国外高超声速组合推进技术概述

推进技术是高超声速武器的核心技术,以超燃冲压发动机为基础的高超声速组合推进技术是高超声速武器的首选动力方案。本文介绍了几种以超燃冲压发动机为基础的组合推进方案,并简要介绍了美国、日本以及印度的技术发展现状。     

高超声速武器是美军摆的迷魂阵吗？

发展高超声速武器是2010年的一个热点2010年,世界武器装备发展的一个热点是所谓的高超声速武器。高超声速飞行是指飞行器的飞行马赫数大于5的飞行。美国发展以超声速燃烧冲压发动机为核心的高超声速技术,自上世纪50年代末开始,已经50多年了。在这过程中,它的发展态势一直是时高时低,不大顺利。其困难之处,就在于超燃冲压发动机的工作,就像要在12级飓风中点燃一支蜡烛一样困难。2010年5月26日,美国空军研制的高超声速巡航导弹的验证飞行器X-51A进行了飞行试验。     

高超声速跳跃飞行武器研究

介绍了高超声速跳跃飞行武器的基本概念和发展历程。阐明了弹道一升力式和跳跃式再入大气层返回轨道两种沿大气层跳跃飞行轨道技术的原理、实现途径，以及高超声速跳跃飞行武器的基本特性。此外还分析了美国Demo方案中高超声速航天飞机的主要用途、性能参数及主要的关键技术。     

简讯

ATK公司试验高超声速发动机据报道,ATK公司已验证了一种简化的高超声速发动机,这使在近期发展一种高速攻击武器成为可能。试验包括马赫数为5的主动燃料冷却发动机在地面的运转。在空中或地面发射后,装有该发动机的导弹由火箭加速到高超声速,热喉道冲压发动机(TTRJ)点火,以维持马赫数为5的巡航,可在8 min内飞行650 km。根据单一马赫数设计避免可调进气道的复杂性,选择马赫数为5则无需采用稀有材料、超声速燃烧和复杂的冷却和控制系统。ATK公司的ALRJ-M5发动机采用现成的金属材料和制造工艺以及常规的JP10碳氢燃料。据称,该发动机已作…     

面向控制的可变形乘波体概念设计与分析

针对高超声速乘波飞行器强耦合、非线性和大包线飞行等特点,在概念设计阶段将智能变形技术引入到乘波体设计中来,根据不同飞行状态调整乘波体外形,实现飞行性能的最优化.利用高超声速空气动力学和具有热增加的准一维流估算乘波体表面气动力和发动机推力,建立可变形乘波体的参数化数学模型.仿真分析可高燃冲压发动机性能和乘波体气动特性随结构变化的关系,针对发动机性能提出了变形的依据.通过经典的内外环分布式控制器控制可变形乘波体的姿态稳定的同时具有一定的指令跟踪能力,并且验证了形变对飞行和控制性能的影响.     

状态/输入约束下飞-推一体化的保性能安全控制

基于飞行-推力一体化思想提出了一种针对搭载超燃冲压发动机的吸气式高超声速飞行器速度通道的状态/输入约束自适应鲁棒保性能安全控制方案。首先根据超燃冲压发动机的机理分析与计算流体动力模型数据，建立了安全子系统与性能子系统面向控制的仿射非线性模型。之后基于障碍Lyapunov理论与动态面设计方法设计了一套安全子系统状态约束控制器，从理论上保证了飞行器在跟踪指令的全过程中，发动机相关状态不会触碰安全边界，并结合自适应技术与辅助系统提高了该控制系统的鲁棒性。针对性能子系统设计了一套鲁棒自抗扰控制器，达到“保证安全的前提下不折损性能”的目的。仿真结果表明所设计的控制系统可以在保障安全的同时达到预想的性能，并显著放宽了超燃冲压发动机对飞行器飞行姿态的约束，保证了高超声速飞行器的机动灵活性。     

国外高超声速飞行器及技术发展综述

正高超声速飞行器一般指飞行速度超过马赫数5、主航程在临近空间(距地面20~100千米)的有翼或无翼飞行器。本文研究的高超声速飞行器主要包括高超声速打击武器和高超声速飞机,鉴于能够跨大气层飞行的空天飞行器可以在临近空间实现高超声速长程飞行,因而也纳入本文研究范围。高超声速飞行器近20年来发展迅速,其具     

