高超声速的关键技术.docx

高超声速的关键技术 高超声速飞行器的设计和制造是相当复杂的系统工程，需要解决许多技术上的问题，工程投资也是相当高的只有那些既拥有先进的航空技术，又掌握了尖端的航天技术的工业大国，才有可能发展这类飞行器但即使是资金雄厚、科技发达的国家，在研制高超声速飞机时，也面临着巨大的挑战不言而喻，只有新技术的支撑，才有可能突破研制中的各种“瓶颈”，使高超声速成为现实 关键技术之一——高低速兼顾的气动外形 为了实现大M数飞行，必须为高超声速飞机选择一种飞行阻力较低、强度较高、抗高温特性较好的气动布局轴对称的弹头体的激波阻力相当小，导弹、炮弹、炸弹大都采用这种理想的外形但用在高超声速飞行机上则不行，因为它以一定迎角飞行时的升力太小，低速特性太差，无法满足水平起降的要求对于空天飞机之类的高超声速飞行器来说，不论你飞得多高、多快，总要返回地面如果在起飞或着陆时升力不足，滑跑速度将会很大，滑跑距离势必会拉得很长，飞机就难以控制因此，在研制高超声速飞机时，不能只考虑高速，还应该兼顾低速 如何才能缓解高低速之间的矛盾，设计出既有利于大M数飞行，也有助于以较低速度起降的外形呢?经过大量的实验研究，目前多数方案都采用机翼为小展弦比、大后掠角的三角翼、双三角翼或边条翼的无尾式气动布局，如美国与苏联的航天飞机，美国的X-30、X-33、X-34高超声速研究机方案等。

有些方案则选择了升力体方案，如美国的X-20、X-23、X-24A、X-24B、X-35系列研究机方案等通过研究试验证明：升力体在再入大气层时，能够进行机动飞行；载人升力体在低速飞行时能被有效控制；而全尺寸高超声速升力体能在跑道上着陆 这两类布局方案各有优缺点，相对而言，三角翼和边条翼能更好地满足飞机对起降和机动飞行的要求，但它们的机翼比较薄，在高超声速和1000多摄氏度的环境条件下，要承受很大的动压和极高的温度，其结构强度问题、散热降温问题不好解决而升力体的形状短粗，气动外形介于弹头体和带翼飞行器之间，从结构的角度讲，它对付高温、高压、高过载比较容易 还有些高超声速空天飞机方案，采用了大后掠角三角翼与升力体方案相结合的布局，以便吸收两者的优点，使飞机的高低速飞行特性和抗高温性能得以兼顾 关键技术之二——优异的防热材料 空天飞机等高超声速飞行器要面对的另一难关是，由气动加热而引起的高温问题理论计算表明，如果飞机在同温层飞行(该高度层的大气温度约为零下56摄氏度)，飞机的速度达到M数6的高超声速时，机头温度将升至1360摄氏度；而弹道导弹或宇宙飞船以M数10以上的速度再入大气层时，它们头部的表面温度高达2000～3000摄氏度。

高温给飞行器的结构设计和人员的防护等带来了一系列必须解决的问题人所能忍受的最大环境温度也就是四五十摄氏度：机载电子设备、塑料、橡胶、有机玻璃等所能承受的“高温”不过100摄氏度左右：用于制造机体主要结构的铝合金的极限温度大约为250摄氏度；当温度超过450摄氏度时，钢材的强度就会大大减弱；钛合金的极限温度较高，但也不超过650摄氏度左右 显然，在高超声速飞机上采用常规的结构和常规的设计方法是行不通的，必须采取特殊的措施例如，为了保护飞行员及机内设备，要在机体表面与机舱之问，加装隔热层；为了保护座舱玻璃，在作大M数飞行时，驾驶舱须缩入机体内，或在座舱玻璃的外面加盖上一层防护板 在高超声速状态下，飞行器的各部位的表面温度是不一样的：尖端处的气动加热最严重，如机头、机翼、尾翼的前缘等，温度可高达1000多摄氏度，必须选用特殊的材料(如碳化矽纤维复合材料等)，并采取必要的降温措施；而机身中部、部尾，机翼前缘之后的上、下表面，温度则相对较低，可采用不锈钢、钛合金、高速固化钛硼合金等耐高温特性好的材料制造 目前，抗高温性能最好的材料当属陶瓷美国的航天飞机和部分水平起降的空天飞机方案，都在机体表面敷上了一层二氧化矽隔热陶瓷瓦。

