高超声速飞行器

高超声速飞行器引言高超声速飞行器一般是指飞行速度超过5倍音速的飞机、导弹、炮弹之类的有翼或无翼飞行器,具有较高的突防成功率和侦查效能,能大大扩展战场空间。高超声速飞行器潜在的巨大军事和经济价值使得当前世界各军事大国纷纷投巨资到该领域,成为21世纪世界航空航天事业发展的一个主要方向。近年来,各军事大国在推进技术、结构材料、空气动力和飞行控制等关键技术研究方面积累了丰富经验,对高超声速飞行器未来的发展奠定了基础。飞行器的发展历程类向往飞行的理想几乎伴随这整个人类的历史。最初，人们受到鸟类的启发而使用人造翅膀，但是发现这并不现实。经过一系列的探索，到了18世纪后期，人类发明了气球。1783年热气球首次载人升空。随后出现了飞艇。飞行器的发展并未就此停歇。1903年，由莱特兄弟制造的人类第一架飞机——飞行者1号，成功升空。至此人类迎来的飞机时代。随着新的技术、新材料的不断应用，人造飞行器的性能不断的提升。1783年，法国的蒙哥尔费兄弟制作了一个热气球。这只热气球升到518米高，在8分钟后落在了3.2千米外的农田里。估计其平均平飞速度仅为24Km/h“飞行者一号”是世界上第一架飞机。莱特兄弟一共制造了三架飞行者飞机。飞行者三号最好的飞行记录是38分钟飞行38.6千米。飞行速度约为61km/h，已具备实用性。但是其飞行时速仍然很低。自“飞行者一号”后，活塞式螺旋桨飞机历经多年发展，其性能迅速提升。但是活塞式螺旋桨存在着一个速度上限，其最大速度为785km/h。后来，喷气发动机的出现使飞机能够突破螺旋桨式飞机的速度上限，使飞机的机动性进一步提升。目前正在研制的高超声速飞行器高超声速巡航导弹高超声速飞机高超声速巡航导弹高超声速巡航导弹已成为远程精确打击的主力巡航导弹,目前正在向高速度、高精度、隐形化的方向发展。高超声速巡航导弹装有多燃料仓超燃烧冲压喷气发动机推进系统,采用易存储的液态碳氢燃料,甚至是纯液态氢,能在24km以上高空、以马赫数4～8的速度机动飞行,并能在6h内环绕地球一周,迅速打击地球上任意地点的目标图为美国正在研制的X-51高超声速巡航导弹。X-51长3.5m，射程为1000km，时速为5马赫。X-51由B－52轰炸机带到3.5万英尺的高空发射，然后加速到5马赫。法国的航空航天研究院和宇航-马特拉公司正在开展“普罗米修斯(Promethee)”计划。目的是研究碳氢燃料双模态超燃冲压发动机推进的高超声速空地导弹。该空射型导弹采用的是半椭圆外形的“南瓜子型”无翼乘波体方案,弹长6m,总发射质量为1700kg,航程大于1000km,最大速度可达8马赫。“普罗米修斯(Promethee)”计划印度正在研制一种可重复使用的高超声速巡航导弹系统,其飞行高度为30～40km,巡航速度为7马赫。除水平发射外,该导弹还设计成可垂直发射。冲压发动机先工作在亚燃模态,速度达到3马赫,然后转入超燃模态,加速到7马赫。德国高超声速导弹的主要性能指标为:飞行马赫数6.5,采用高能、高密度的吸热型碳氢燃料超燃冲压发动机,惯性加全球定位系统复合制导,射程为1000km左右,命中精度在15m以内,可从空中、水面或水下发射。高超声速飞机美国的“曙光女神”高超声速侦察机，又名“极光”,是SR-71“黑鸟”战略侦察机之后新一代战略侦察机。