失败多于成功

刘桐林

当今的世界政治和军事格局正在发生巨大变化。为了适应未来的战争态势，美国的军事战略正在进行重大调整，逐步从威慑转向以打击能力为中心。快速打击“时间敏感目标”成了鲜明的主题。因此，多年沉寂的高超音速技术走到了前台，以军事打击为背景的研究，尤其是高超音速巡航导弹技术得到了长足的发展。

2014年新春伊始，美国一家媒体的一则报道引起轰动。该报道称，中国在2014年1月9日成功地进行了高超音速滑翔体分离试验（给出的代号是UW-14）。该媒体根据美国HTV-2两次飞行失败的弹道来推演中国试验的过程。出于政治需要，美、日等国不出所料地依旧大谈中国威胁论，进而攻击我方和平防御政策。中国国防部则在《中国日报》上发表声明称：“中方在境内按计划进行科学试验是正常的，这些试验不针对任何国家和特定目标。”中国在高超音速技术领域取得的初步成果使中国得以跻身于高超音速飞行器研制国家行列。

所谓“高超音速技术”（Hypersonic Technology）是特指以吸气式发动机或以其组合发动机为动力、在大气层内实现飞行速度大于5马赫的远程飞行器技术。它是诸多航空、航天高新技术学科的集合，有很强的前瞻性、综合性和带动性。其发展将对未来军事战略、作战样式、军事技术的发展产生巨大的推动作用，并对科学技术的发展产生深远影响。本专题试图以新的视角来剖析这一技术的过去、现在与将来，总结技术发展的经验教训。

高超音速技术早期的不懈探索

自法国人劳伦在1913年提出冲压发动机燃烧理论为超音速技术的发展打下了理论基础之后，该技术的发展已经经历了整整一个世纪。在这一个世纪里，法国人于1949年4月21日设计出第一台冲压发动机推进的有人驾驶飞行器。当这种飞行器由SE-161运输机背驼起飞时，冲压发动机应用的新纪元便正式拉开。第二次世界大战末期，纳粹德国向英国发射大量V-1“复仇者”导弹，它采用的脉动式喷气发动机为今天的吸气式发动机发展打下了坚实的技术基础。1947年10月14日，美国研制的X-1飞机首次突破音障，实现了超音速飞行。后来，美国又研制了SR-71超音速侦察机，飞行速度超过了3马赫。上世纪50年代初，美国人费里提出了超音速燃烧理论。从此，人们便开始了对高超音速技术长期艰苦的不懈追求。

然而，高超音速技术发展极不平坦。半个世纪以来，美国制定的高超音速技术发展计划多如牛毛，举不胜举，但都没有一个完整结局。它们不是中途夭折，就是改嫁、合并到其他计划中。可以说是喜忧参半，失败多于成功。

艰难的探索

20世纪50年代中期，超音速燃烧还多是概念研究，而且这些研究没有得到美国官方的支持，多由大学分散实施。初期研究的核心是高空、高速条件下超燃冲压发动机能否产生正的推力以及超燃冲压发动机所面临的技术障碍。这是相当长一段时间的工作重点。

研究分析了4～7马赫范围内超燃冲压发动机的有关性能，并指出当大于7马赫时其他类型动力装置遇到难以克服的困难，而超燃冲压发动机具有明显的潜在优越性。研究还证实了在6～8马赫速度范围内，超燃冲压发动机的某些性能超过了常规冲压发动机，特别是在高速飞行条件下更具优势。科研人员在以后的研究中便将注意力集中在超燃冲压发动机方面，而常规冲压发动机受到了冷落。

另外，当时科研人员对高超音速巡航飞行倍感兴趣，原因是超燃冲压发动机具备获得近地轨道速度的明显潜力。因此，单级入轨（SSTO）空天飞机的概念一直是高超音速技术半个世纪以来的发展重点。20世纪60年代初期，美国大大加强了对空间研究的投资力度，力图把氢燃料超燃冲压发动机集中在单级入轨概念空间试飞器上。美国空军则是这一方案的积极鼓吹者。