但陶瓷的强度和韧性较差，重量偏高，加工性也不好，解决的办法是发展陶瓷基复合材料国外研制出的一种纤维增强陶瓷基复合材料，不但在高温条件下具有良好的强度和刚度，其韧性也与金属相当，可加工成适用于机体和发动机的耐高温部件类似的非金属材料，如新型的反应烧结氮化硅材料的耐高温性能也很突出，可用于生产空天飞机的机翼前缘金属基复合材料亦有相当好的应用前景，像钛基复合材料已可承受700摄氏度以上的高温，是设计制造高超声速飞行器的蒙皮、翼肋、框架和发动机部件的理想材料 可以预言未来的高超声速飞行器将会广泛采用各种不同用途的复合材料和新型的超耐热合金 对付气动加热问题的另一种途径是采取降温措施，使机内及体表温度不会达到或超过临界值一般可用水或专用冷却液来冷却飞行器的机头、机翼前缘内表面也可用煤油、液氢、甲烷等燃料或助燃剂给机体结构降温后者可谓一举两得，既达到了防热的目的，又给将要喷入发动机的燃料进行了预热，使之雾化得更好，导致发动机的工作效率更高而采用冷却降温的办法虽可获得良好的效果，但夹层式或管道式的系统过于复杂、结构重量较大而且会带来可靠性和安全性方面的问题 如果飞行器作高超声速飞行的时间不长(如再入大气层的返回式卫星、宇宙飞船等)，则可采取比较简单的消熔吸热的方法，即用石墨、某些特殊的塑料等容易吸热的材料制作飞行器的保护层。

在高温情况下，依靠燃烧、熔化、蒸发这些表面材料来吸收热量达到防热降温的目的其原理与人和某些高等动物靠体表出汗来散热是类似的消熔吸热法的优点是结构比较简单，但缺点是使用时间短，不适合长时间作高超声速飞行，而且每次飞行后都要更换机头罩和机翼前缘 关键技术之三——乘波飞行 如同鱼儿离不开水一样，飞机的飞行也离不开空气部分高超声速飞机虽然可以飞抵近地轨道，但它们在天地之间往返时，大部分时间仍要与大气层打交道：依靠机体与空气间产生的升力托举飞行器保持平飞或升降；从大气中吸入航空发动机燃烧工作时所必需的氧气；克服气动阻力和气动加热带来的问题等等 一般来说，超声速飞行器在大气层中的运动速度越大，单位时间内消耗的燃料就越多经济性就越差在超声速状态下对飞机性能影响最大的是激波及激波阻力我们知道，空气具有可以压缩的物理特性，当飞行器以跨声速或超声速飞行时，空气就会因突然被压缩而形成激波其形状与快艇在水面上航行时，船头犁开的两条波浪一样只不过激波用肉眼是难以看到的 激波的产生，给飞行器设计带来了许多问题因此，工程技术人员一直都在想办法尽量延迟激波的出现，或采取措施减轻激波对飞机的干扰。

后掠翼、三角翼、变后掠翼、超临界翼型、面积律设计、二元和三元可调式进气道等技术都是针对这一问题而发明的 然而，激波真的是有百害而无一利吗?实践证明并非如此 (1)神奇的腹部楔形进气道 上个世纪50年代末，美国洛克韦尔公司在为美国空军研制B-70超声速战略轰炸机时，发现了一个有趣的现象：某些构形的飞行器能利用激波得到附加的升力从而使飞行器的超声速巡航升阻比大幅度提高 该公司的设计师们将发动机舱和一个巨大的楔形进气道置于B-70的机腹当飞机以M数3的速度巡航时由楔形进气道顶端发出的激波，集中作用于机翼的下表面由于气流经过激波受到压缩其压强、密度等突跃地升高，使机翼下表面的压力骤然增大而它的上表面却没有相应的压力与之平衡，于是就产生了额外的升力这一新增加的升力被称为“压缩升力”或“激波升力”其值约为总升力的30％左右 激波升力形成时，并不伴随着相应的附加阻力，所以，在一定的M数范围内，飞机的升阻特性可有明显改善，使超声速巡航时的经济性得以擢升从另一个角度讲如果采用该项新技术高超声速飞机可造得更轻、更小目前，有不少的空天飞机方案，就选择了将楔形进气道与升力体组合在一起的布局，以构成升阻比大、强度特性好、抗高温能力强的外形。

