詳解美澳馬赫數7+乘波體高超聲速飛行試驗

本文由海鷹資訊（ID:hiwing_news）授權轉載，作者：張燦 胡冬冬

據美國《航空周刊》透露，2017年7月，美國和澳大利亞合作的高超聲速國際飛行研究試驗（Hypersonic International Flight Research Experimentation, HIFiRE）項目在武麥拉靶場完成了一次飛行試驗。此次飛行試驗編號為HIFiRE 4，是HIFiRE項目9次飛行試驗中的第8次。試驗中採取的乘波體飛行器飛行速度達到Ma 7以上。雖然本次試驗總體上取得成功，但助推火箭攜帶的兩架試飛器中有一架在分離后很快與地面失去聯繫，未能按計劃完成其預定飛行任務。

圖1 HIFiRE 4助推火箭點火瞬間

1.HIFiRE項目背景

HIFiRE項目是美澳合作開展的一項高超聲速基礎技術研究計劃，由美國空軍研究實驗室（AFRL）和澳大利亞國防科學技術組織（DSTO）共同牽頭，波音公司、昆士蘭大學、BAE系統公司、德國DLR等參與。該計劃於2006 年11 月10 日正式啟動，迄今已實施10餘年。

HIFiRE 項目主要通過開展低成本的飛行試驗來研究基本的高超聲速現象，開發並驗證用於下一代高超聲速系統的基礎技術。研究的技術領域涵蓋推進、氣動力、氣動熱、耐高溫度材料和結構、熱管理策略、制導、導航與控制、感測器和武器系統部件。HIFiRE項目研究成果將有助於完善航空航天飛行器的設計資料庫，同時加快提升全球快速打擊和快速響應空間進入能力所需的關鍵技術成熟度。

圖2 HIFiRE計劃試驗安排及彈道示意圖

2.HIFiRE 4基本情況

飛行器基本方案

與以往幾次飛行試驗不同的是，HIFiRE 4試驗共有兩個乘波體試飛器，均搭載VSB-30兩級探空火箭進行發射。兩架試飛器以背靠背的方式安裝在VSB-30火箭頭部直徑750mm的整流罩內。如圖3所示。

圖3 兩架HIFiRE-4試飛器以背靠背的方式安裝在VSB-30火箭頭部的整流罩內

圖4 HIFiRE 4試飛器三視圖（採用吻切錐乘波外形）

試飛器長約2.1米，質量約100千克，採用了吻切錐乘波體構型，如圖4所示。試飛器上表面附有圓柱型機身以裝載子系統，乘波體機翼的弦外部分截短以適應載荷遮板內部空間。垂直穩定翼安裝在截短的翼尖上來保持水平穩定，同時使乘波體壓力水平保持在機翼下表面上。兩架試飛器在大氣層外均採用低溫氣體推進器進行機動控制，再入大氣層時轉為使用升降舵進行大氣層內控制。此階段採用了不同的控制演算法，分別由波音公司和DSTO/BAE系統澳大利亞公司開發。HIFiRE 4試飛器總體布局如圖5所示。

圖5 HIFiRE 4試飛器等體積視圖（表示外部特徵）

試驗目標及需求

HIFiRE 4試驗從科學探索、試驗技術本身以及高超聲速飛行器系統的驗證等方面設定了一系列試驗需求，包括收集先進乘波體構型的氣動、穩定性和控制等方面的相關數據，開發和驗證高超聲速助推-滑翔飛行器的助推器分離和姿態控制解決方案，開發和驗證大氣層內外的飛行器控制等。HIFiRE 4是後續飛行試驗HIFiRE 8的前奏，後者將集成HIFiRE 4的機身以及HIFiRE 7的超燃衝壓發動機。

3.HIFiRE 4飛行試驗任務規劃及實際試驗情況

飛行試驗過程描述

HIFiRE 4飛行試驗的主要任務是演示大氣層外分離、高度控制和大氣層內高超聲速助推-滑翔飛行器的控制方案。試驗任務包括發射兩個試飛器，一個由波音公司研製，另一個由DSTO和BAE系統公司聯合研製。任務場景見圖6。火箭外筒穩定地旋轉，高度為100km時，yo-yo 旋轉降速系統展開，外筒旋轉速度降低。高度為120km時，釋放兩個飛行器。發射大約70s后大氣層外控制機動開始啟動。在此階段，使用相同的控制策略分別控制兩個飛行器。再入前，低溫氣體推進器通過滾轉、俯仰和偏航使飛行器改變方向。在從大氣層外到大氣層內控制的交接點，兩個飛行器攻角為25°，拉起過程中控制系統將在此高度修正飛行器，主要試驗在約28km高度處結束。隨後DSTO飛行器降落到武麥拉試驗靶場。而波音飛行器在28km高度開始次要試驗，飛行器將進行完整的拉起至水平飛行，持續控制使之以低亞音速，以較低地下降速度撞擊地面。

