临近空间

在20世纪末期，临近空间概念引起了人们广泛关注。今天，临近空间已成为军备竞赛的重要区域，高超音速巡航导弹成了竞赛的主角。

近年来，临近空间的特殊战略价值已经受到许多国家的高度重视，临近空间和临近空间飞行器因其显著的特点和潜在的军事价值也成为许多国家关注的热点。美国、俄罗斯、欧洲、日本、以色列等国家和地区都投入了大量经费，积极开展临近空间飞行器的研究。从总体上看，各国还处于技术攻关阶段。随着科学技术的发展，临近空间武器将成为未在未来战争成败的主宰。

曾被遗忘的空域

所谓“临近空间”（Near Space）通常是指距地球表面20～100千米的空域，包括平流层（12～50千米）的大部分、中间层（50～80千米）的全部区域和部分电离层（热层，80～1000千米）。在平流层，在20千米高度以下气温不随高度变化；20～32千米，温度随高度有所上升；层内没有水蒸气，没有雷电气象变化，也没有大气上下对流，只有水平流动。在中间层，空气的质量只有大气质量的千分之一，温度先随高度升高，而后有下降。

临近空间的空气稀薄、大气杂质少、环境温度变化复杂、臭氧和太阳辐射强。传统航天与航空飞行器无法飞行，技术难度大。小于20千米的区间是航空器飞行区域，属国际航空法管理的区域；而大于100千米则是航天器的空间区域，归国际空间法管理。就当前而言，临近空间是“航空飞机够不着、航天飞行器摸不着”、过去几乎被人们遗忘的区域。

在临近空间范围完成特定飞行任务的飞行器被称为临近空间飞行器，它有多种分类方法。其中，按其速度可分为低动态（柔性浮空器、高空气球、高空飞艇、高空长航时无人机）和高动态（超音速飞机、超/高超音速巡航导弹、军用和民用航天飞行器、通用空天飞行器）。

临近空间飞行器具有广阔的应用前景。在军事应用方面，它可作为：通信中继平台、侦察监视平台、卫星有效载荷和空间武器实验平台、装备兵力的投送平台、临近空间的作战平台、电子对抗平台、运输/发射/补给维修平台等。在民用方面，它可作为：对地观测、通信、宽带接入等。

临近空间飞行器具有不易被发现、生存能力强的优点。它包含两方面的意义。一是与传统的航空平台相比，对临近空间飞行器的探测和跟踪更为困难。航空兵器的飞行高度多在10千米以下，雷达反射面积大，较易发现。而临近空间飞行器因没有固定的飞行轨迹，很难跟踪与捕捉。另一方面，也是最重要的方面，当前世界上现役的绝大多数防空导弹的拦截高度都偏低，无法达到这一高度，无法构成威胁。

临近空间飞行器具有覆盖范围广的优点。部署在20千米高度的临近空间飞行器，它的视场可以达到88万平方千米，在执行雷达预警、电子侦察方面具有明显的优势。

当前，卫星发射准备周期长，机动变轨次数有限。而临近空间飞行器的结构简单，可以大量部署，准备时间短，实用性好，威慑作用大。临近空间飞行器的另一个特点是响应时间长。

临近空间飞行器的结构简单，有效费比高的优点。

临近空间高动态飞行器通常指高超音速巡航导弹。当导弹以大于5马赫的速度飞行时，为了避免严重的阻力和气动加热，导弹的飞行高度一般在20千米以上。但飞行高度一般不超过50千米，因为这一高度不易满足超燃冲压发动机的工作要求。

临近空间武器飞行速度高，能够快速攻击“时间敏感目标”，具有很强的突发性，能够乘其不备而击之。临近空间武器能够有限实现全球到达任务，“猎鹰”（FALCON）就是一个在两小时内实现全球攻击的武器。

但临近空间是一个广阔的空域，要实现临近空间的攻防对抗，还要完善它的复杂系统：如网络化探测预警系统；网络化拦截打击系统；高速、大机动拦截技术；复合末制导探测系统等。近年来，世界军事强国逐渐认识到临近空间是一块“被军方遗漏”的特殊空间，“不征服这一区域，就谈不上真正的空天一体化”。目前，美军联合司令部正在对临近空间飞行器如何提高作战能力进行研究。俄罗斯已经启动平台的侦察、监视系统实验性研究。欧盟、印度、日本等国家也非常重视在这一领域的研究并取得了可喜的进展。

