美国陆军先进高超声速武器气动问题分析

Aerodynamic Analysis of US Army Advanced Hypersonic Weapon

作者: 战培国中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，四川绵阳，621000通讯作者. Tel.: 0816-2463134 E-mail: zpg63@163.com战培国（1963- ）男，硕士，高级工程师。主要研究方向：空气动力学。Tel：0816-2463134E-mail：zpg63@163.comCARI, China Aerodynamics Research and Development Center, Mianyang 621000, ChinaCorresponding author. Tel. : 0816-2463134 E-mail: zpg63@163.com

Author: ZHAN Peiguo

关键词：先进高超声速武器;弹道;气动布局;气动力;气动热;边界层转捩

Keywords：Advanced Hypersonic Weapon(AHW);trajectory;aerodynamic configuration;aerodynamic force;aerodynamic heat;boundary layer transition

摘要：高超声速飞行器是临近空间飞行器研究的主要类型之一。本文简要介绍美国陆军先进高超声速武器（AHW）计划背景和试验飞行器构型；探讨和分析了AHW的弹道设计、气动布局特点；跟踪美国类似气动布局构型的气动试验研究开展情况,为相关高超声速飞行器的研究提供参考。

Abstract：Hypersonic flight vehicle is one of the main types of near space vehicle. This paper introduced the background and test vehicle configuration of US Army Advanced Hypersonic Weapon(AHW)plan briefly. Discussed and analyzed the trajectory design and aerodynamic characteristics of AHW. Tracked the aerodynamic characteristics research of US similar aerodynamic configuration. The paper is to provide reference for domestic hypersonic research.

引用格式：ZHAN Peiguo. Aerodynamic analysis of US army advanced hypersonic weapon[J]. Aeronautical Science & Technology, 2015,26(01):07-11. 战培国. 美国陆军先进高超声速武器气动问题分析[J]. 航空科学技术，2015,26(01):07-11.

Received: 2014-09-23; Accepted: 2014-10-30

美国为了达到能从本土出发迅即到达世界各地，完成远程攻击、人员或装备投送、情报/监视/侦察等任务，开展了一系列高超声速技术演示验证计划。例如：美国海军和国防部预研局（DARPA）联合开展的高超声速研究计划-TATTLRS（高速打击）计划；美国空军和DARPA 开展的“猎鹰”计划（Falcon program）；美国空军的X-51A飞行演示验证计划、“黑雨燕”高超声速飞行试验计划；以及DARPA发布的“一体化高超声速空气动力学”（ Integrated Hypersonics，IH）计划。美国陆军则开展了先进高超声速武器（Advanced Hypersonic Weapon，AHW）计划，并成功地进行了飞行试验。

1 AHW计划

1.1 发展背景

AHW计划是在国防部快速全球打击办公室（OSDPGS）的资助和指导下开展的，由美国陆军航空和导弹研究发展工程中心（USAAMRDEC）和桑迪亚国家实验室（SNL）合作研究，桑迪亚国家实验室负责助推系统和滑翔飞行器，陆军航空和导弹研究发展工程中心负责飞行器的热防护系统。AHW计划是美国国防部投资6亿美元的常规快速全球打击计划（CPGS）的一个子项，CPGS目标就是使美国具备用常规攻击武器1h内打击全球任何地方的能力。AHW计划的目标是要发展一种能飞行35min、打击6000km处目标的导弹，落点打击精度10m以内。

1.2 试验飞行器

AHW计划试验飞行器主要包括两个部分：

（1）助推发射系统。助推发射系统采用桑迪亚国家实验室的战略靶弹系统（STARS），该系统曾多次用于反导试验的靶弹助推，技术成熟稳定。STARS主要包括三级固体火箭助推器、导航控制系统和头部包裹试验飞行器的整流罩（如图1所示）。其中，三级火箭助推器的第一级和第二级使用的是已经退役的“北极星”A3火箭，第三级为Orbus 1a火箭。STARS总长10.37m，直径1.5m，总重16330kg。

图1 AHW计划采用的STARS Fig.1 STARS in AHW plane

(2)高超声速滑翔体（HGB）。HGB包裹在STARS系统头部整流罩内，在达到预定高度后，从整流罩内分离出来，进行高超声速滑翔飞行试验。HGB采用了头部钝度很小的“尖锥+裙+十字尾翼”的气动布局（如图2所示）。HGB的结构材料包括铝、钛、钢、钽、钨、碳纤维、硅以及其他合金，包括大约1.81kg铬和4.67kg镍；通信系统采用5～50W功耗的发射机，最高400W的射频脉冲；电源系统包括2台锂电池，5台镍锰氢化物电池，单台1.4～27.2kg，1台锂粒子200V驱动器电池，重约27.2kg；推进系统包括约1.4kg的压缩氮气；另外，包括10个小型C级电爆设备用于机械系统运行。