圖6 HIFiRE 4飛行任務示意圖（2011年計劃）

實際飛行試驗情況

HIFiRE 4 原計劃2012年10月開展飛行試驗。但由於技術、試驗靶場等方面的原因，導致進度延誤，直到2017年7月才完成飛行試驗，其中一架成功，另一架未實現試驗目標。

試驗中，兩架HIFiRE 4試飛器以背靠背的方式搭載在助推火箭的頭部。到達120km高度時，飛行器與助推火箭分離，繼續爬升至300km高度並隨後開始無動力滑翔。兩架飛行器結構相同，但採用了不同的飛行控制系統。按照計劃，兩架飛行器在100km高度再入大氣層時，都將執行一個飛行攻角為25°的拉起機動。在28km高度時，主要試驗完成。隨後DSTO和BAE研製的試飛器完成一些機動動作以提供額外的穩定性信息，而波音研製的試飛器拉起至水平飛行，最終以低速度和低下降率著陸。據《航空周刊》信息透露，試驗中有一架飛行器在與助推火箭分離后很快與地面失去聯繫，未能按照計劃完成其預定航程。但目前尚不清楚哪架飛行器成功完成了飛行試驗。

情報評述

據此次試驗的工業合作方BAE系統澳大利亞公司宣稱，HIFiRE 4是目前為止HIFiRE計劃系列飛行試驗中最複雜的一次。試驗完成後，美澳兩國政府均表示此次飛行試驗取得巨大成功。澳大利亞和美國目前正在制定下一階段飛行試驗計劃，計劃於2018年完成HIFiRE 8的試驗。

（1）根據兩家工業界參與方在試驗完成後的表態差異推斷，極有可能波音公司的試飛器失敗

本次試驗中搭載的兩架試飛器中有一架失敗。目前尚不清楚哪架飛行器成功完成了飛行試驗。美澳兩國政府均表示此次飛行試驗取得巨大成功，但是，從兩家工業界參與方的表態看，波音公司拒絕對此次試驗做出任何評論，而BAE系統澳大利亞公司則發表聲明，宣稱「很高興能夠對這次成功的飛行試驗給予支持」。從兩者的表態差異推測，很有可能失敗的那架飛行器是波音研製的。

（2）從此次HIFiRE 4試飛信息保密程度及與後續計劃的關聯推斷，此次試驗對美國當前開展的高超聲速武器演示驗證項目起著非常重要的支撐作用

整個HIFiRE計劃定位於高超聲速物理現象的研究和基礎技術的驗證，因此以往飛行試驗的報道透明度相對較高。但在本次試驗中，多家外媒表示HIFiRE 4是一次秘密的飛行試驗，對於飛行數據及技術細節鮮少提及。當前，美國空軍正在加緊推動兩型空射型高超聲速武器演示驗證項目——吸氣式高超聲速武器HAWC和助推滑翔高超聲速武器TBG，以實現2020年左右轉入武器工程研製階段，2025~2030年形成裝備。前期已通過X-51A、HTV-2以及HIFiRE計劃下的系列飛行試驗驗證了超燃衝壓發動機、發動機與機體一體化等關鍵技術。HIFiRE計劃作為連接高超聲速技術領域基礎科研與工程應用的橋樑，尤其此次試驗主要驗證飛行器控制並取得成功，標誌著其技術上取得了一定突破，高超聲速武器化不再僅僅停留在概念層面，而是朝著應用層面更近一步。

（3）從HIFiRE 4的飛行任務規劃及後續HIFiRE 8的方案推斷，採用「助推滑翔+超燃衝壓動力」的複合方案可能為後續美國高超聲速武器的潛在技術方案之一。

此次飛行試驗中，HIFiRE 4試飛器在再入大氣層降至28km時，其中一架試飛器執行拉起機動並保持一段水平飛行。在後續HIFiRE 8方案中，將在HIFiRE 4試飛器的基礎上再集成超燃衝壓發動機。雖然公開渠道顯示，目前美國高超聲速武器并行的主要有兩種方案——助推滑翔武器和吸氣聲動力方案，但結合6月20日雷聲公司先進導彈系統分佈副總裁披露的信息——美國當前除了公開的高超武器項目外，還有諸多保密的高超聲速武器研發項目。綜合上述幾條線索可以推測，採用「助推滑翔+超燃衝壓動力」的複合方案也有可能成為後續美國高超聲速武器的潛在技術方案之一。

「遠望智庫」聚焦前沿科技領域，著眼科技未來發展，圍繞軍民融合、科技創新、管理創新、科技安全、知識產權等主題，開展情報挖掘、發展戰略研究、規劃論證、評估評價、項目篩選，以及成果轉化等工作，為管理決策、產業規劃、企業發展、機構投資提供情報、諮詢、培訓等服務，為推動國家創新驅動發展和軍民融合深度發展提供智力支撐。