到20世纪60年代后期，美国已经开始制定高超音速技术小规模的发展计划。当时，通用应用科学实验室就制定过两个计划，它们分别是“飞行试验发动机概念”（IFTV）和“低速固定几何超燃冲压发动机”的研究计划，并获得空军的经费支持。前者于1965年开始。该计划采用捆绑式布局，4台氢燃料超燃冲压发动机位于试飞器的四周，负责将试飞器推到17千米高空。计划的目的是验证试飞器中超燃冲压发动机加速到1830米/秒的能力。然而在发动机模块地面试验中，发动机燃烧室与进气道存在很多问题，它们相互影响且难以克服。1967年该计划被取消，只在同年做过无动力飞行试验。

后一计划时间在1964—1968年间。这种发动机设计速度为3～12马赫，具备固定几何尺寸，但可随飞行速度的变化改变空气动力压缩比。该发动机采用了进气道-燃烧室一体化的三维空气动力学设计，并使用合适的燃料喷射和热压缩效应的方法。计划中多种发动机模块在7.4马赫的环境下进行过试验。

美国空军除了资助通用应用科学实验室试验发动机之外，还资助了许多超燃冲压发动机计划，如美国飞机研究实验室的可变几何超燃冲压发动机、通用电气公司部件一体化模型和马夸特公司的双模态超燃冲压发动机等。

试验取得的成果激发了更多人的研究兴趣，高超音速打击武器研究开始得到重视。美国从1961年开始进行以超燃冲压发动机为动力装置的导弹方案设计。最初的设计方案选定了非对称内燃式进气道。但这样的进气道对启动系统要求严格，不但增加了结构质量，而且增加了复杂性。美国认识到，对于一次性使用、且结构质量较轻的导弹武器来说，固定几何形状进气道更为合适。之后便出现了沿压缩流场的导弹流线表面分开的新一代进气道设计，并被后来的“超燃冲压发动机导弹”（SCRAM Supersonic Combustion Ramjet Missile）计划采用。

但SCRAM计划也存在许多设计缺陷，如：燃料易自燃，有剧毒；前弹体没有足够的空间放置直径254毫米的主动雷达导引头；整个系统需要被动冷却。其距离导弹武器的应用还有很大的差距。

1961—1978年间，SCRAM计划成功完成了用于舰队防御导弹的设计，提出了模块化进气道-燃烧室-喷管构型的概念，设计了Busemann进气道；开发了设计和分析技术；对各种部件进行了验证试验。完成了各部件组装的发动机在5～7.2马赫状态下进行的自由射流试验清楚地表明，液体燃料超燃冲压发动机具备实用性。虽然SCRAM取得了很大成功，但当时的技术水平限制了它作为导弹武器的应用前景，再加上许多政治因素，美国于1978年结束了长达18年的SCRAM研究计划。endprint

20世纪60年代早期研究表明，高超音速吸气式推进系统有很大的提升潜力。这个系统使用的燃料可以兼作冷却剂。1964年NASA正式推出了“高超音速研究用发动机”（HRE Hypersonic Research Engine ）计划，目的在于实现应用，加快大气层内高超音速飞行器使用吸气式推进技术的发展进程。HRE主要研究目标是验证超燃冲压发动机在4～8马赫时的推力性能，为基础理论与发动机部件研究寻找应用对象。

HRE试飞器为X-15试验机，由NASA和美国空军、海军以及北美航空公司联合开展。这种飞机大约试验飞行了10年左右时间，总共进行了199次飞行，首次无动力滑翔飞行在1959年6月8日，最后一次飞行时间为1968年10月24日。其非正式世界纪录为最快飞行速度6.7马赫，最大飞行高度为108千米。这个项目的研究成果对“水星”飞船、“双子星”飞船以及“阿波罗”载人飞船和航天飞机项目的开发提供了巨大支持。

X-15由于经费紧张，于1963年1月终止飞行。HRE计划也因无法再用X-15进行飞行试验，故不得不对试验内容进行重新调整，发动机模型的地面试验成为HRE项目的关键。调整后的项目目标变为：首先完成研究用发动机的全尺寸、水冷、氢燃气动热力一体化模型（AIM）的气动热力设计及试验，以便验证发动机性能；其次通过研究用发动机的全尺寸氢冷却结构装配模型（SAM）试验，完成全尺寸发动机的结构设计与评估。

