨燕”项目由此诞生。

“黑雨燕”HTV－3X项目于2007年9月正式启动，设想使用基于高速涡轮发动机和超燃冲压发动机的TBCC 组合动力系统达到马赫数6的最大飞行速度，并计划于 2012年首飞。2008年初，洛克希德·马丁公司参与了“黑雨燕”项目的方案投标。波音公司在同一时期也提出了MANTA高超声速飞机方案。随后在政府的授意下波音公司加入了洛克希德·马丁公司的研发团队。但是，由于当时设想采用的TBCC 动力技术还远未成熟 （同一时期 AFRL开展的高速涡轮演示验证 （HiSTED）项目并未制造出可用于TBCC、飞行速度最大可达马赫数4的小型涡轮发动机），加上技术和经济风险太高，“黑雨燕”项目在2008年初申请经费时遭到国会强烈反对，2008年9月批准的 2009财年预算中由7.5亿美元被大幅削减至0.1亿美元。DARPA随后在2008年10月声明放弃该项目。另一方面，从军事需求的角度看，当时美国的军事重点还是反恐战争，尽管当时提出了 “快速全球打击”（PGS）能力需求，但对高超声速飞机发展需求的认识还不够明晰。即使在美国2008年出台的 《国防部高超声速技术路线图》中，高超声速飞机仍然是一种模糊的应用构想，既没有明确高超声速飞机的作战使命任务定位，也没有关于高超声速飞机的系统性发展规划。

（二）第二阶段 （2009—2010年），美国高超声速飞机发展思路进入调整阶段，开展了空射型 “怪兽”等高超声速飞机方案的研究和论证

“黑雨燕”项目下马后，美国军方开始重新思考和构想高超声速飞机技术验证机的发展计划，政府实验室以及工业界也参与了其中一些论证，并提出了具有不同动力形式和总体方案的高超声速飞机设想和发展计划。比如，空军研究实验室（AFRL）在 2010年提出了以 “火箭 ＋超燃冲压发动机”为动力的空射型 “怪兽” （Gryphon）高超声速飞机方案，该飞机定位于技术验证机，主要用于评估气动、推进、材料和结构、热管理、控制以及一体化等关键技术。此外，空军首席科学家在2010年5月签署发布的《空军2010—2030科学技术地平线》中，还披露了Astrox公司设计的基于RBCC动力形式、可入轨并且可执行ISR／打击任务的高超声速飞行器方案。

Astrox总裁 Ajaykothari在2010年接受 《航空周刊》的采访时称， “黑雨燕”项目从一开始就提出采用TBCC实现跑道水平起飞的过高目标，从而导致了该项目下马的噩运。美国军方在对继 “黑雨燕”之后的未来高超声速飞机总体方案开展研究论证的同时，DARPA于2009年又启动了支撑TBCC动力技术发展的模态转捩（MoTr）项目，并将模态转换区间调整为马赫数2.5～3.5，但该项目在实施 ２年后便终止。

（三）第三阶段 （2010—2014年），开始进行高超声速飞机军事需求和技术路线图的深化论证，进入以 “基于现货涡轮的 TBCC技术验证机”为牵引的发展阶段

2010年以来，随着美国的军事关注重点从反恐战争转向应对大国 “反介入／区域拒止”挑战，美国军方开始进一步认识到高超声速飞机的潜在应用价值。与此同时，2010年5月X－51A首飞成功后，也让美国空军对发展高超声速飞机必需的技术基础有了较大的信心，并于同年12月组织召开了高超声速技术路线图的专题研讨会，开始考虑可重复使用高超声速平台的深化论证，并且开始进行高超声速飞机技术发展路线图的制定。

在此背景下，AFRL于2011年启动了 “高速使命任务分析” （HSMAR），针对未来作战场景对不同飞行速度和机动性的高速飞机的作战性能进行了综合评估。评估认为，高超声速飞机的任务需求定位于高威胁区域内穿透性ISR和打击，其所具备的强突防能力可有效突破先进防空反导系统的防御，瓦解“反介入／区域拒止”威胁，无需隐身或电子对抗措施。随后，美国AFRL在2012年6月出台了高超ISR飞机的技术路线图，首次系统分析了高超声速飞机在外形与气动、结构材料、推进与集成、制导与控制、能源与热管理、传感器6大关键技术面临的挑战，并规划了相应的技术发展路线。

在具体方案上，美国空军经过研究与论证后，2010年12月提出发展一种类似 “黑雨燕”、采用 TBCC推进系统、可水平起降的高速可重复使用研究飞行器 （HSR－FRV，后续空军统一简称为FRV）。考虑到美国以往高超声速项目 （如NASP计划X－30）失败的原因，空军决定采用较为稳妥的进度安排，计划在2021年10月（项目提出10年后）进行验证机FRV的首飞（“黑雨燕”计划是项目启动后5年首飞）；同时，军方提出FRV将由洛克希德·马丁公司、波音公司和普拉特·惠特尼集团公司联合攻关。自此，美国空军高超声速飞机技术验证机又收敛为基于TBCC推进系统的水平起降方案。但考虑到距离高速涡轮发动机技术成熟还有漫长的道路，FRV动力系统的思路调整为基于现货（OTS）涡轮发动机、通过多种架设 “桥梁”的方案来发展TBCC推进系统。

