美国X-43高超声速飞行器调研.doc

1、美国X-43高超声速飞行器调研一、高超声速飞行器背景11.1美国在高超声速技术领域独占鳌头11.2 欧洲国家积极推进高超声速技术开发31.3 日本实施高超声速飞行器发展计划4二、高超声速飞行器特点52. 1 推进技术52. 2 材料技术52. 3 空气动力学技术62. 4 飞行控制技术62.5 X-43在技术方面有如下特显7三、气动外形设计方法8四、高超声速飞行器制导原理9五、执行机构的选择及配置125.1 推进系统135.2 控制系统的执行机构14六、X43控制原理176.1 高超声速控制技术发展176.2 高超声速控制分析176.3 X-43A控制方法及分析186.4 高超声速控制技术新技

2、术19（1）非线性控制方法19（2）鲁棒自适应控制方法20七、总结20一、高超声速飞行器背景高超声速飞行器是指在大气层内飞行速度达到M a = 5以上的飞行器。自20世纪60年代以来, 以火箭为动力的高超声速技术已广泛应用于各类导弹和空间飞行器, 而目前世界各国正在积极发展另一类以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器技术, 它的航程更远、结构质量轻、性能更优越。实际上, 吸气式高超声速技术的发展始于20世纪50 年代,通过几十年的发展, 美国、俄罗斯、法国、德国、日本、印度、澳大利亚等国自20世纪90年代以来已在高超声速技术方面陆续取得了重大进展, 并相继进行了地面试验和飞行试验。高超声速技术实

3、际上已经从概念和原理探索阶段进入了以高超声速巡航导弹、高超声速飞机和空天飞机等为应用背景的先期技术开发阶段。1.1美国在高超声速技术领域独占鳌头从1985 年至1994 年的10年间, 美国国家空天飞机计划(NASP)大大推动了高超声速技术的发展。通过试验设备的大规模改造和一系列试验, 仅美国NASA兰利研究中心就进行了包括乘波体和超燃发动机试验在内的近3 200次试验。通过这些试验掌握了M a 8的超燃发动机设计技术, 并建立了数据库, 从而为实际飞行器打下了牢固的技术基础。实际上, 30多年来, 兰利研究中心一直在进行这方面的研究, 曾经在2. 44 m高温风洞中研制和试验过22个发动机。

4、在此基础上, 美国于1996 年开始, 针对高超声速导弹、高超声速飞机和空天飞机的研制工作调整高超声速技术的研究目标, 在发展和应用高超声速技术方面采取了更为稳妥的循序渐进策略,提出了更为现实的全方位的高超声速武器和先进航天器研制计划。NASA和美国空军在2000年12月达成协议, 将联合进行高超声速技术的发展和验证。2001年, NASA和美国国防部联合提出了国家航空航天倡议(NAI) , 重申了美国高超声速飞行器的发展战略:近期发展高超声速巡航导弹;中期重点发展全球到达的高超声速飞机;远期发展廉价、快速、可重复使用的航天运载器。2001 年6 月到2004 年11月, NASA Hyper

5、2X计划的X43A进行了3次飞行试验,除第一次以失败告终外, 第二次飞行试验实现了7倍声速飞行, 第三次在大约33. 5 km高度飞行时以M a= 9. 8 (11 270 km /h)的惊人速度载入世界飞行速度记录。X43A的成功飞行试验, 验证了高超声速飞行器的设计概念、设计方法和地面试验结果。但2006年年初NASA表示, 将把航空领域的研究重点从之前的飞行演示验证重新转向基础研究和设计工具开发, 同时, NASA对其组织结构进行调整,将高超声速研究纳入基础航空部分。X43高超声速研究小组的项目重点将进行基础性的技术研究而不是飞行试验。下面介绍一下美国在高超声速研究的几个重要计划：HyT