AIM是一个大型完整的发动机试验计划，主要目的是确定整个发动机在5～7马赫的推力性能。试验的另一个目标是确定在这种外型下进气道与燃料室的相互干扰极限。在SAM进行了55次循环试验、AIM进行了第52次试验之后，HRE计划于1979年4月22日终止了。

在总结了以往留下的经验成果和教训后，美国认为，在上世纪70年代前，冲压发动机在飞行器上的配置都是外挂式的，助推器也多不分离，飞行马赫数多在2.0～2.5之间。这种布局限制了导弹的射程、速度和机动能力，同时，几何尺寸和发射质量过大也严重影响着冲压发动机在飞行器上的应用前景。

从20世纪70年代开始，美国就开始制定诸如“乌鸦座”一类的整体式冲压发动机研究计划。此类发动机在助推段起到火箭发动机的作用，只有在助推器燃烧完后，它才作为冲压发动机来使用。这样的设计大大减小了发动机的几何尺寸和发射质量，也简化系统的结构。美国空军为了发展战略防御系统，制定了“先进战略空射导弹”（ASALM）研制计划。它是一种远程、整体式亚燃冲压发动机推进的超音速战略巡航导弹，有空对空和空对地两种作战能力。导弹采用了下颔式进气道，弹体保持流线型气动外形，在减小气动阻力的同时，也减低了雷达散射截面。这种进气道既能满足了冲压发动机本身的吸气流量要求，又有助于提高发动机在导弹内部结构布局上与其他分系统的相兼容性，从而解决了中心锥式进气道与弹内其他分系统的不协调性问题。这种奇特的布局即使在今天仍不失其应用的价值。ASALM原计划在1983年转入全尺寸工程研究，1986年投产，80年代末初步具备作战能力。但在1980年左右计划被撤销，ASALM改为对付SUWACS飞机技术计划，继续进行基础性研究。

在这一时期，苏联的高超音速技术研究也一直处于领先水平，只是由于保密原因，外界公开的信息很少。苏联在超音速技术领域独占鳌头，其研制的几型超音速导弹已经先后服役装备。至今世界在役的超音速飞航导弹只有4种，其中3型就来自苏联（SS-N-22“白蛉”、SS-N-26“宝石”、AS-17/Kh-31“氪”），另一种则是法国ASMP“中程空对地导弹”。凭借在冲压发动机技术的实力，苏联成为与美国实力较量的对手。

苏联解体后，在经过数年的恢复后，俄罗斯在地面试验的基础上率先进行了超燃冲压发动机的空中试验。在20世纪末，俄罗斯以天地往返系统和高超音速打击武器为背景的高超音速技术发展计划已经形成规模。它们主要是：1979年开始实施的“冷”计划、“彩虹”-D2、IGLA和“鹰”-31计划等。俄罗斯重视技术基础的研究，为此还建造了欧洲第一（世界第二，第一在美国）的C-16高超音速风洞。

1991年11月27日，在“冷”计划系留试验中，俄罗斯的亚燃/超燃冲压发动机实现了工况模式的转换。这是高超音速技术发展的里程碑事件，它标志着高超音速技术高空飞行时代的到来。在此之前的高超音速技术研究中，人们所做的均是地面模拟试验。然而，高空、高速的真实飞行环境是难以模拟的。这一事件使俄罗斯中了头彩，确立了在这一技术的领先地位。这对美国是一个沉重的打击。只有到十年后X-43试验成功，才让美国出了这口恶气。

沉重的代价

进入20世纪80年代后，为了争夺宇宙空间资源，当时的军事大国掀起了发展新一代空天飞机热潮，而美国无疑是这方面的领跑者。

对未来高超音速飞行器的具体要求包括：能从普通机场起飞、以5马赫（或更高）的速度、可在20千米以上的高空进行巡航飞行；在1.5～2小时内到达10000～12000千米处的目标，并在2小时之内到达地球上任意地点；而空天飞机这样的高超音速飞行器在离开大气层后，借用组合动力装置可以25马赫的飞行速度进入近地轨道。