美国高超声速导弹武器研制进展及思考

正高超声速导弹武器因具备飞行速度快、机动性强等突出特点,能有效突破敌方防空和导弹防御系统的拦截,实施对高价值目标的精确打击,是主要军事国家优先发展的武器装备。为了在大国战略博弈中获得竞争优势,尤其是应对俄罗斯高超声速导弹进入实战部署带来的挑战,美国积极推动高超声速攻防导弹武器系统的发展,加强高超声速导弹研制基础设施建设。本文在分析美国高超声速导弹武器最新进展的基础上,提出几点启示与思考。     

弹性高超声速飞行器建模及精细姿态控制

为保证超燃冲压发动机的良好进气,需要对高超声速飞行器进行精细姿态控制,但弹性振动问题极大影响其精细姿态控制精度。以高超声速飞行器的纵向通道为例,分析弹性振动问题对飞行控制系统的影响,建立面向控制的弹性高超声速飞行器数学模型,考虑气动参数和模态参数的大范围摄动,采用主动控制策略,基于鲁棒H∞理论和LQR理论设计精细姿态控制系统。大量仿真表明：在考虑测量噪声、舵机非线性、参数大范围摄动的情况下,控制系统能够很好地跟踪刚体攻角,抑制弹性攻角,并保证进气口当地攻角±0.4度的控制精度,满足高超声速飞行器精细姿态控制的要求。     

2013年国外高超声速技术发展回顾

2013年，国外高超声速技术保持快速发展态势。美国成功地进行了X-51A的第4次飞行试验，实现超燃冲压发动机技术的重大突破；洛马公司提出新型高超声速飞机SR-72的研制计划，国防高级研究项目局（DARPA）发布“试验性空天飞机”（XS—1）招标公告，继续拓展高超声速飞行器的未来应用。     

高超声速乘波飞行器气动实验研究

以绕楔高超声速流场为基础，用流线追踪法生成了一种高超声速飞行器气动概念构形、初步探索了高超声速飞行器机身/推进系统一体化气动构形设计方法，开展了高超声速测压实验，结果表明：该类构形飞行器在高超声速飞行时，可以产生较高的升阻比，前体的预压缩效果明显，是以吸气式冲压发动机动力的有效途的飞行器构形。     

冲压空气涡轮泵供应系统方案设计及特性分析

为了把冲压空气为动力的涡轮泵供应系统从亚燃冲压发动机拓展应用至超燃冲压发动机,基于煤油燃料的双燃烧室冲压发动机(DCR)提出了一种冲压空气涡轮泵供应系统方案。供应系统的设计方案中,对涡轮泵选型、系统的调控策略及取气/排气方案进行了初步设计。同时,建立了供应系统的静态模型,通过系统压力、流量及功率平衡组成非线性方程组,使用牛顿迭代法对非线性方程组进行数值求解,得到了冲压空气涡轮泵供应系统在不同工况下的静态特性。最后,分析了飞行Ma范围在3.5~5.5下涡轮泵的性能和调节的变化规律。结果表明,涡轮所需的空气流量约占DCR发动机捕获空气总流量的3%,取气方案对发动机气动性能影响不大;离心泵的特性参数相对稳定,可以一直处于高效率工况下工作,但系统对增压后的燃料利用不足,造成涡轮功率利用率较低。     

空军航空高超声速系统:需求,方案及技术要求之间的关系

为了协助美国空军高超声速技术发展战略的制订，本文评估了作战部队对高超声速武器系统的潜在需求和研制各种高超声速武器系统方案所需要的技术，这项评估包括选取一些可能解决已查明的作呀部队短缺问题的高超声速系统方案和评估实施这些方案所必需的各项技术，然后根据每一种技术在满足用户需求和方案中记分次数的多少加以排队，以确定该项技术的普遍适用程度。研究结果表明，高超声速系统能够满足大量的用户需求，高超声速系统固有     

基于并联协作混合遗传算法的高超声速巡航飞行器一体化优化设计研究

遗传算法能以很高的概率找到全局最优解，不需要目标函数和约束条件的梯度信息。适合于工程优化设计。为增强遗传算法的局部搜索能力，提出了一种新的融合模式搜索方法和Powell方法的并联协作混合遗传算法。研究超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航飞行器的一体化优化设计。系统分析了机身和超燃冲压发动机设计参数对飞行器总体性能的影响。通过建立高超声速巡航飞行器质量模型、气动力估算模型、气动热估算模型、超燃冲压发动机性能分析模型、控制模型和弹道分析模型，在满足参考任务要求的前题下，以飞行器起飞质量为目标函数，将并联协作混合遗传算法应用于最优总体方案和超燃冲压发动机方案一体化设计。完成了6设计变量的全局优化计算。算例表明，本文建立的一体化设计模型基本正确，并联协作混合遗传算法是用于高超声速巡航飞行器一体化优化设计的较好的优化算法。     