为了扩大激波的有利干扰区域，使飞行器的超声速巡航升阻比进一步提高，近年来，国外的研究人员又探索了一些新的途径伞形翼理论就是其中之一 (2)伞形翼飞机 20世纪80年代初，美国洛克希德公司提出了一种超声速巡航战斗机方案该机采用无尾式气动布局，其前机身细尖，后机身偏平并装有二元喷口与常规飞机不同的是它的机翼没有安装在机身上，而是高于机身，两者之间用一块垂直的撑板连接，一眼望去，尤如在机身上方张着把大伞因而，人们将其称之为伞形翼 从上往下看，该机的机翼平面形状就像半个圆盘它分为三个翼段内翼段是平直的翼面的前缘呈圆弧状；中翼段带下反角，其前缘也是圆弧形的；外翼段则为平直三角形这样的设计，可兼顾飞机的高、低速飞行特性在特定的M数情况下(马赫数4～5时)从机头发出的圆锥激波将到达机翼的前缘下方与其他外形的机翼相比，这种伞形翼与圆锥激波之间有更大的接触面积，从而扩展了机翼的受益范围 美国波音公司设计的高超声速伞形翼战斗机方案亦颇具特色：其机翼前缘后掠角是连续变化的，好像一把弯刀，至翼尖处，后掠角逐渐减小，而且翼面略向下垂这种外形是经过精心选择的，可获得良好的气动效果。

该机的巡航M数大约为5左右当它以这一速度飞行时，从机头发出的激波刚好打在机翼前缘下表面，形成有利的气动干扰，使全机的超声速升阻比得到提高作战机动性明显改善此时，飞机就如同是在乘着激波飞行一样有人形象地把这类利用激波的能量提高升力的飞机，称为“乘波飞机” (3)弓形翼飞机 伞形翼飞机在利用激波增升方面，无疑比腹部楔形进气道布局前进了一大步不过，由于此种飞行器的机头离机翼前缘较远，它们只有在特定的M数条件下才能获得最佳的收益伞形翼是靠垂直支撑板与机身相连的，在结构强度上很难保证 为克服上述缺点，科学家们又推出了一个更为奇特的布局方案，这就是弓形翼飞机这种飞机的后掠翼像飞鸟的翅膀一样呈弓形向上拱起，两台喷气发动机吊在翼下发动机进气口的中心有一个非常尖锐的激波调节锥 可调式进气道激波锥的作用有两个：一是自动调节发动机的进气，以保证动力装置在各种M数情况下都能正常工作；二是在一定的M数范围内，将调节锥发出的激波引导到机翼前缘下方弓形翼是按照扩大机翼与圆锥激波的接触面的原则设计的，发动机进气道唇口与机翼前缘之间的位置也是经过精心选择的因此，在较宽的M数范围内，它所获得的激波升力增量要比伞形翼还大。

当然弓形翼也有缺点，例如，其构型设计和生产工艺都比较复杂，襟翼、副翼及操纵系统的安装也不像普通机翼那样方便等 从国外公布的各种方案看，目前研制中的高超声速飞行器，大部分都应用了激波升力原理最大巡航速度只达到高超声速下限(M数5)的一些飞机方案，多采用激波升力大、效率高的伞形翼或弓形翼；而最大飞行M数超过10的航空航天飞行器，则往往采用与B-70轰炸机相类似的腹部进气方案，其机翼多为大后掠角三角翼某些空天飞机甚至选择无机翼的升力体后者的波阻较低，而且抗高温特性较好，但自身能提供的升力很小，因此，在作高超声速飞行时，激波升力所占比例就相对较大 对乘波飞机的研究，目前还处于起步阶段，许多技术难点也有待于解决，但其令人振奋的实验结果，已为我们展示了一个迷人的前景估计经过设计师们的努力到21世纪中叶采用伞形翼或弓形翼的高超声速乘波飞行器将会飞上蓝天 关键技术之四——利用“黑障”隐身 人类在发展航空与航天事业的过程中，曾经遇到过许多难题和技术障碍其中最著名的就要算“音障”、“热障”与“黑障”三大问题了这三者之间是有一定关联的，但解决起来一个比一个难。