空天飞机可在复杂的气象条件下全天候飞行，可作为人造地球卫星进入近地轨道，可向轨道站运送物品，也可用于军事目的，如用作远程截击机、侦察机、快速反应攻击武器或军用运输机等。但是，在空天飞机的发展过程中，研究人员在空气动力学、结构材料，特别是动力装置以及其他分系统的研制及一体化设计方面遇到了一系列难题。为此，从1985年开始，美国的一些研究机构按国防高技术研究计划局（预研）的提议，开展实施“国家空天飞机计划”（NASP-National Air Space Plane，也称“里根”计划），其核心是要开发一种在超音速和高超音速飞行状态工作的超燃冲压发动机（代号为E22A）。里根政府再次将高超音速技术研究推向一个新的高潮，鼓噪一时的“星球大战”计划开始了。endprint

一些欧洲国家紧随其后，与美国呼应，也在积极研制高超音速飞行器、空天飞机及其动力装置。英国提出了名为“霍托尔”单级入轨方案，德国提出了“桑格尔”两级入轨研制方案。

1986年，苏联图波列夫设计局开始研制图- 2000高超音速空天飞机，除了开发高超音速技术外，就是要与美国NASP抗衡。在1992年莫斯科航展上，俄罗斯展出了酷似美国X-30的图-2000空天飞机模型。该机采用氢燃料，有军用涡轮喷气发动机、超燃冲压发动机和用于入轨的火箭发动机组合的推进系统，有10多个设计局参加了这项研究。

在这一时期，法国对高超音速技术的研究表现异常活跃。20世纪80年代，“中程超音速导弹”服役，大大增强了法国开发高超音速技术的信心。法国在1990年发起了以“冲压发动机的今天与明天”为主题的大讨论，对超燃冲压发动机的前景进行了研究，加快了高超音速技术研究步伐。而在这之前，法国曾进行单级入轨“军旗”、“光辉”、FREPHA 和两级入轨“星”-H飞行器的研究，为后来的高超音速技术研究打下了坚实基础。

美国NASP项目主要由美国国防部、NASA负责实施和提供经费。参与完成此项计划的有5个主要航空航天公司——通用电气公司、麦道公司、罗克韦尔国际公司、洛克达因和普惠公司，另外还有近400多个公司参与。原计划定于1996年制造出试验性高超音速飞行器X-30。最初估计9年时间里NASP计划每年的研制费用将超过25亿美元。然而好景不长，宏伟的NASP计划不久就陷入了危机。巨大的经费开支与风险、关键技术复杂性和进度拖期，使国会议员的信心产生了动摇，继而是投资强度减弱。1992年度的拨款减少了30%以上，1993年又进一步缩减了经费，到1994年NASA给项目的研究经费总共只剩下8千万美元。

该计划遇到的经费问题是因为大量技术问题引起的，主要有以下几方面：确定在高马赫数情况下（大于10马赫时）高超音速冲压发动机的特性；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；保证空天飞机高超音速飞行时的稳定性和可控性。

1993年5月，美国国会多次举行有关“国家空天飞机计划”执行情况及其前景的听证会。会上人们对取得的成果及计划管理的领导表示不满，计划负责人同意对原方案进行修改。然而，技术路线存在的严重分歧导致形成了以NASA等研制单位为一方，以部分国会议员为代表的权力派为另一方的争论。NASA认为，最近几年不应把力量集中在制造X-30飞行器上，而应致力于通过飞行试验解决前面提及的主要技术难题。这样每年只需要3～4亿美元（而不是20多亿美元）的拨款，这一款额是完全可以实现的。

部分国会议员反对上述建议，他们提出NASA和美国空军应转向研制全尺寸空天飞机，以便进行有人驾驶高超音速飞行试验。NASA认为目前技术问题尚未得到解决，在经费不足的情况下，建造试验性空天飞机是不现实的。还有些人赞成简单的“国家空天飞机”方案，主张所谓的5-50-8（即5年、50年亿美元、8万磅（36.2吨）起飞质量）方案制造高超音速飞行器。但是专家组认为这一建议也过于乐观，也太冒险。

美国6个航空航天公司曾于1993年提出过建造小型“轨道研究飞行器”NORA National Orbital Research Aircraft）的折衷建议。该飞行器是有人驾驶飞行器，质量26吨，采用高超音速冲压发动机作为动力装置。这一研制项目的经费估计不超过50亿美元，比实现最小规模的NASP计划便宜1/2，但要到1998年才能进行这种高超音速飞行器的首次飞行。后来，这一方案没有通过。

