航天科工集团刘兴洲-高超声速技术研究和发展

高超声速技术高超声速技术研究和发展研究和发展刘兴洲航天科工集团三十一所200807内容内容1.前言2.国外超燃冲压发动机技术的发展3.超燃冲压发动机关键技术4.国内超燃冲压发动机研究工作5.发展目标6.结束语z随着技术的发展，特别是信息时代的需要，要求实时到达，要求发展高超声速飞行器；z目前高超声速飞行器技术受到日益重视。1前言z吸气式高超声速飞行器技术指的是用于飞行速度Ma＞5，在大气层和跨大气层中实现高超声速远程巡航飞行的飞行器技术(简称高超声速技术)。高超声速技术主要是发展空天飞机、高超声速飞机、高超声速无人飞行器等新式飞行器。z（1）在科学技术上，高超声速技术是当代科学技术发展前沿。它要突破热障，在大气层中实现高超声速巡航飞行，它将改变航空航天飞行面貌，它是航空史上的第三次革命；高超声速飞行具有重要意义:z（2）在经济上，高超声速武器将提z高作战的实效性。使用空天飞机，将降低到达地球低轨道的有效载荷发射费用，可从航天飞机的每公斤有效载荷一万美元，RLV的每公斤有效载荷一千美元，降到使用空天飞机的每磅一百美元，是解决人类进一步开发太空资源的重要手段，使空间开发更为现实；同时，提高了安全性和可靠性。z（3）在军事上，可研制成空天飞机，高超声速飞机，高超声速武器，高超声速武器的出现，必将给未来战争带来一些重大变化，是武器装备实现跨越式发展新的生长点。高超声速飞行器关键技术高超声速飞行器关键技术z1.超燃冲压发动机技术；z2.内外流一体化气动设计技术；z3.材料/结构与热防护技术;z4.导弹总体一体化设计技术;z5.制导控制技术等.z本文主要讨论超燃冲压发动机技术的研究和发展。2.2.美国超燃冲压发动机发展情况美国超燃冲压发动机发展情况鉴于高超声速技术的重要性,美国,俄罗斯,法国,日本,德国,澳大利亚,印度均积极发展超燃冲压发动机技术,下面仅对美国情况作简要介绍.z2.1HRE计划z超燃冲压发动机的初期发展阶段（1965-1975）z美国超燃冲压发动机研究始于20世纪60年代。在1960年，Ferri教授提出了超燃冲压发动机概念，设计了第一个超燃冲压发动机，在1963年进行了自由射流试验。z高超声速研究发动机（HypersonicResearchEngine-HRE）是美国为验证高超声速冲压发动机在Ma=3－8的内推力性能设计的。zMa=4－6时为亚燃，Ma=6－7时从亚燃过渡到超燃，Ma=8为全超燃。采用分级燃料喷注器完成模态转换。整流罩前缘直径为457mm，长约2.4m，燃烧室为园形燃烧室。z用于做HRE飞行试验的飞机为X-15A2，zX-15从B-52飞机上发射，X-15创造了有人驾驶高空高速飞行的记录，速度达到2330m/s（Ma6.7），高度达107960m。z1967年10月3日在携带可抛贮箱及有烧蚀防护层的情况下，以飞行速度Ma=6-7进行的，由于激波交叉的原因，飞机与发动机挂架发生结构性损坏，在飞机着陆时，HRE模型从机身下方脱落，带飞试验没有成功。z1968年1月，X-15计划中止，因而也终止了HRE飞行试验。z在X-15计划取消以后，HRE计划继续进行了地面试验项目.z以上工作证实了超燃冲压发动机的性能、可操作性、结构和控制，在地面上取得了原理性的突破。在进行这些工作以后，HRE更加具备了飞行条件，但美国认为HRE的安装特性不好，把飞行试验计划搁置了，美国失去了超燃冲压发动机通过飞行试验验证的宝贵机会。z2.2NASP计划z1986年2月4日美国宣布推行NASP计划，z研究水平起降，单级入轨的研究机X-30。NASP计划目的是发展可完全重复使用、单级入轨、水平起降、超燃冲压发动机推进的空天飞机。z主要技术问题有：z（1）确定在高马赫数的高超声速冲压发动机特性；z（2）确定空天飞机飞行时，由层流附面层转换为紊流附面层的转捩点；z（3）保证空天飞机高超声速飞行时的稳定性和可操作性。