独特的武器设计思想

目前，世界技术比较先进国家纷纷进行高超音速巡航导弹的研制，比较成熟的型号有：俄罗斯的Kh-90、“彩虹”-D2，美国X-51A和HyFly，法国 PROMETHEE等。在本文我们将只对美、法的型号进行剖析，从中可以看出它们的发展战略和设计思想。

美国X-51A高超音速巡航导弹 它是当前美国正实施的重点高超音速技术发展计划，目的是研制一种高超音速全球快速打击的巡航导弹。

X-51A实际上是ARRMD计划中空军方案的继续，是在HyTech技术成果的基础上发展的。2003年，美国空军研究实验室（AFRL）制定了吸热式超燃冲压发动机飞行验证机（EFSEED）计划，后更名为SED-WR计划（“超燃冲压发动机验证机—乘波飞行器”）。2005年9月，美国空军正式将该计划编号为X-51A。

该计划由DARPA与AFRL共同主持管理，由波音公司与普惠公司共同开发。波音公司负责试飞器的研制，普惠公司则负责超燃冲压发动机。2004年1月研制计划正式启动，当时计划周期7年，经费预算为2.46亿美元。

虽然X-51A计划的主要部分是进行推进试验，但它不仅仅是一个对HyTech超燃冲压发动机的测试计划。发动机与试飞器的整合需要两方面研究过程的协调发展：高超音速推进飞行试验以及试飞器的研发。高超音速飞行试验过程主要包括：获取地面测试数据、获取飞行测试数据、关联地面/飞行数据并做相应的分析以及选定高超音速飞行器的设计工具。另一方面，试飞器的研发过程也具有同样重要的意义。对高超音速飞行器来说，发动机与机身的一体化设计是关键问题之一。

除此之外，用于投放X-51A的B-52H轰炸机必须与“陆军战术导弹系统”（ATACMS）的助推器集成为一个完整系统。ATACMS的助推器将X-51A加速到适合超燃冲压发动机工作的飞行条件，包括飞行高度与飞行速度。所有的子系统与航电设备都必须满足设计要求，同时还需要设计发动机与飞行器之间的控制软件。endprint

X-51A是一个十分典型的改进型升力体气动布局。整个系统由三部分组成：试飞器、级间连接段与ATACMS助推火箭组成。全长7.62米，总质量1780公斤，最大宽度584.2毫米。其中试飞器长4.27米，质量为671千克。超燃冲压发动机采用吸热式碳氢燃料JP-7，飞行速度要求为6～7马赫。

X-51A的主体部分是在金属材料的基本结构外覆盖着轻质TPS泡沫与陶瓷材料。机体部分的框架板壁等由铝制成。前鼻端内部是金属钨，外部则是二氧化硅隔热层，其作用是承受飞行器头部高强度的气动热载荷，并实现纵向配平，以保证飞行器的纵向稳定性。试飞器与机体的过渡部分采用了铬镍铁合金，目的是阻止热量传导到飞行器的其余部分。试飞器与级间部分的蒙皮，包括助推器的4片全动尾翼均为铝制。此外，为了在推进段保持稳定，助推器上还另外安装了两个铝制水平翼。X-51A最大限度继承了HyTech计划的技术成果，后者为X-51A计划实施铺平了道路，有许多技术已进行过地面试验。

X-51A试飞器的实验过程是，首先由B-52H轰炸机携带升空，自母机投放后经火箭推进至超燃冲压发动机的工作高度及飞行马赫数，然后超燃冲压发动机点火，将飞行器由马赫数4.5加速到6的巡航速度。X-51A挂载于B-52H的左翼下，投放前与载机上的监测设备保持通讯，并通过电缆自载机获得电力供应。

