美国高超声速作战飞机气动布局演化分析

廖孟豪 李宪开 窦相民

摘要：本文梳理了美国军方和军工部门提出的4个高超声速作战飞机概念方案，对比分析了各个概念方案的气动布局特点，按照时间线总结分析了两批概念方案气动布局的演化特征和方向。分析认为，美国高超声速作战飞机气动布局呈现出提升低速特性、降低内外流耦合程度、增加机身容量等演变方向，为紧密掌握高超声速飞机发展方向提供参考借鉴。

关键词：高超声速；作战飞机；气动布局；演化

中图分类号：V2文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2020.11.001

高超声速作战飞机是一种颠覆性的航空武器装备，是作战飞机发展的战略方向。世界各国都在大力研究高超声速作战飞机技术，气动布局就是其中一个重要的研究方向。各国当前对于高超声速巡航飞行器的气动布局主要关注点放在了乘波体布局上，这种布局多应用于单点巡航的高超声速巡航导弹，对于高超声速作战飞机的气动布局特性关注较少，特别是美国自2003年提出高超声速作战飞机发展以来，已先后公布了至少4个高超声速作战飞机概念方案。这些方案在气动外形设计上发生了显著变化，并呈现出逐步收敛的演变趋势。本文将从启动布局特性的角度梳理分析美国高超声速作战飞机设计要求和理念的变化，以深化对高超声速飞机发展方向的理解。

1概念方案及其气动布局特点

1.1 DARPA/空军HTV-3X“黑雨燕”方案

美国国防预先研究计划局（DARPA）和空军在2003年联合启动“猎鹰”计划，首次提出要发展一型可高超声速全球快速到达的高超声速作战飞机，该构想最终在2007年催生了HTV-3X“黑雨燕”项目[1-2]，目标为研制试飞一型可在马赫数Ma6巡航1min的高超声速作战飞机验证机。该项目开展了相关概念方案研究，并制造了一架低速飞行试验缩比样机，以验证其低空低速气动性能，但最终由于获批预算远低于预期，项目在2008年被取消。

HTV-3X验证机（见图1）采用涡轮基冲压组合发动机（TBCC）作为动力，其中涡轮发动机工作范围为Ma0～4，冲压发动机为Ma3～6，可从跑道上水平起降[1-2]。其气动布局特点包括：大后掠角小展弦比边条翼、主翼展长较小、无平尾、双倾斜垂尾、机身扁平和前机身与进气道内外乘波高度一体化设计。进气道布置在靠近飞机外侧的机腹。

1.2波音公司MANTA2025方案

美国空军研究实验室在2010年初公开发布的一份研究报告首次披露了波音公司名为MANTA 2025（见图2）的高超声速作战飞机概念方案[3]，详细展示了其三视图以及典型飞行剖面等信息。该方案采用两台TBCC发动机，最大速度达到了Ma7，可实现水平起降，未公布涡轮和冲压动力详细性能。

全機总体布局非常紧凑，机身主要布置进排气系统和动力系统，二者占据全机大部分空间。采用大后掠凸前缘三角翼无平尾布局，机翼面积进一步减小；采用向内倾斜的双垂尾，全机仅4块舵面（两块升降副翼、两块方向舵）。进气道布置在前机身侧下方，与机头和前机身侧面高度耦合，采用大膨胀比单边膨胀喷管。TBCC组合发动机采用了涡轮与冲压水平布置、左右并联的布局方式。

1.3洛马公司SR-72方案

2013年，洛马公司首度披露了SR-72高超声速作战飞机概念方案及其发展计划[4]（见图3）。该机可作为SR-71“黑鸟”高空高速侦察机的后继机，主要用于反介入/区域拒止环境下的突防和区域情报、监视与侦察任务，并具备对地面目标实施打击的能力。

SR-72高超声速作战飞机全长超过30m，最大速度为Ma6，最大航程与SR-71相当（约5400km），采用两台并联式TBCC发动机（即高速涡轮发动机与亚燃-超燃双模态冲压发动机并联），其中涡轮发动机的最大工作速度将超过Ma3，冲压发动机工作范围为Ma3～6[4]。