z高超声速冲压发动机zNASP最重要的研究内容是发展从超声速到高超声速飞行工作的超燃冲压发动机，开始是进行发动机模型研究，使用1/7缩比的超声速燃烧冲压发动机。研究了多种模型,如GBL模型,A—C模型,SX-20模型,SXPE和CDE模型,MIMI模型等.z以上试验验证了发动机流路设计方法，验证了几何尺寸，动压，试车台气体成分，粘性效应，附面层厚度的影响。zMIMI（Module-To-Module)模型是几个相邻的模块构成，用以确定模块之间工作的相互影响.至此，模型试验已接近全部完成。zNASP计划的结束z1994年NASP计划宣布结束，主要原因有：z经费困难，拨款连年减少；z技术难度大，工作进展慢；zNASA与国会意见分歧。zNASP的发动机模型完成了1500次试验；z发展了超燃发动机设计方法；z发展了试验设备和测试技术；z建立了数据库；z研究了新材料和热结构。zNASP的工作为超燃发动机的发展开辟了道路。，NASA和国防部自60年代起就开始研究，试图找到一种经济上可承受的，运行方便的，可对空间有互动响应的发射系统，尽管在发展过程中有曲折，但是NASA和国防部仍然坚信高超声速技术的潜力，能够提供廉价，快速响应,可重复使用的手段进入空间，满足美国2020年以后发射的需求。在NAI倡议中，勾画了空间技术的发展蓝图。2.32.3演示验证阶段演示验证阶段HyperHyper--XX计划计划z美国目前在执行先进的空间运输计划（ASTP），目标是发展可重复使用的第三代空间运输系统，将使费用降低100倍，安全性提高10000倍。达到这一目标的主要手段就是使用高超声速吸气式及其组合动力装置，重点研究超燃冲压发动机。美国制定了Hyper-X飞行演示计划，包括X-43A、B、C、D。这一计划的执行将为高超声速巡航导弹，高超声速飞机，空天飞机的发展创造条件。zHyper-X计划目的是z1)验证试验技术;z2)验证计算方法和设计分析工具；z3)验证使用氢燃料和炭氢燃料超燃冲压发动机的飞行器技术；z4)验证使用组合循环发动机的飞行器技术。z设计指标是：z1)长度：3.6m；z2）宽度：1.5m；z3）飞行速度：Ma=7~10；z4）飞行高度：Ma=7，H=29000m；zMa=10，H=33000~36000m。2.3.1X-43A概况zX-43A超燃冲压发动机在NASP计划的基础上进行,最后形成HXEM模型。z1995.5完成X-43概念设计;z1996.10完成初步设计;z1999.10X-43交付给DFRC。zX-43A飞行试验的目标是：z1）采集飞行试验数据，以证明一体化、使用氢燃料、双模态的超燃冲压发动机的性能和可操作性。z2）演示有控制动力和无控制动力的高超声速飞行器的飞行。z3）通过飞行试验可以积累高超声速飞行器的设计经验，降低飞行试验风险，可以验证和改进设计方法。X-43A发动机在地面进行了大量试验，取得了多项世界第一：z1）全一体化超燃发动机模型在风洞上的试验；z2）双模态超燃发动机飞行控制；z3）偏航效应对发动机性能和气动干扰影响；z4）使用烧蚀材料的前体和喷管表面；z5）发动机试验验证技术。zX-43用飞马座加速火箭助推，火箭吊挂在DFRC的B-52飞机翼下，高空投放；z用助推火箭加速至试验条件（Ma=7或10），助推器与X-43分离；z在分离后，X-43飞行器将开始短时间的无动力飞行阶段，为有动力飞行试验程序作准备，然后点火工作。2.3.2X-43A在Ma7的飞行试验zX-43A飞行器在2001年6月2日在太平洋发射，高度7300米，在飞马座助推火箭与B-52飞机分离后，在分离13s后助推器偏离可控轨道，右尾翼破坏，1s后，左尾翼和舵面破坏。在分离48.5s后，飞行控制员将飞行器摧毁，首次试飞失败。2002年3月28日，美国指出失败原因在于气动和控制模型不准确。z针对失败，美国进行了改进：z1)发展了更准确的飞行器气动、结构、尾翼作动器系统模型；z2)研制了新的尾翼作动器；z3)减少助推器重量，降低了飞行器承受的动压和载荷。