据推测,“曙光女神”侦察机全机长为32m,高为7m,全载重为83吨,其中三分之二以上是燃料,具有超大功率发动机和流线型机身,飞行高度40km以上,飞行速度为6马赫,甚至更快。“B-3”是美国第一种高超声速“B”式隐形战略轰炸机，是近年来开始研制的可带核弹、5倍音速的新一代远程隐形战略轰炸机。其在性能指标上,要求隐形、高超声速、远程飞行等能力更强,飞行高度大于30km,速度达到5～6马赫,航程大于11100km。高超声速飞行器具有如此优异的性能主要原因在于采用了革命性的动力系统.当马赫数高于3时由于进气道激波产生的压缩已经很强,不再需要压气机,而应当采用冲压发动机;而当马赫数达到6左右时,气流的总温已达1500K以上,传统的亚声速燃烧冲压发动机效率大大降低;而如果保持进入发动机的气流为超声速,在超声速气流中组织燃烧,发动机仍能有效地工作,这就是超声速燃烧冲压发动机.超燃冲压发动机在6马赫以上的性能远高于亚燃冲压发动机,它能工作到12～15马赫左右。动力系统由于超燃冲压发动机在低马赫数下无法有效工作,所以必须依靠其他推进装置将其送入接力点，当前的组合循环发动机主要有火箭基组合循环发动机和涡轮基组合循环发动机以及基于爆震的组合循环动力系统等。如X-51，由B－52轰炸机带到3.5万英尺的高空发射，先由火箭发动机加速，然后冲压发动机启动使速度达到5马赫冲压发动机是吸气式发动机的一种,它利用大气中的氧气作为全部或部分的氧化剂,利用结构部件产生激波来对高速气流进行压缩,实现气流减速与增压,此时喷管出口的气体速度要高于进气道入口的速度,因此就产生了向前的推力.冲压发动机结构示意图超燃冲压发动机主要由进气道、隔离段、燃烧室与尾喷管组成。超燃冲压发动机原理热防护高超声速飞行器在飞行过程与空气摩擦会产生高温。因此，热防护是保证飞行器稳定安全飞行的一个重要课题。•高超声速飞行器有两大类，一类是在稠密大气层中较长时间飞行的“高超声速巡航飞行器”•另一类是由火箭发动机发射到外层空间再返回地球的“再入航天器”•在高超声速飞行器研发过程中遇到的一大技术难题叫“热障”，它是飞行器飞行时由于激波和粘性的作用，其周围空气温度急剧升高(可达几千摄氏度)，形成严酷的气动加热环境。这是一般飞行器结构无法承受的。•为克服“热障”，设计飞行器的飞行轨道和气动外形，使其在不影响或少影响飞行器性能的情况下，尽可能降低进入飞行器的气动加热率(热流)。•以再入航天器为例。不同类型和用途的飞行器，其飞行轨道和气动外形有很大的不同：弹道式中远程导弹弹头，因其主要性能要求之一是以最快的速度命中敌方目标，于是采用小钝头细长形气动外形以减小阻力和速度损失。•返回式卫星或宇宙飞船，返回时间长短不是其主要性能指标，于是，采用小再入角飞行，缓慢减速的轨道以及大钝头体的飞行器外形以降低加热率从而形成低热流长时间的气动加热环境。•热沉(热汇)防热•辐射防热•发汗冷却防热•烧蚀防热。热防护的方法超高声速飞行器的研究现状超高声速飞行器被视为航空史上继发明飞机，突破音障，进入太空之后的一个里程碑。世界主要国家一直将其作为航空科技的最前沿阵地，给予全力支持。美，俄，法，德，日，印度等国家在新世纪以来陆续取得了技术上的突破，并相继进行了地面和飞行试验，这表明高超声速技术已经从概念和原理探索的基础阶段进入了以某种高超声速飞行器为应用背景的先期技术开发阶段。各国技术开发的主要应用目标，近期为高超声速巡航导弹，中期为高超声速飞机，远期为吸气式推进的跨大气层飞行器.