SR-72采用了更近于常规高速飞机的布局，采用大后掠角边条、大后掠角无尾三角翼、翼身融合和单垂尾外形。飞机前体下部可在高速时为进气道来流提供压缩，机身设计有凸出的脊背延伸至机身后段，脊背区主要用于布置油箱，边条和三角翼可兼顾低速起降和高超声速巡航升力的需求；两个推进系统舱布置在机身靠近内侧的位置，其进气道大幅后放，始于边条翼下中部。

1.4波音公司2018年新方案

2018年1月，波音公司在美国航空航天学会2018年度科技研讨及展览会上首次公开展出了高超声速作战飞机概念方案模型（见图4），并现场披露了相关概念方案及研制计划等信息[5]。波音公司披露，该方案瞄准的背景型号是未来高速打击和侦察飞机，计划研制一型SR-71侦察机大小、采用两台TBCC发动机的高超声速作战飞机。波音公司未披露该方案的任何指标，只透露最大飞行速度可超过Ma5。

采用大后掠双三角翼无尾加双垂尾布局，机身有明显的细长型凸起脊背，机腹平坦，两侧有明显的棱线型大后掠边条。采用两台TBCC发动机，二者共用进气道和尾喷管。两台TBCC发动机并排紧密布置在机腹中央，TBCC内部则沿用了此前MANTA2025采用的涡轮发动机和冲压发动机左右并联的布置方式，但推测涡轮和冲压等动力单元的具体方案都发生了变化。内转式进气道采用了凸出的中间隔板设计，进气道的位置刚好可以捕获前机身在机头处产生的激波[5-8]。

2气动布局演变方向及动因分析

2.1气动布局演变方向

综合对比新老两批概念方案，气动布局的演变呈现出以下几个方向。

（1）常规高速飞机布局特征增加，乘波体布局特征减少

老方案突出的特点是采用乘波前机身与乘波进气道耦合设计，通过内、外乘波流流场追踪前机身外形和内转进气道外形，通过获得机身乘波特性，提高宽速域飞行性能，满足最大速度Ma6～7飞行。而新方案前体与进气道耦合程度降低，前体以近似平面压缩的形式为进气道提供预压缩气流，机身只是满足大容量低阻力设计要求，通过边条和机翼设计实现宽速域飞行性能。

（2）前机身与进气道耦合程度显著降低

老方案进气道几乎从机头就开始，前机身与進气道前缘高度融合设计。而新方案的进气道起始位置大幅后撤至中机身部位，且全都采用传统的机腹进气方式，极大降低了内外流的耦合程度，使得飞机设计工作更加简洁高效，同时也大幅提高了飞机操稳的鲁棒性，有助于飞机实现更多战术机动动作。

（3）机身容量显著增加

老方案多采用扁平机身布局，机体布置更倾向于利用横向空间，增加机身投影面积，更侧重于高速段利用机身实现增升。新方案则充分发展了法向空间，放弃了扁平机身布局，设计有明显的脊背，气动阻力增大，但机体容量大幅增加，飞机载荷能力和实用性大幅增强。

2.2动因分析

从气动布局的演变可以看出，随着研究的不断深入，美国高超声速作战飞机设计要求和理念也在不断调整和变化，这也在一定程度上反映了高超声速作战飞机的发展趋势。

（1）速度指标要求显著降低

2007—2009年的HTV-3X和MANTA2025方案速度指标为Ma6～7，2013年提出的SR-72方案降低到了Ma6，到2018年时波音公司更是降低到了Ma5。作为高超声速作战飞机最核心的战技指标，速度要求的不断降低是气动布局演变的最直接原因。新方案显然已经不再一味追求速度高，相比老方案舍弃了部分高速气动性能。当然，速度指标降低应该是综合权衡了作战需求和技术可行性的结果，气动设计难度只是其中考虑的因素之一。

（2）更加注重低速和跨声速气动性能

从Ma3级SR-71飞机不能满载起飞来看，对于具备一定武器装载能力和航程需求的宽速域高超声速飞机，低速起降升力与高超声速飞行升力匹配设计难点极大，升力设计把起降状态作为设计点；4种方案都采用并联组合动力系统，需求总体容量大，同时跨声速阶段冲压发动机工作，内流流动复杂，导致全机跨声速阻力急剧增加，轴向过载极小，正是如此，新方案采用大长细比脊线机身、跨声速面积律修形等设计，提高跨声速气动效率。