根据计划，飞行试验中B-52H携带X-51A自爱德华空军基地起飞后，朝向西南方向飞行。第一阶段是测试飞行，B-52H需要保持0.8马赫的飞行速度以及15千米的飞行高度，由X-51A进行自检并对遥控信号的接收进行校验。在第二阶段，当B-52H到达太平洋上的投放点并且满足投放条件时，X-51A从挂架脱离。从脱离挂架到助推火箭点火，X-51A有4秒的自由下落时间，以确保成功分离。之后，ATACMS的固体火箭助推器点火，燃烧大约30秒，将飞行器推进到4.5～4.8马赫、高度18千米。在助推段，超燃冲压发动机的进气道打开，高速气体流经入口进入级间部分，所产生的气动热使得发动机流道的壁面温度开始升高，少量JP-7燃料注入热交换器壁面。

在助推阶段的最高点，在飞行器自身的制导控制装置和超燃冲压发动机的数字式控制器的控制下，X-51A通过滚转实现倒置，使进气道朝上并获得正的迎角。当助推器燃料即将耗尽时，试飞器、助推器及级间部分分离。试飞器经过短暂的滑行之后，乙烯被注入流道并点燃，完成对发动机壁面及其内JP-7燃料的加热。一旦将JP-7燃料加热到最低点火温度，超燃冲压发动机就开始将经过预热的碳氢燃料注入流道。这一转换过程耗时约几秒钟，直到乙烯燃尽，发动机仅以JP-7作为燃料。X-51A携带有120千克JP-7燃料，可供超燃冲压发动机燃烧约240秒。全部4次飞行试验都会采用同一条经过优化的飞行线路，以使最大飞行马赫数能够达到预期的6左右。在超燃冲压发动机关机后，飞行器将在无动力减速过程中做一系列机动，用以进行参数验证，所获得的高超音速条件下的飞行参数对风洞试验数据库是很有价值的补充。之后，飞行器继续减速下降直至落入距投放点约650千米的太平洋中，试验用飞行器不进行回收。

后来，计划由于B-52H出现技术问题而被延期。2010年5月23日X-51A进行首次飞行试验，至今X-51A共进行4次试验飞行，一次部分成功、两次失败，仅最后一次算是功德圆满。

在准备X-51A飞行试验的同时，波音公司还在设计其后继型号X-51A+ 。按预定计划，X-51A 将进行4次飞行试验，如果至少有一次试验获得圆满成功，波音公司便希望在2011年获得X-51A+ 后续飞行试验的经费。X-51A+ 目前还不是记录在案的项目，能否获得经费支持完全取决于X-51A的飞行试验结果。另外，公布的后续型号还有X-51B～X-51H。

美国HyFly计划 在“国家航空航天倡议”（NAI）计划的指导下，2002年2月，美国国防高级研究计划局（DARPA）和海军研究局（ONR）联合发起一项为期4年的“高超音速飞行”（HyFly）技术演示计划，旨在开发并验证高超音速飞行的先进技术，在飞行中验证采用碳氢燃料双燃烧室冲压发动机的远程高超音速巡航导弹的性能。该计划的最终目标是演示射程达到1100千米、平均速度大于4马赫、最大持续巡航速度达到6马赫、能布撒子弹药或单一战斗部的高超音速导弹。该方案导弹以4马赫速度巡航飞行时，射程将超过1480千米。HyFly计划开发的技术将成为未来高超音速打击导弹（能从飞机、水面舰或潜艇发射，拦截并摧毁时间敏感目标、重点防御目标、加固目标及深埋地下目标，同时保护载机免受伤害）的基础。HyFly计划成为当时美国国防部高超音速技术研究领域领先的项目。

HyFly计划涉及的双燃烧室冲压发动机（DCR）由约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）设计，以20世纪70年代后期制定的方案为设计基础。

该发动机把超燃冲压发动机和亚音速突扩燃烧室冲压发动机的优点组合在一起，简化了燃料调节系统，改善了燃烧性能，提高了能量的利用率。双燃烧室冲压发动机由进气系统、预燃室、燃料喷射系统、超燃燃烧室和排气系统等组成。