6、ech计划美国空军在1995 年推出了HyTech计划, 美国空军研究实验室(AFRL ) 、美国国防高级研究计划局(DARPA) 和NASA 参与了该项目。HyTech计划的目标是验证M a = 4 8的碳氢燃料超燃冲压发动机的可操作性、性能和结构耐用性, 验证适合于未来高超声速巡航导弹和高超声速远程打击飞机的超燃冲压发动机技术。2006年7月27 日, 普惠公司宣布GDE22 在NASA 兰利研究中心完成了试验。这是闭环碳氢燃料超燃冲压推进系统在超声速条件下首次成功完成试验。在兰利高2. 44 m高温隧道中进行的若干次Ma= 5 试验间,GDE22产生了重要的超声速数据结果。GDE22试验

7、的成功完成标志着超声速技术获得了重要的里程碑式成就。它是一个成套推进系统, 包含许多实现世界超声速推进所需的技术。包括AFRL、DARPA、NASA、普惠公司和波音公司在内的政府2工业团队,将利用GDE22 验证的技术, 为X251A飞行验证计划研发推进系统。HyFly计划2002年, DARPA 和海军研究办公室(ONR)联合出资实施HyFly高超声速导弹验证项目。该项目与由国防高级研究计划局和空军联合出资实施的采用高超声速发动机的单台发动机验证器(SED) 项目(即HyTech 计划的飞行试验部分),都是为开辟新的航空飞行领域、促使航空业发展所作的努力。2006年,美国防部考虑将分别由空军

8、和海军独立研制的高超声速推进系统作为下一代全球打击武器动力系统的一部分。海军领导的yFly技术验证器和空军的乘波器项目将成为从舰船、潜艇或飞机发射的下一代高速导弹动力系统的候选方案。按照国防部设想, 装有HyFly推进系统的弹药将由空军的F15 战斗机或任何其它型号的轰炸机发射, F22A、F35 和海军的F /A18 也将配备装有HyFly发动机的弹药。2006年5月, 国会签署命令成立联合办公室以加强高超声速技术的联合研究。参议院2007财年国防授权法规定, 该联合办公室将承担的工作包括统管国防部主要的高超声速项目研究, 并协调国防部和NASA加快打击平台的研制。即使空军或其它军种选择Hy

9、Fly或乘波器系统作为未来打击武器的一部分, 高超声速系统仍然面临一系列研制和试验的挑战, 将经历包括弹头整合、扩展平台整合以及微小改进在内的常规系统设计和研制阶段。HyFly计划总共进行4次飞行发射试验, 2008 年1 月, Hy2Fly项目进行了第4次飞行试验,在飞行了约58 s后坠入了大海。X51A计划2005年9月27 日, 美国空军正式授予空军研究实验室(AFRL)的超燃冲压发动机验证飞行器的代号为X51A。实际上, AFRL在2003年就已经开始研制试验飞行器, 并在2004年1月决定采用普惠公司的超燃冲压发动机验证机乘波器。2004年12月SED通过初始设计评估, 2005年1

10、月开始详细设计, 2007年5月通过关键设计评估, 目前计划在2010年的首次飞行试验中取得了成功。1.2 欧洲国家积极推进高超声速技术开发俄罗斯的高超声速技术仍处于世界领先地位虽然苏联的解体严重影响了俄罗斯许多先进技术的研发, 但其在高超声速技术研究领域仍处于世界领先地位。先后开展了冷、彩虹2等高超声速计划。冷计划自1991 年以来进行过5次轴对称发动机飞行试验,发动机长4. 3 m, 质量593 kg,由SA地空导弹发射。5次试验中, 除第3、4次出现过电子、机械故障外, 其余3 次都十分成功。鉴于俄罗斯的经济现状, 试验都与国外合作, 第2、3次是俄法合作, 第4、5次是俄美合作。5次验

11、证性飞行试验的成功之处包括以下几点:1)实现了亚声速燃烧向超声速燃烧的转变;2) 飞行马赫数最高达到6. 5;3)获得了M a = 3. 5 6. 45飞行速度和相当高的动压飞行条件下有关亚声速和超声速燃烧的飞行试验数据;4)冷高超声速试飞器、超燃冲压发动机模型、试飞器发射系统已经成为一套很完善的试验设备。法国持续推进高超声速技术研究自20世纪60年代以来, 法国从未间断过高超声速技术研究。他们把航程大于1 000 km、高升阻比外形、巡航飞行M a =6 6. 5、使用双模态冲压发动机的高超声速导弹作为首选的应用目标。法国在这一技术领域中的重大进展包括:1) 19601964 年, 用两级火

