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1、高超声速飞行器的关键技术以超燃冲压发动机为动力的高超声速飞行器研制面临一系列技术上的难题.美国(包括俄罗斯等国家)为此付出了近半个世纪的艰苦努力,制定了多个不断变化的发展计划,几经起伏,最终探索出一条比较实际的、循序发展的道路.发展高科技工程必须要有基础研究的积累,在关键技术问题上取得突破,否则,可能导致失败的后果. 当前应当抓紧进行的主要研究和关键技术攻关工作包括: (1)高温气体动力学 高温真实气体效应是高超声速飞行器研制中必须考虑的一个重要问题.对于高温气体非平衡流动问题,已进行了大量的研究
2、.对高温气流中化学反应速率的知识不足,特别是在振动自由度激发、分子离解、表面化学反应等各种因素耦合在一起的情况下,更是知之甚少.目前存在的主要问题是:高温气体热力学特性和化学反应速率常数以及化学反应模型的选取,还有一定的不确定性，这将导致头部激波脱体距离、物面边界层速度剖面、密度剖面和物面热流等重要参数预示上的偏差. 美国人在总结X-43A经验时曾提出要重点研究高超声速对下列问题的影响:边界层从层流转变为湍流的转捩问题,湍流边界层的流动和剪切层的流动,激波与边界层之间的相互作用,燃料喷注入气流、燃料与空气的混合、燃料
3、与空气之间的化学反应,机身与推进系统一体化设计的飞行器性能和可运行范围. 对于上述这些问题的研究,都应当充分利用和发挥现代光学诊断技术和高速数值计算技术所具有的优势. 地面模拟试验设施.目前在美国仅仅存在为数不多的几个可用于高超音速飞行研究的高焓试验设施,而且这些设施在试验范围上还都受到种种限制.各类脉冲型风洞的最高焓值范围可以高达对应马赫数20的飞行速度,但都是短持续时间(1»10ms)的试验设施.试验时间可以相对较长的一些设施,都是污浊(不清洁)空气的风洞,在这些风洞的自由气流内含有燃烧产物,而且它们的
4、最高焓值范围仅限于对应马赫数8以下的飞行速度.与高焓值状态相伴随出现的一些新的流动变量,例如分子振动自由度的激发、各种分子和离子的浓度等,都可以用现代光学诊断技术进行测量,但目前这些技术仅仅在极有限的情况下,在高焓值的地面试验设施上得到应用.能够提供更长试验时间(即从几毫秒提高到几秒量级)的高焓地面试验设施和能够提供更高诊断能力的地面试验设施都是必不可少的.为了能够满足高超音速飞行系统研制开发所提出的要求,可能还需要建设新的地面试验设施. (2)超燃基础和新概念推进研究 在能够促使吸气式高超音速飞行实现的各种关键技
5、术中,推进技术占据首要的位置.对于超燃冲压发动机的研制来说,存在着许多具有挑战性的技术难题,包括:在整个宽广的运行速度范围内(特别是在马赫数超过8的情况下)超燃冲压发动机内部流动,燃烧稳定性与过程优化,地面试验和精细流场诊断、飞行试验以及数字模拟技术;质量轻、耐高温的发动机材料和有效的热管理技术;研究新的发动机技术,以及验证飞行速度大于马赫数8情况下的发动机性能;研究发动机/飞行器一体化设计方法(包括进气道/发动机/尾喷管组合;综合气动力与防热一体化;高升阻比与操稳特性的协调;气动特性与结构完整性设计;气动外形与有效载荷容积要
6、求;多学科多目标(multidis-ciplinarydesignoptimization,MDO)总体优化等.),实现可实际运行的、具有高性能的一体化设计的飞行器方案;如何从低速推进模式转变成高速推进模式的问题,特别是在采用可变几何形状的发动机的情况下,如何实现工况转换的问题. 1991年»1998年间,俄罗斯分别与法国,美国,德国等合作进行了超燃冲压发动机的验证性飞行实验.提出了一系列关键问题.从美俄的经验教训来看,这些基础性的问题不解决,超燃发动机的研制是不会取得成功的,因此在这方面还需下很大功夫. 各种
7、组合式和新概念动力装置研究.现有的动力装置,不论是火箭或超燃冲压发动机,对于在40»70km高度,持续、机动飞行的高超声速飞行器都是不理想的.要积极探索各种组合式和新型动力装置(如:脉冲爆轰驱动、激光/等离子推进、核动力推进等)研究其作用原和实用化问题在这方面如能取得突破,将为未来自主创新和跨越发展争取到主动. (3)新型防热、隔热原理、材料与结构 现有飞行器热防护系统大都是针对战略弹头的,特点是:简单外形、短时间、很高的加热率.采用的主要办法是烧蚀热防护．新一代空天飞行器热防护问题具有不同的特点:复杂
8、的升力体外形、中低热流和长时间加热.为了获得良好的气动特性,一般需采用保持飞行器外形不变的非烧蚀热防护技术,还要解决长时间持续飞行的内部隔热问题.已经建立的宏观热防护理论已不能满足要求,要发展新的热流预示方法;非烧蚀热防护技术;防热结构的一体化设计技术;结构在力／热综合作用下