NASP是一个庞大的空天发展计划，巨额经费与技术复杂性从开始就为计划投下了阴影。技术途径的争论、政治干预、进度拖期使计划一波三折。1995年，耗资数百亿美元、历时10年之久的NASP计划宣布停止了。这是一个痛苦的选择，又是一个明智的选择。计划下马后，美国立即开始了新的一轮发展计划研究。把取得的成果带到了新的“超”-X和HyTech计划中，成了这些计划的技术基础。

高超音速技术的发展经历了半个多世纪坎坷、不平凡的发展历程。其技术难度是难以想象的，几乎每走一步都是探索的过程。从基础概念研究到实用开发，都要付出沉重的代价。在对待高超音速技术的难度上，人们想象的比实际简单得多，对困难估计也不足，因此诸多计划脱离实际。因为不够重视基础研究，失败后不得不从零开始，重新进行基础研究。正因为如此，基础研究与实际型号的开发严重脱节，这在NASP计划中尤为突出。国会考虑的是纳税人利益，要求尽快见到成果。空军更是要求立竿见影，马上实际应用。

在高超音速技术的发展过程中，美国还有一个重大的失误就是在突破口的选择上。在20世纪80年代之前，多是进行基础研究，军事打击的应用没有受到重视，自然就把应用目标放在了天地往返系统上，在一个相当长的时期未做调整。这就等于“没学爬就学走”，“没有梯子就上天”，因此就出现了许多只有远期目标的宏伟计划。而俄罗斯的经济和技术水平不及美国，但“冷”计划却能比美国早十年进行空中演示（当然实验的水平不在一个量级），也给了美国一个很好的启示。

失败的痛苦

俄罗斯“冷”计划试飞器空中试验，震惊了世界，更令美国不安。

NASP项目结束时，对此项目最严厉的批评之一是，只对最关键的部件超燃冲压发动机进行了风洞中的模拟飞行，而没有进行实际飞行。因此，NASA兰利/德莱顿联合发起了“超”-X（Hyper-X）计划，开始发展一种能够以10马赫速度进行飞行试验的飞行器。

“超”-X是NASA重点实施的高超音速发展计划。该计划的主要目的是研究并演示可用于高超音速飞机与可重复使用的天地往返系统的超燃冲压发动机技术与一体化设计技术。

“超”-X计划由NASA统一管理，由兰利研究中心牵头。“超”-X计划原来规定时间为5年。“超”-X计划的飞行器代号为X-43，由德赖登飞行研究中心研制，并完成所有的飞行试验。试验地点在西靶场的爱德华空军基地。“超”-X计划根据任务不同，有4种型号的试飞器，即X-43A、X-43B、X-43C和X-43D。endprint

X-43A是基础研究型号，共生产了3台试飞器，共花费2.3亿美元。X-43B是可重复使用的组合循环发动机的试飞器，研制费为6亿美元。X-43C是“超”-X计划中重点实施的型号，采用C/H燃料冷却的超燃冲压发动机作为推进系统。从未来的军事实用出发，X-43C可能成为高超音速技术发展历程中的又一重大事件，由此计划，美国衍生出了当前的X-51A高超音速导弹。X-43D是“超”-X计划中的远景规划型号。

NASA原计划在2001年4月28日对X-43A首台高超音速试飞器进行系留试验，5月19日进行7马赫条件下的试飞。NASA特别看重第一台X-43A试飞器的飞行。认为如果试验成功，X-43飞行器将成为有史以来速度最快的吸气式飞行器，打破洛·马公司SR-71R的记录（3+ 马赫）。

然而，试验时间一拖再施，直到2001年6月2日才在加里福尼亚州的海岸外进行X-43A的首次飞行试验。X-43A试验飞行器挂在B-52飞机上飞行，在8千米的高空投放，然后由“飞马座”助推火箭助推加速，按程序实现试验飞行。

在此次飞行中，NASA德莱顿研究中心的B-52在机翼下挂载X-43A和“飞马座”助推火箭，从爱德华空军基地起飞，向加利福尼亚海岸边的海军西部试验靶场飞，飞到发射点后，释放助推火箭和X-43A飞行器，5秒后助推器点火；大约13秒后，助推器右侧尾翼折断，紧接着后左侧尾翼和方向舵折断；15秒时机翼折断；21秒时助推器数据流丢失；在48.5秒时，海军靶场安全官员启动飞行终止系统；77.5秒时，X-43A的遥测信息消失。