美军高超声速武器技术发展及影响

正"高超声速"的概念源于我国"导弹之父"钱学森。1946年,尚在美国从事研究工作的钱学森发表了著名的论文《高超声速相似率》,建立了高超声速飞行的基本理论。经过70余年的发展,随着临近空间高超声速飞行技术的成熟,以美俄为代表的军事强国近年来竞相发展高超声速武器,力图在这场极限竞速中抢占先机。高超声     

2022年国外高超声速武器发展回顾

<正>2022年,世界各主要军事力量继续追求高超声速能力。美空军AGM-183A成功试飞,多个高超声速武器型号取得进展,第一款高超声速武器可能在2023年部署。俄罗斯在战场上用实战将高超声速武器推上了世界舞台,并继续推动其高超声速武器的部署工作。朝鲜面对美韩挑衅,高调试射其高超声速武器。英澳通过AUKUS联盟与美国合作,希望能够获得高超声速能力。高超声速武器作为近几年的明星武器继续受到世界关注。     

新型高超声速飞行器的气动设计技术探讨

气动技术是高超声速飞行器的重要支撑技术。目前高超声速飞行器迅速发展,飞行器向外形 复杂化、大气层滑翔飞行方向发展。高超声速飞行器飞行时间加长,飞行距离延长。新型高 超声速飞行器的迅速发展向空气动力学领域提出了众多高难度的问题,需要研究新的技术加 以解决。结合高超声速飞行器发展的方向和一些典型项目的气动需求,针对高超声速飞 行器可能的新型气动布局和相应的气动设计技术进行了探讨。
     

吸气式高超声速飞行器助推-巡航轨迹优化

针对吸气式高超声速巡航飞行器建立了纵向平面内的二维轨迹优化模型(包括火箭助推段和吸气式飞行段),其中大气模型、气动力模型和发动机模型均建立了比较详细的模型,能够比较全面、准确地描述吸气式高超声速巡航飞行器的特征;基于配点法建立了适用于高超声速巡航飞行器助推-巡航轨迹优化的方法,在求解非线性规划时引入了规范化处理、稀疏分析和偏导数计算方法等,以提高优化效率;对吸气式高超声速飞行器助推-巡航轨迹进行了优化研究,分析了典型设计参数变化对最优轨迹的影响。仿真结果表明:所建立的方法能够快速、高精度求解吸气式高超声速巡航飞行器轨迹优化问题,并且能够方便地分析设计参数变化对最优轨迹的影响,可用于吸气式高超声速飞行器飞行剖面设计与优化。     

高超声速跳跃式飞行器弹道特性分析与优化设计

对高超声速跳跃式飞行器的弹道特性与参数优化问题进行了讨论。首先介绍了高超声速跳跃式飞行器的概念与基本特征,接着详细分析了初始弹道倾角、初始速度、配平升阻比和初始质量对周跳弹道特性的影响,然后运用NSGA\|II算法实现了同时以飞行时间最短和能量最省为性能指标的弹道参数优化设计,最后通过与传统的定常巡航飞行进行比较说明了跳跃式飞行方案具有节能、快速抵达等优点。结果表明,上述方法适用于高超声速跳跃式飞行器的方案论证与初步设计。     

高超声速飞行器机体／发动机耦合建模与控制

为了真实的反映高超声速飞行器机体、发动机间的耦合特性,首先建立了超燃冲压发 动机预压缩面、进气道、燃烧室、尾喷管、外喷管的数学模型,推导了以敏感度方程表示的 机体对发动机的耦合模型和发动机对机体的耦合模型,然后建立了飞行器点火飞行段的数学 模型,并进行了简单的校核,最后基于变结构控制理论设计了一种简单的开环＋闭环的控制 系统。模型的简单校核及控制系统仿真表明建立的模型定性上符合高超声速点火飞行段的飞 行特性,设计的控制器在存在干扰、噪声、拉偏时能够快速收敛,且鲁棒性强。