FRV技术验证机后来被正式纳入AFRL在 2012年制定的高速 ISR飞机路线图，规划 “2012—2016年开展FRV的使命任务和需求分析以及FRV方案设计，2017—2020财年进行FRV的开发和集成，2021财年以后开始飞行试验和评估”。针对空军FRV技术验证机的发展需求，洛克希德·马丁公司作为总体牵头单位，开展了总体方案的设计，并于2013年 11月首次公开了SR－72FRV方案。该方案高度继承了 FALCON计划HTV－3X飞行器的外形设计、动力系统和材料结构与热防护等关键技术成果。

（四）第四阶段（2014年年底至今），经过对高超声速技术的系统性评估，美国高超声速飞机的发展思路开始新一轮重大调整

2013年5月X－51第四次试飞成功后 （超燃冲压发动机产生了正推力），美国军方开始考虑系统评估高超声速技术成熟度水平，以指导后续高超声速技术的发展，并委托美国空军科学顾问委员会（AFSAB）开展了此项研究。据空军科学顾问委员会2014年8月发布的 《高超声速飞行器技术成熟度》报告结论认为，多项高超声速关键技术已达到马赫数5＋水平，但当前技术成熟度水平并不足以支撑在2035年前研制和部署高超声速ISR飞机；建议加快高超声速导弹武器化关键技术的开发，同时保持当前高超声速 ISR飞行器技术研发的投入水平。

鉴于此，2014年11月，美国空军研究实验室更新了其2012年制定的高超声速技术路线图，将有关总体思路做了进一步明确，从之前直接发展水平起降高超声速飞机验证机的思路转变为分两步发展验证机的思路：首先发展短寿命验证机，确保在21世纪30年代实现有限可重复使用的战术打击／ISR用高超声速飞机的技术成熟度水平达到TRL6＋；后发展长寿命验证机，在21世纪40年代实现可重复使用／持久型高超声速飞机的技术成熟度水平达到 TRL6＋。但具体方案上并未透露任何信息。2016—2017年，美国空军对其高超声速飞机的发展路线又做了进一步细化和微调，其循序渐进、分步验证的基本思路没变，并明确了基本方案。

整体上看，2014年AFSAB对高超声速技术的评估结果可谓是高超声速飞机发展思路和方案选择上的转折点。正是基于这一评估结论，美国空军对高超声速飞机的发展思路和方案选择开始启动新一轮重大调整。

（一）发展思路和方案的调整

１、从发展思路上进一步明确了 “爬—走—跑”循序渐进的发展路径

2017年7月中旬，据美国空军部负责科学、技术与工程的代理副部长科林·塔克上校在AIAA推进与能源会议期间透露，披露美国空军将面向实战化目标着手制定首个高超声速武器装备谱系的发展路线图，美国高超声速飞机的发展不可能一蹴而就，将采取 “爬—走—跑”的渐进式路径。

据美国空军研究实验室2016年8月公开发布的名为 “高速作战系统支撑技术”（ETHOS）的调研公告透露，AFRL将在 2025年前将用于 ISR和打击的高速作战平台涉及的各项技术发展提升到技术成熟度6级，在2028年前完成可翻修后重复使用的高速作战系统验证机试飞，在2035年前完成可快速周转、不经翻修即可完全重复使用的验证机试飞。该公告明确指出，验证机将采取 “先机载发射、再水平起降”的思路分两步发展：一是利用载机从空中放飞，分离后利用火箭助推到高超声速，再利用吸气式动力巡航；二是采用组合发动机，实现在常规跑道上水平起降。

２、从方案选择上明确了高超声速飞机的第一步将为基于空射型 RBCC动力的 SR－72

在2017年7月的 AIAA推进与能源会议上，空军代理副部长科林·塔克虽然未透露美国高超声速飞机的具体方案，但明确排除了类XS－1这种火箭动力的高超声速平台，并指出，洛克希德·马丁公司的SR－72飞机将成为高超声速飞机发展的第一步。另据洛克希德·马丁公司负责预研的副总裁兼总经理罗伯·维斯在2017年6月召开的 AIAA航空2017论坛上透露，SR－72飞机将采用支板引射火箭发动机（Strutjet）形式 （“管道火箭＋双模态冲压发动机”）的 RBCC动力方案，这一方案也与ETHOS公告中提到的第一步验证机方案大体吻合（Strutjet RBCC不能支持零速启动，需要火箭助推）。