助推发动机工作结束后，火箭发动机喷管、堵盖、整流罩等随之脱落。导弹达到一定速度后，使用液体燃料的亚燃/超燃双燃烧室发动机工作。此时，较少的一部分（如1/4）空气进入预燃室，与喷入的液体碳氢燃料混合，在非常富燃料条件下（通常当量比大于4）完成亚音速燃烧。大部分空气通过外环超音速进气道进入超音速燃烧室，未反应完全的燃烧产物经过蒸气、热裂解和预热，轴向喷入超燃燃烧室，进行超音速燃烧。该发动机采用内弯式进气道，其中4个风口为超音速燃烧室提供空气，2个风口为预燃室提供空气。

预燃室为亚燃突扩燃烧室，既是超燃燃烧室的燃气发生器，又是超燃燃烧室的点火源。它在当量比大于4的富燃条件下工作，先组织一个近乎化学恰当比的燃烧区，然后把其余的燃料喷入高温燃烧室中，使未反应的燃料经蒸发、热裂解和预热后再进入超燃燃烧室。endprint

所用燃料为常规液体碳氢燃料。发动机是一种将亚音速燃烧室和超音速燃烧室串联一体化的超燃冲压发动机，可以更容易实现启动，可在相对较低的3马赫速度下顺利点火。因此，该发动机不仅突破了纯粹的冲压发动机的速度极限，还克服了双模态超燃冲压发动机的一些局限，可以看作一种技术上的创新。HyFly计划旨在发展高超音速巡航导弹所必需的一些关键技术，力求通过数次飞行试验，表明采用常规碳氢燃料的这种发动机能够实现最大巡航速度6马赫，同时将验证导弹的各种结构能够承受高超音速状态下持续飞行所产生的高温。美国海军的目标是在这一技术成熟后，进一步研制出一种高超音速巡航导弹，射程超过1110千米。

就总体设计而言，HyFly导弹的外形酷似一枚大型反舰导弹，弹体采用钛合金制造，外部喷涂了特殊材料，以承受高速飞行所产生的高温。它的弹径较大，主要是为了满足发动机的结构设计要求，该发动机的长度为4.25米，直径小于500毫米。

与目前的验证弹不同，美国海军提出的导弹构型将采用一个整体式固体火箭发动机，即安装在导弹的弹体内，一旦消耗殆尽后即被抛弃。根据初步设计方案，高超音速巡航导弹的舰载发射型和潜射型的长度约为6.5米，质量约1725千克，而空射型长度为4.65米，质量为1044千克。如果不考虑串联和助推器，高超音速导弹的长度大约4.27米。根据HyFly计划，验证弹能够采用GPS制导，未来发展的导弹还计划安装一种通信数据链，可以在发射后的飞行过程中实现重新瞄准。此外，高超音速巡航导弹将采用多用途战斗部，也可以布撒子弹药。

HyFly导弹试验飞行的试验过程为：飞行器点火发射后，在第一级助推火箭推力的作用下爬升；在预定时序第一级助推火箭分离，飞行器以无动力方式滑行一段时间，作爬升、减速运动，降低飞行动压，并在自身重力的作用下，缓慢地作重力转弯，使弹道逐渐趋于水平；在预定时序第二级助推火箭点火工作，飞行器作加速运动，并将飞行器送入超燃冲压发动机的“启动窗口”；随后在预定时序第二级助推火箭与高超飞行器分离，助推器系统完成工作任务。以第二级助推火箭分离时刻为时间起点，高超飞行器开始执行任务程序，依次完成抛掉整流罩、点火和供燃料等动作。高超飞行器在30秒的飞行时间内以自由飞行的运动状态完成试验任务，最后燃料耗尽，高超飞行器坠毁。

尽管HyFly计划在2002年2月才正式启动，借助于前期研究的基础，很快就开始了各项试验，在研制进度方面走在了X-51A计划的前面。

2007年9月25日，HyFly验证弹进行了飞行试验，主要目的是验证双燃烧室冲压发动机转接、燃油控制和爬升、加速到5马赫，这是该发动机的首次飞行试验。然而在发射测试中，助推器分离后，验证弹由于燃油控制系统出现故障，速度只达到3.5马赫，未能达到预期的5马赫目标。这次试验仅仅取得了部分成功。