图2 AHW计划的HGB气动布局 Fig.2 HGB’s aerodynamic layout in AHW plan

2 助推-滑翔弹道分析

AHW计划的核心是要验证高超声速滑翔体（HGB）技术。美国桑地亚国家实验室负责高超声速滑翔体（HGB）研究。

桑地亚国家实验室对此类布局的研究有一定基础。早在20世纪80年代，其“桑迪亚有翼高能再入飞行器试验”（SWERVe）计划就在美国能源部与国防部的共同协作下开展。SWERVe是Ma12～14的细长锥体外形机动再入体，锥角为10.5º，配备小尺寸机翼和升降副翼。SWERVe分别在1979、1980和1985年进行过飞行试验。飞行高度为30～70km，速度达7km/s（Ma20.6）。采用类似于AHW计划中双锥气动布局的还有1957～1959年发展的“助推滑翔”导弹（Alpha Draco）与1962～1968年发展的“助推滑翔再入飞行器”（BGRV）。其中，BGRV在1966～1968年先后进行了4次飞行试验。试验时，该飞行器被送到122km的亚轨道，以接近Ma20的速度开始高超声速滑翔，在大约45min内飞行了8047km。试验证明双锥体是一种稳定的气动布局。

目前，助推-滑翔飞行器的弹道主要采用两种：Sanger弹道和钱学森弹道。20世纪30年代，德国科学家Eugen Sanger设想了一种能以Ma10进行滑翔飞行、称为“银鸟”的有翼空间飞行器，1944年，他发表了《火箭助推远程轰炸机》的报告，论证了这种远程助推-滑翔飞行器的飞行原理、推进系统、气动布局、飞行任务剖面、导航和作战模式等，该机由助推火箭发送到地球亚轨道，然后沿大气层上边缘以高超声速跳跃滑翔飞行。此研究处于二战时期，最终只停留在学术层面。但他最早提出了“跳跃滑翔”概念，也就是目前所称的“Sanger弹道”，并得到美、俄等国的重视，如：二战后，美国获得其研究资料，20世纪50年代，Bell航空公司采用火箭助推技术研制跳跃滑翔轰炸机，后来又开展了BOMI计划、DYNASOAR计划等。

图3 Sanger弹道示意图 Fig.3 Sanger trajectory schematic

1948年，钱学森在美国火箭学会年会上作了火箭助推-再入大气层滑翔机动飞行的洲际高速运输系统报告，报告中设想火箭飞机被助推到300km高度后再入大气层，火箭飞机借助空气动力实现远距离滑翔飞行，由此提出了另一种几乎没有大幅跳跃的再入平衡滑翔弹道，即“钱学森弹道”。

图4 钱学森弹道示意图 Fig.4 Qian Xuesen trajectory schematic

AHW计划中HGB滑翔体的弹道未见文献披露。HGB滑翔体与STARS第三级助推器分离位置约在整个飞行航程的1/3略远处。有报道称，分离高度可能在100km左右，分离前第三级助推器上的冷气姿态控制系统（ACS）调整飞行器到一个适宜的姿态，然后HGB分离，开始靠自身气动力和控制面进行飞行试验。HGB上主要携带的是舵面控制机电系统，携带的压缩氮气可能是用于辅助的姿态调整。因此，AHW计划中HGB的飞行弹道应是类似于Sanger或钱学森弹道的一种滑翔弹道，由于仅靠自身气动力，“锥+裙+十字翼”布局的HGB跳跃幅度不会很大。具体的滑翔弹道取决于HGB的气动性能（L/D）、热防护能力，取决于飞行实验计划想验证的制导技术和获取的测试数据等。

3 气动布局分析

AHW计划的目标是要发展一种能飞行35min、打击6000km处目标的导弹，落点打击精度10m以内。由此可见，它既要具备洲际弹道导弹射程远，飞行速度快的优点，又要克服弹道导弹飞行中段弹道固定，易于被拦截的缺点，即它要吸收巡航导弹升阻比高、机动能力强的优点，而克服其飞行高度低、速度慢的缺点。因此，AHW计划需要研究的就是兼具两者优点的一种新型全球迅即打击导弹。由此分析，AHW计划中的HGB滑翔体应具备Ma10左右的飞行速度和防热要求，具有较高的升阻比和一定的容积，满足飞行距离、飞行弹道和姿态调控所具备的气动性能。

高超声速助推-滑翔概念不是一个新概念，自德国Sanger的研究资料被美国获得后，美国高超声速滑翔飞行器研究一直在进行中。例如：1957年，美国空军的“Dynasoar”计划，采用大力神运载火箭发射，滑翔体为带动力三角翼布局；20世纪60年代开展空天飞机计划；90年代又有“Hypersoar”计划，飞行器采用乘波构型，跳跃弹道，以及美国空军航天司令部（AFSPC）提出的通用航空飞行器（CAV）计划，NASA、波音公司、洛克希德•马丁公司等提出并研究了多种气动布局方案，进入21世纪，CAV计划被纳入DARPA和美国空军的“猎鹰”计划，进行了HTV无动力高超声速滑翔飞行验证试验。