（二）发展思路和方案调整的原因分析

１、当前基于高速／现货涡轮的TBCC动力技术水平尚不够成熟，无法满

足快速形成高超声速飞机装备的需求

从技术角度看，影响美国当前对高超声速飞机发展思路和方案选择的主要因素是组合循环动力技术的成熟度水平。进入21世纪以来，美国一直以发展一型可跑道水平起降的高超声速飞机为最终目标，因此将TBCC动力作为其主要研究方向之一。21世纪前10年以验证基于高速涡轮发动机的TBCC组合动力为主，然而由于高速涡轮技术进展过于缓慢 （原计划2008年左右实现马赫数4的目标，但直到 2015年才完成了马赫数3.2的地面验证），2011年以来，在继续开展高速涡轮技术研究的同时，美国军方和工业界将发展重点转为基于现货涡轮的 TBCC动力方案（2011年 Aerojet公司曾公开了Trijet 这种组合动力方案即是基于这一需求）。然而在2014年8月，据美国空军科学顾问委员会（AFSAB）对高超声速技术的评估结论推断，当前基于现货涡轮的TBCC动力技术水平尚不足以支撑美国在2035年实现研制和部署水平起降型的高超声速飞机。

值得关注的是，DARPA在2016年提出了 “先进全速域发动机”（AFRE）项目，旨在研发和地面验证一种能够在马赫数0～5＋范围内无缝工作的可重复使用、碳氢燃料、全尺寸涡轮基组合循环（TBCC）发动机，以支撑高超声速ISR飞机。目前空军并未参与到该项目中。从DARPA战术技术办公室主任布莱德·图斯利 2017年7月提及该项目时的表态来看，AFRE项目在定位上仍然是一种预研特点比较显著的技术验证项目，技术验证成功后才会联合空军等用户进行技术转化，这也进一步表明基于现货涡轮的 TBCC动力方案当前并不成熟，基于TBCC的水平起降型高超声速飞机仍是一种远期才有可能实现的方案。

２、对 Strutjet RBCC动力方案具有长期的技术储备，技术发展相对成熟，可满足装备着需

早在1995年，美国Aerojet公司就曾针对单级入轨（SSTO）任务，提出了 Strutjet构型的RBCC发动机方案。以该构型为基础，美国空军、NASA和 Aerojet公司针对马赫数0～8条件下的发动机各种工作模态的性能及状况开展了大量的理论计算和试验研究，评估表明，Strutjet发动机技术已趋于成熟，具备应用于各种飞行器完成多种飞行任务的能力。

在适用于水平起降的基于高速／现货涡轮的 TBCC动力技术尚不成熟的背景下，为加快形成装备、满足应对大国 “反介入／区域拒止”挑战的作战亟需，美国提出先发展空射型高超声速飞机的想法也是顺理成章。事实上，在“黑雨燕”项目下马之后的2009—2010年期间，美国空军研究实验室以及Astrox公司都提出过基于 “火箭 ＋吸气式动力”的空射型高超声速飞机方案。

综合以上分析认为，美国空军高超声速飞机将采用 “三步走”的发展路线。

（一）第一步（2016—2028年），发展空射型RBCC动力的高超声速飞机验证机

基于现有Strutjet RBCC等发展较为成熟的技术，快速研制出机载发射的、经翻修后可重复使用的高超声速飞机验证机，2028年前完成技术集成飞行验证。此后视军事需求的迫切程度，伺机转化成同型装备，满足作战急需。

（二）第二步 （2025—2035年），发展基于现货涡轮TBCC动力的高超声速飞机验证机

随着基于现货涡轮的TBCC组合动力（包括 AFRE项目验证的射流冷却型TBCC、Trijet等备选方案）技术的发展成熟，在空射型高超声速飞机的基础上，研制出可水平起降的、经翻修后重复使用的高超声速飞机验证机，2035年前完成技术集成飞行验证。此后视军事需求，转化形成同型装备。

（三）第三步（2035年—），发展基于高速涡轮tbcc动力的高超声速飞机验证机

随着基于高速涡轮的 TBCC组合动力（“高速涡轮 ＋双模冲压发动机”）技术的发展成熟，在现货涡轮TBCC动力的高超声速飞机的基础上，研制出可水平起降的、可快速周转、不经翻修即可完全重复使用的高超声速飞机验证机，完成技术集成飞行验证，并根据军事需求最终转化形成同型装备。

回顾美国高超声速飞机曲折的发展历程，可以看到，随着军事需求和技术发展状况的变化，其发展思路和方案选择也在不断地调整；在当前的技术水平情况下，美国提出 “爬—走—跑”发展路线更趋务实和稳妥。这一循序渐进式的发展路线，也是基于近15年来高超声速飞机相关技术发展实践，通过不断地修正和迭代过程形成的新认识。

自2014年底 “第三次抵消战略”实施以来，美国国防部高层曾多次明确表态要加快高超声速技术的实用化步伐。美国前10多年在高超声速技术领域经费投入的重心是高超声速导弹相关技术的验证，当前随着高超声速导弹即将进入工程研制阶段，美国也试图加快高超声速飞机的发展步伐，并把高超声速飞机具备工程研制条件的时间节点相对2014年规划提前了5年。总体来看，虽然美国空军当前已经调整了高超声速飞机发展路线和方案选择，基于相对成熟的动力技术方案作为第一步，但其发展规划的时间节点仍显得较为乐观，能否按期实现，取决于军事需求、技术发展、经费投入等多种因素，需要保持持续跟踪和观察。

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