2008年1月16日，HyFly计划再次发射试验，目标速度为6马赫。当天下午3点23分，波音公司的1架F-15E战斗机在美国海军位于穆古角的海上靶场上空发射了HyFly验证弹，由火箭发动机加速到3马赫后，超燃冲压发动机没有按照预定程序工作。验证弹在飞行了大约58秒后，坠入到太平洋。

2008年年初的失利，并没有击垮HyFly项目。在对有关飞行数据进行了认真评估之后，波音公司从DARPA获得了1830万美元的合同，旨在进行第三次有动力飞行。然而，波音公司的第三次飞行试验仍以失败而告终。在2010年7月29日进行的试验中，导弹从F-15E战机上发射后，由于助推器点火失败，导致导弹直接坠入太平洋。

DARPA强调说，此次出现的问题与双燃烧室冲压发动机推进技术无关。并称，这是该计划最后一次试验，将对这次试验的结果进行评审。

客观来看，双燃烧室冲压发动机作为一项新技术，从概念研究、技术突破并走出实验室，进入到技术验证阶段，在30多年的发展历程中已经取得了很大进展。然而，由于高超音速技术的复杂性，该发动机仍然需要进一步试验才能接近成熟。失败后的HyFly导弹销声匿迹，但后继的开发研究肯定不会放弃。

美国RATTLRS计划 在美国新制定的“国家航空航天倡议计划”（NAI）中，明确将超音速巡航导弹列入高超音速发展路线图中，其目的就是要强化快速反应、快速打击能力。之后，美国迅速推出了“时敏目标远程打击创新方法”（RATTLRS Revolutionary Approach to Time Critical Long-Range Strike）导弹计划。尽管采用涡喷发动机推进、飞行速度为5马赫，但它却是NAI计划最紧迫的项目。它是“威慑”向“能力”军事战略转型的产物。作为打击时间敏感目标而设计的高速武器，它应具备的特点是：能与空中或者地面的多种发射平台相兼容；能在15分钟或者更少的时间内作出响应；能够打击各类目标。

RATTLRS名称充分体现了美国国防部正在重点发展新型导弹系统的主要特征，即具有远距、高速、精确地打击目标的能力。该项目实质上是一项技术应用验证计划，并不是明确要求发展一种具体的武器型号。主要针对“全球敏捷打击”的作战需求，力图通过广泛的技术验证，尽早寻求到一种切实可行的高速导弹技术方案。

作为NAI的一个组成部分，RATTLRS项目在工程技术方面的主要目的在于验证和增强一次性超音速飞行器的高速飞行性能。然而，美国海军希望这种试飞器不仅可以证明有关技术方案的可行性，而且还应表明是否具有发展成为一种战术导弹系统的巨大潜力。为此，美国海军基于现役多种作战平台装备部署超音速巡航导弹的长远考虑，在RATTLRS项目中提出了更加明确的要求。按照巡航导弹的尺寸、质量和构型来设计和研制一种验证飞行器，仅仅采用1台涡轮发动机，试飞中能够以0.25g加速度实现从亚音速发射到超音速巡航，在3.0马赫巡航状态下巡航时间超过5分钟。

RATTLRS项目自从2004年年初正式启动以来，进展一直比较顺利。经过两年多时间的研制与发展，“臭鼬”工厂完成了RATTLRS项目的设计方案。2006年5月24日，美国海军研究办公室和洛·马公司在美国纽约举行的第19届“舰队周”上，首次展示了RATTLRS验证机的全尺寸模型，引发了世界各国的极大关注。特别是尾翼上的“小鼬鼠”，似乎预示着“臭鼬”工厂正在打造出一种全新的超音速攻击武器。endprint

从外观来看，RATTLRS验证机就如同一只放大的梭镖，简洁的气动布局似乎更接近一架无人驾驶的超音速战斗机。为了减小超音速飞行时的激波阻力，截尖的大后掠三角翼带有明显的尖削前缘，并一直延伸到机体前部，形成锐利的边条翼。目前公开的超音速战术导弹方案中，弹翼和舵面将可以折叠，以便实现舰载发射。据透露，它的总长为6.096米，质量为908千克。