2004年3月27日美国B－52在12000米高空投放了飞马座携带的x-43A验证机；在分离5s后，助推器点火；火箭爬升到28500米，X－43A分离，超燃冲压发动机起动，依靠自身动力爬升，最高速度达Ma=7.0熄火后，可控下降，飞行8min,取得大量气动数据。飞行试验取得成功。被称为是“莱特兄弟首次飞行以来，航空技术的最大突破”，标志着高超声速技术即将得到应用，高超声速武器将成为世界军事热点。2.3.3X2.3.3X－－43A43A在在Ma10Ma10飞行试验飞行试验z2004年11月16日，X－43A由B-52B携带z升空，在12000m高空分离，飞马座助推火箭将X-43A推至大约33800m高空；zX-43A与火箭分离2.5s后，开启进气道门，0.5s后，超燃冲压发动机点火，发动机持续工作10－12s，速度达到Ma=9.8；z为验证无燃料的特性，发动机吸入空气，工作8－9s，在分离后的21s关闭进气道。然后发动机以接近等动压下降，以测量气动数据，在分离14min后，坠入太平洋。zX－43A的Ma＝10飞行试验的特点：z1)在地面上只进行了工作时间5ms的激波风洞试验，为更高Ma数的发展提供了经验；z2)飞行器产生了有效推力，达到了推阻平衡；z3)验证了气动力热，駐点温度达3310K，头部表面温度达2255K;z4)垂尾改为增强碳/碳材料前缘，并增加了涂层；z5)加大了头部钝度，减轻了头部脱体激波加热；进气道唇口冷却。z这一次飞行试验又一次打破了世界记录.z美国Hyper-X计划目前分为两个阶段，在状态Ⅰ(PhaseⅠ)阶段有四个步骤：zX-43A气氢SCRAMJET与机体一体化飞行演示试验，M=7，10；zX-43B碳氢燃料RBCC与机体一体化飞行演示试验，M=7；zX-43C碳氢燃料SCRAMJET与机体一体化演示试验，M=7；zX-43D氢SCRAMJET与机体一体化飞行演示试验，M=15。2.3.4Hyper-X计划项目(1)X-43C:X-43C是NASA和空军联合发展的。飞行器长16英尺，装备三模块冲压发动机。使用碳氢燃料超燃冲压发动机，并用燃料冷却。飞行器被加速到马赫5，超燃冲压发动机启动，然后自行加速到马赫7。飞行持续5分钟，演示验证飞行性能。该计划的实现将为发展高超声速巡航导弹创造条件。美国空军于2004年1月13日与P&W和Boeing签订了合同,发展吸热式炭氢燃料超燃冲压发动机演示器X-51，计划2008进行飞行试验。U.S.EndothermicU.S.Endothermic--FueledXFueledX--51(51(SED)SED)FlightFlightDemonstrator(2003Demonstrator(2003--08)08)X-1演示发动机特指SJX61-1(原SED)首次实验的M数是52006年10月到2007年4月在NASALangley的2.4米高温风洞中对X-1进行了成功的试验M4.5,5,6.5Boeing设计了全尺寸飞行器前体/进气道和喷管一体结构。具有数字式发动机控制系统，包括操控复杂的燃料分配与调整，燃料冷却全闭路循环等特色。GDE-1（June2003)X-1(Nov.2006)q=100Kpa,风洞直径一米X-51A计划主要目的1）利用吸热碳氢燃料进行超燃冲压发动机M4.5+－M6+飞行试验；2）演示吸热碳氢燃料超燃冲压发动机在飞行过程中的生存能力，并证明自由飞超燃冲压发动机飞行器的生存能力；3）最终演示超燃冲压发动机与高超声速飞行的组合,验证产生的推力从起动到加速的全过程能够大于阻力。X-51A试验1）在地面试验中，模拟不同的真实的飞行条件下进行试验：包括飞行M数连续变化，飞行时间，纯净空气（污染空气的影响），热负荷，装载发动机时飞行器的性能。2）获取具有主动冷却，自主控制的超燃冲压发动机飞行试验数据。3）Pratt&WhitneyRocketdyne超燃冲压发动机成功地实现X-51A的第一次模拟飞行试验。演示了超燃冲压发动机