图5 各种高超声速滑翔飞行器气动布局 Fig.5 Aerodynamic layouts of various hypersonic glide vehicle

高超声速滑翔体为了获得适应高超声速飞行的构型和满足滑翔所需的较高升阻比需要，所采用的气动布局各有不同（如图5所示），其设计研究主要有4种：

（1）升力体；

（2）锥导乘波体（cone derived waverider）；

（3）吻切锥导乘波体（Osculating-cone Derived waverider）；

（4）锥体加翼类；

由此可见，锥体是高超声速飞行的基本构型；锥体及由其在一定高超声速条件下产生的激波型面构成了锥导乘波体的设计控制面，而吻切锥导乘波体设计则是一种局部的修正，布局设计需要调整各种参数满足升阻比、构型容积、容积率的需要。

AHW计划中HGB气动布局与HTV-1和HTV-2采用的乘波体布局不同，采用了更为常见的“锥+裙+十字翼”布局。该构型相对技术更为成熟，类似的布局在其他类型的导弹中有应用，如美国“潘兴”II战术洲际弹道导弹。AHW计划中的HGB气动布局国外资料未见详细参数描述，但从一些报道的外形看，它采用了适合较高高超声速马赫数飞行的尖锥，头部钝度较小，锥体尾部适度向外扩展形成“锥+裙”弹体构型，这样既增大了弹体容积，也有利于提高飞行稳定性，在此基础上，在弹体中后部设计有相对较长四片“十字”布局的三角翼，有利于提高整个构型的升阻比，三角翼尾部可偏转，这样，更有利于大气层内远程滑翔和机动飞行。

4 类似HGB滑翔体构型的气动特性研究

20世纪六七十年代以来，国外进行了大量的尖锥、双锥、锥+柱+裙以及锥体表面附加控制翼或凸起物的高超声速构型风洞和飞行试验研究，积累了大量锥体布局高超声速气动试验数据。而近十年来，CFD技术的迅速发展，也为研究此类相对简单锥体布局的气动特性问题提供了有利支撑。空气动力学问题研究主要涉及：基本的气动力测试，边界层转捩对气动特性、稳定性和控制特性的影响，转捩对气动热的影响，激波-边界层干扰和流动分离等。

4.1 气动力研究

对气动力的研究主要集中在以下几个方面：

（1）弹翼呈“+”或“×”飞行状态的六分量气动力研究。AHW计划中HGB滑翔体要依靠自身在大气层中飞行产生的气动力进行滑翔和姿态、弹道调整，充分研究HGB滑翔体的气动特性如图6所示，如不同飞行姿态的升阻比、弹翼偏角改变对气动力的影响等，对设计飞行弹道和飞行距离，研究HGB滑翔能力、弹道调控能力是必不可少的。

（2）锥表面的边界层转捩研究。边界层转捩对高超声速飞行至关重要，它影响滑翔体的气动力和气动热性能，国内外对此都有长期、大量的研究。

（3）锥和裙拐角处的流动分离和激波边界层干扰研究；锥体与裙体的交界拐角处流动现象较为复杂，出现分离激波，产生分离区，边界层的分离和再附、激波边界层干扰等复杂流动现象需要研究。

（4）弹翼和锥体激波边界层干扰研究；为了增加滑翔和弹道变化机动能力，弹翼的加入也将对锥体流场产生影响，弹翼和锥体激波边界层以及产生的流动分离对气动力性能的影响需要研究。

4.2 气动热研究

图6 HGB滑翔体的气动特性 Fig.6 Aerodynamic characteristics of HGB gliding body

HAW计划中的HGB滑翔体飞行环境与以往弹道导弹有很大不同，弹道导弹通常在末段再入大气层后飞行时间较短，而AHW计划的HGB滑翔体，需要35min或更长时间在大气层内滑翔飞行，而且飞行高度跨度大，从近空间的稀薄气体到稠密大气，跳跃滑翔弹道飞行，飞行器表面热流变化范围大，表面材料需要承受较大的热载荷变化冲击，因此，其长时间的气动加热和防热需要研究，头锥和翼前缘附近是重点研究对象。

5 结束语

进入21世纪，美国宇航局（NASA）和美国国防部联合提出了国家航空航天倡议（NAI），建议美国发展高超声速飞行器分三步走：近期致力于打击关键目标的超声速/高超声速导弹的研究；中期发展能够全球快速到达的高超声速轰炸机；远期发展经济上可负担的起可重复使用的太空运载器。美国陆军更期望用成熟的技术尽快发展一种新型打击导弹，基于助推-滑翔的高超声速导弹是首选概念。它射程远、机动灵活、突防能力强、精度高，具备常规弹道导弹不具备的一些优点，有较好的发展应用前景。AHW计划演示验证的高超声速技术和方案，例如弹道设计、气动布局、热防护数据、制导和控制技术等，都将为未来助推-滑翔高超声速导弹发展提供宝贵的经验。

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