12、箭进行了10 次飞行试验, 煤油燃料冲压发动机质量为300 kg, M a = 3-5;2) 1992 年, 在法国国防部领导下, 开始国家高超声速研究与技术计划( PREPHA) ;3) 1993 年, 法俄成功进行了M a = 6的联合飞行试验;4) 1994 年, 进行了大流量氢燃料超燃冲压发动机试验;1997年, 进行了用于导弹的大流量(80 kg/ s)的煤油燃料超燃冲压发动机试验; 另外, 1994年11月首次进行优化冲压发动机喷射性能的氢燃烧室试验, M a = 6, 时间为2 min, 气流总温为1 800 K,总压为8MPa, 流量为80 kg/ s;5) 1997 年, 开

13、始为期4 年的德法联合研究计划, 开发性能更先进的、M a = 2 12的双模态冲压发动机。目前还在进行的计划有Promethee 导弹计划和LEA 计划。欧盟合作开展LARPCAT计划2005年春季, 欧盟( EC)启动了一项持续3年的项目, 名为长期先进推进概念和技术。该项目启动了关于持续高超声速飞行推进概念的研究。欧洲航天局欧洲航天技术中心联合了来自6个欧洲国家的工业界、研究所以及大学共同参与该项目, 由位于荷兰的欧洲空间研究和技术中心负责协调。该项目的目标是降低远距离飞行的时间, 为长期( 20 25年)的先进推进概念研究确定一个可靠的技术基础。该项目将实现以下目标:在系统层面上定义高

14、速飞行的需求和工作状态;建立针对超声速下的高速气动高压燃烧以及流体现象的试验数据库;通过数字仿真工具建立并验证物理模型, 从而确定超声速、高压燃烧、湍流以及转捩现象;对质量性能涡轮和热交换器部件的可行性进行研究。LAPCAT项目希望能够重新评估超声速运输机( SST) , 并且通过采用轻型先进材料突破“和谐”式飞机的材料极限, 从而实现4 到8倍声速的飞行。LAPCAT项目的初步参数研究显示,到目前为止M a = 4 5是可行的, 并且有实现M a = 8飞行的潜力。但仍然需要更详细的研究,目前正在对M a = 8的RBCC推进的飞行器进行研究, 以确定其性能。1.3 日本实施高超声速飞行器发

15、展计划日本的高超声速飞行器发展计划主要是指空间运载器计划,20世纪80年代以来, 开展了一大批以HOPEX计划为代表的空天运输计划。这些计划中包括研制采用超燃冲压发动机的高超声速运输机和采用升力体结构的单级入轨或二级入轨的空天飞机。单级入轨的动力装置是吸气式/火箭组合发动机, 二级入轨时以涡喷/超燃冲压发动机作为第一级, 以火箭动力作为第二级。第一级飞行器全长65 m, 翼展30 m, 质量140t,加速到M a = 6、高度30 km时与第二级分离并返回。另外, 高超声速运输机采用涡扇/冲压组合循环发动机, 飞行M a = 5, 高度为20 km。日本很早就开始了超燃冲压发动机技术的研究,

16、20 世纪60年代后期便开展了某些伪激波现象的研究。1987年, 日本宇宙航空研究开发机构( JAXA)开始正式研究超燃冲压发动机。于1993年建成的角田宇宙中心高超声速自由流试车台(RJTF)能够模拟对应M a = 4、6、8的飞行条件(设备出口喷管尺寸为51 cm2 ) 。1994 年以来,RJTF完成了缩比发动机模拟飞行M a = 4、6、8的一系列试验,为吸气式发动机研究打下了坚实的基础, 在2002 年3 月的超燃冲压发动机试验中第一次取得了有效推力; 2003年2 月4日, 燃烧试验中成功地将M a = 4飞行状态的超燃冲压发动机净推力提高到了2 200 kN以上, 不久又在M a = 8试验中取得了当时世界上最高的有效推力。目前正在分步骤地提高M a = 8试验中的推力性能。19