X-43A首次飞行试验的失败是对美国高超音速技术发展计划的严重打击。

高超音速技术领域一直是军备竞赛的重要领域。2001年6月2日美国“超”-X计划中的X-43A首飞失败使美国人十分恼丧。然而仅隔半月之后，俄罗斯就公布，由一枚PS-12M“白杨”推进的IGLA成功地进行了飞行试验。IGLA在中亚地区发射，在堪察加半岛回收。后来又成功进行过发射。这一事件对美国刺激很大，引起美国国会的极大关注。小布什总统亲自听取了汇报。当时洽是其鼓吹导弹防御系统最火热的时刻。俄罗斯称有能力对抗美国导弹防御系统。

由于考虑到未来的实用前途与应用背景，俄罗斯中央航空发动机研究院（ЦИАМ）在进行“冷”（Холод）计划的同时，就与俄罗斯中央空气流体动力研究院（ЦАГИ）共同开发了“鹰”（Орёл）高超音速技术发展计划（又称ИГЛА计划，IGLA）。

IGLA是一种有翼高超音速试验飞行器，飞行器试验速度范围为6～14马赫，飞行高度为0～80千米。试验飞行器采用升力体构型，与“暴风雪”航天飞机的外形相似，头部半径40毫米。有翼试飞器机体下方配置三台超燃冲压发动机。据ЦИАМ介绍，试飞器所用的结构材料没有多少是新型材料，是俄罗斯可批生产的材料。试验冲压发动机模型为两维三模态再生致冷式超燃冲压发动机，进气道与尾喷管位于机体下方。燃料供应系统与“冷”计划轴对称超燃冲压发动机基本相同，无多大变化。

运载器采用已经退役的SS-19“匕首”（Stiletto）洲际地对地战略弹道导弹，俄罗斯的代号为UR-100N，UR-100NU。该导弹于20世纪70年代初部署，由切洛梅依设计局（现礼炮科研生产联合体）研制，赫鲁尼契夫机器厂制造。它的射程为10000千米，发射质量约为100吨。根据美苏战略核武器限制条约，数百枚SS-19导弹分批改装成了“隆音”商用运载火箭。

IGLA之前已做过大量的地面试验与风洞吹风试验，取得了重要成果。IGLA的试验飞行利用现有的弹道导弹测控站进行遥测。计划中的飞行试验过程如下：

IGLA试飞器安装在SS-19导弹弹头位置；做好发射准备后，SS-19运载系统垂直发射升空；在80千米高空，其飞行速度达到5900米/秒，IGLA试飞器与SS-19运载器分离；试飞器先以一定俯冲角降低高度，在大气密度较高的高空转入滑行状态；调整姿态，滚动、偏航与位角为零，保持巡航平飞状态；按给定的飞行条件进行超燃冲压发动机模型试验；超燃冲压发动机燃烧结束后进行回收、着陆，结束试验。整个试验航程大约6000～8000千米，超燃冲压发动机在10马赫时点火试验，试验飞行速度为12～14马赫。

俄罗斯的地域辽阔，丰富的靶场资源为IGLA试验飞行提供了极为有利的条件。虽然IGLA计划是最有挑战性的计划，是一种新颖的设计，集合了许多新的科研成果和新技术，但由于计划庞大，资金得不到落实。至今没有找到国外合作伙伴，俄罗斯独资该计划是不可能的。ЦИАМ估计，IGLA地面试验需33个月完成，需经费约3300万美元，而整个计划（搞完一次飞行试验）则需要5000多万美元。

之后，法国总统希拉克发表讲话，嘲笑小布什鼓吹导弹防御系统，认为“靠防御取得战争胜利只是神话”。美国再次受到嘲弄，这也是对美国高超音速发展计划的严重打击。

美国X-43A在进行完第一次试验3年后，即2004年3月27日，第二台试飞器试验成功完成了6.836马赫、10秒动力飞行。2004年11月16日，第3次飞行试验获得成功，又创下了9.8马赫的新纪录，这也是高超音速技术发展的一大突破。

（编辑/草莽）endprint