RATTLRS验证机的关键技术更多地体现于专门设计的YJ102R发动机上。2006年5月，该发动机与RATTLRS全尺寸模型同时公开展出，使得外界有机会目睹这种设计精巧、性能优异的涡喷发动机。

“臭鼬”工厂针对超音速导弹系统的作战用途，实施了有关作战载荷的研究和试验。这似乎预示着具体型号的发展计划已经为时不远。美国海军希望RATTLRS导弹具有对不同目标的摧毁能力。因此，除了采用传统的破片式战斗部外，“臭鼬”工厂正在发展具有钻地攻击坚硬掩体的侵彻战斗部，并且还考虑了布撒子弹药的攻击方式。

美国海军当初根据最初设想，计划将新型超音速导弹装备到空中、海上和水下等不同作战平台上，以便有能力在第一时间全方位地打击时敏目标。目前，“臭鼬”工厂针对战斗机、军舰和潜艇之间存在使用差异，尝试利用一种基本构型改进发展出不同尺寸和载荷的多用途导弹系统。最初发展的空射型预计优先配备在F/A-18E/F和F-35C舰载战斗机上。由于尺寸限制，空射型的射程大致在540～720千米之间，采用227千克载荷，最大质量不超过817千克。其后，用于军舰和潜艇的垂直发射型将采用助推器进行发射，最大质量增加为1544千克，有效载荷为340千克，要求以4.0马赫巡航速度飞行15分钟以上。

此外，“臭鼬”工厂还在研究地面车载发射方式的潜在需求。无疑，多种发射平台也对RATTLRS导弹系统的后勤保障提出了更多要求。研制人员正在试图消除或减少材料和储存等后勤方面出现的新问题，以便在不同平台间寻求更大的使用灵活性。

法国PROMETHEE导弹 考虑到军事应用上对高速吸气式推进系统的潜在需求，法国国防部与法国航空航天研究中心以及MBDA法国公司于1999年启动了PROMETHEE合作项目，目的是获得应用于高超音速巡航导弹的推进系统的设计和操纵性的第一手资料，最主要的研发工作是设计宽马赫数的碳氢燃料双模态冲压喷气发动机，并且掌握其性能调整方式。

新发动机将应用在远程空地通用导弹上，由“阵风”战机挂载。这一要求为第一次设计研究高超音速巡航导弹提供了有关尺寸和质量的通用准则。所以，法国将主要的技术难题定位在低马赫数分离、宽马赫数飞行范围以及飞行器的小型化上。为此，涉及到作战气动推进构型设计及其子系统设计的技术难题包括：

首先，导弹的长度受到载机运载能力的限制，为满足导弹一体化的要求，发动机必须较短；

其次，以适中的速度（大约2马赫）启动吸气式推进模态以充分利用其高比冲，从而提高总射程，并且以高马赫数（8马赫）巡航以增强突防能力；

再次、设计推进系统以适应宽马赫数飞行并且尽可能降低可变几何形状部件的数量；

最后、利用碳氢燃料进行冷却的复合结构，条件是燃料必须进行吸热分解，并且在燃料供应系统、冷却通道和燃烧室中可加以控制。

PROMETHEE项目的目标是对碳氢燃料双模态冲压喷气发动机的设计过程中遇到的难题进行探索和研究，并结合考虑远程空地攻击任务的特殊要求。

PEOMETHEE研究成果为研制通用高超音速空地导弹确定了创新的双模态、可变几何外形的冲压喷气发动机概念提供了坚实的技术基础，设计并制造了一种燃烧室的全尺寸模型，并在连接管结构中进行了测试。对宽工作范围进气道进行了实验和数值模拟常规研究，重点考虑了弹体前缘引发的变形。通过耦合组分和整体计算，确定了导弹更好的气动性能。同时，研究人员在吸热燃料方面开展了基础研究。试验测试平台的研制工作获得了初步的结果。

PROMETHEE计划经过4年的研究，在碳氢燃料双模态冲压喷气发动机的调整以及吸热燃料控制方面获得了重要经验。法国在2003年启动了又一个新的大型项目LEA，来配合PROMETHEE作进一步的研究。

（编辑/草莽）endprint