（3）降低了动力和热防护等技术难度

新方案大幅改善了低速段气动性能，显著降低了对TBCC组合动力中的涡轮发动机的压力。事实上，美国最早第一批方案准备采用的是Ma0～4的高速涡轮动力，但截至目前美国也只在地面完成了Ma3.2的小尺寸高速涡轮发动机试车，距离Ma4尚有较大差距。因此基于Ma3级的涡轮动力，将飞机速度降至Ma5+显然是比较科学合理的决策。此外，新方案布局大幅减少了外露扁平结构，提供了更多内部空间，更有利于飞机热防护、综合热管理以及其他机载系统的设计。

3结束语

本文梳理了美国DARPA/空军、波音公司和洛马公司自2003年以来公开发布的HTV-3X等高超声速作战飞机概念方案。分析表明，美国高超声速作战飞机气动布局向提升低速特性、降低内外流耦合程度、增加机身容量等方向演变，由此进一步反映出美国在不断降低指标要求和技术难度，以显著增加高超声速飞机的可实现性和实用性。

参考文献

[1]Dr Steven W，Ming T，Sue M. Falcon HTV-3X-A reusable hypersonic test bed[C]// 15th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference，2008.

[2]Ming T，Ramon L C. The quest for hypersonic flight with airbreathing propulsion[C]//15th AIAA International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference，2008.

[3]The Boeing Company. Predictive capability for hypersonic structural response and life prediction：phase 1-identification of knowledge gaps[Z]. US：AFRL，2010.

[4]SR-72：son of Blackbird [EB/OL].（2013-11-01）. https：// aviationweek. com/Article. aspx？id=/article-xml/awx_11_01_ 2013_p0-632731.xml.

[5]Guy N. Boeing unveils hypersonic‘Son-Of-Blackbirdcontender.[EB/OL].[2018-01-11]. http：//awin. aviationweek. com/Articles Story.aspx？id=6267237e-e466-4c27-be75-cd963a5a6712.

[6]田宏亮.临近空间高超声速武器发展趋势[J].航空科学技术，2018，29（6）：1-6. Tian Hongliang. Development trends of near space hypersonic weapon[J]. Aeronautical Science & Technology， 2018， 29（6）： 1-6.（in Chinese）

[7]刘济民，沈伋，常斌，等.乘波体设计方法研究进展[J].航空科学技术， 2018，28（4）：1-8. Liu Jimin， Shen Ji， Chang Bin， et al. Development trends of near space hypersonic weapon[J]. Aeronautical Science & Technology， 2018， 28（4）： 1-8.（in Chinese）

[8]王驥飞，蔡晋生.型面渐变内收缩进气道设计方法研究[J].航空科学技术， 2017，27（1）：30-35. Wang Jifei，Cai Jinsheng. Research on design of shape morphing inward turning inlet[J]. Aeronautical Science & Technology， 2017， 27（1）： 30-35.（in Chinese）

（责任编辑王为）

作者简介

廖孟豪（1985-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：高超声速飞行器总体论证与情报研究。

Tel：010-57827548

E-mail：liaomhadr@163.com

李宪开（1984-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：高超声速飞行器气动设计研究。

窦相民（1988-）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：高超声速飞行器总体设计研究。

Evolution Analysis of Aerodynamic Configuration of Hypersonic Military Aircraft in USA

Liao Menghao1，*，Li Xiankai2，4，Dou Xiangmin3，4

1. Chinese Aeronautical Establishment，Beijing 100029，China

2. Yangzhou CIRI，AVIC Shenyang Aircraft Design & Research Institute，Yangzhou 225000，China

3. AVIC Shenyang Aircraft Design & Research Institute，Shenyang 110035，China

4. National University of Defense Technology，Changsha 110035，China

Abstract： The paper reviews all 4 hypersonic military aircraft concepts released publicly by U.S. military departments and industries， contrasts aerodynamic configuration of those concepts， analyses the trends of aerodynamic configuration of U. S. hypersonic military aircraft. It concludes that the developing directions includes improving aerodynamic performance at low speed， reducing coupling degree between the internal and external flow， increasing the airframe volume， etc.， which could help to closely understand the evolution of hypersonic military aircraft.

Key Words： hypersonic； aircraft； aerodynamic configuration； evolution