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从经费预算看美国高超声速领域发展趋势

北京航天长征科技信息研究所 韩洪涛
临近空间高超声速飞行器具有飞行高度高、速度快以及高效的突防和攻击效能等特点，现已成为世界各军事强国谋求空天优势，抢占临近空间战略制高点的重要举措。但是，临近空间高超声速飞行器是一个全新的领域，其技术储备相对不足，在发展过程中面临着极高的技术风险和挑战。美国在高超声速技术领域开展了大量的预研和研制项目，但由于技术难度和经费的限制，这些项目至今没有研制出成熟的武器型号。在此过程中，美国多次调整高超声速技术的发展重点，但一直保证持续的经费投入，通过近年来的经费预算可反映出．其在高超声速领域的发展趋势。
一、美国高超声速经费投入概述
上世纪50年代以来，美国在高超声速领域的经费投入呈周期性变化，先后经历了航天飞机、国家空天飞机等发展高潮，在90年代后期重新转向概念研究和技术验证。进入21世纪后，美国高超声速经费投资重心转向军用项目，呈现“以军带民”的趋势。在2001年国家空天倡议(NAT)指导下，美国军方和NASA各自投资发展高超声速巡航飞行器项目和组合循环动力技术研究。经过近10年的发展，美高超声速飞行器在2010～2013年进入密集飞行试验时期，X-37B、HTV-2，“先进高超声速武器”(AHW)和X-51A连续开展飞行试验。2014年，在HTV-2和X-51A之后，国防高级研究项目局(DARPA)和空军联合发展战术高超声速武器。图1给出了美国近10多年来高超项目的经费投入情况。预算数据来源于美国政府的财年预算文件，从各军方单位的高超声速项目预算综合而来，图中不包括NASA的基础性研究投资。以X-37B为代表的空间机动飞行器项目，由于研制经费保密，不在图中显示。
在近年国防预算大幅削减的背景下，美国仍然维持对高超声速研发领域较高的经费投入，2013～2015财年各年主要高超声速项目的总经费均达2亿美元以上，2016财年申请预算约2.44亿美元。现阶段，美国国防部、DARPA和空军是推动高超声速技术研究的主要机构。其中，国防部主要负责快速全球打击项目，推动战略型高超声速滑翔导弹的研制；DARPA重点开展高超声速预研项目，开展战术型高超声速滑翔和巡航导弹的技术演示验证；美国空军则广泛开展各类吸气式高超声速武器的技术研究。

二、高超声速滑翔领域项目的经费投入
美国在高超声速滑翔弹领域重点发展的项目包括CAV/HTV-2、AHW以及“战术助推滑翔” (TBG)系统。
1．HTV-2的研究
200-#，DARPA和美国空军联合制订了“猎鹰”计划，具体负责CAV及其增强型ECAV的研制工作，用于实现常规快速全球打击。2005年，CAV/ECAV项目被更名为“高超声速技术飞行器”(HTV) -1／HTV-2。从2003年起到2012年止，美国先后通过3个项目为发展CAV技术提供资金支持，分别是“猎鹰” (FALCON)项目、“通用再入飞行器” (CAV)项目和“常规快速全球打击” (CPGS)项目，实际投入的累积资金已达6.68亿美元。表l给出了这3个项目的投资年份和经费。
“猎鹰”计划除发展CAV技术外，还研究小型运载火箭(SLV)技术和高超声速巡航飞行器(HCV)技术。但到后期随着SLV和HCV项目被取消，“猎鹰”计划下的资金已经全部用于发展HTV-2。CAV项目包含了对所发展的高超声速技术在真实作战条件下的能力评估，更侧重于研究通用再入飞行器技术的实战应用性能以及降低作战成本的可行性。
从2008年开始，在“快速全球打击”(PGS)项目下，美国国会通过“高超声速滑翔试验与方案验证”子项目给予“常规打击导弹” (CSM)方案以资金支持，开展飞行试验以及具体的研究工作。该项目在2010年和2011年两次开展HTV-2飞行试验，均告失败。虽然没有取得飞行试验的成功，但积累了滑翔飞行器研制的大量经验。2012财年，该项目完成HTV-2的故障调查，标志着HTV-2计划的研究工作正式结束。
2．AHW项目
AHW是陆军发展的快速全球打击体系下的中远程高超声速助推滑翔系统，射程大约为7778千米。2008年，AHW开始由国防部CPGS项目提供经费。截至2015财年，AHW总计获得经费达5.5亿美元。
AHW最初是作为HTV-2的替代方案开展研制，现已经成为常规快速全球打击的主要方案。目前，已经开展两次飞行试验，首飞成功，第二次飞行失败。AHW首飞试验已验证方案的技术可行性，具备了武器化条件，因而该型号被认为是可能最先实现部署的战略滑翔导弹。
根据预算文件，PGS项目将支持海军在2017财年开展潜射型AHW的第一次飞行试验，试验飞行器为缩比的AHW滑翔飞行器。海军的第二次飞行试验将在2020财年开展。此外，该项目还将在2015财年开展中程动能射弹(KEP)战斗部的滑橇试验。
3．TBG项目
TBG系统在2014财年由DARPA和空军联合启动，旨在发展、验证战术射程的空射高超声速助推滑翔系统的关键技术。DARPA副主管史蒂夫·沃克透露，TBG的目标是在HTV-2的基础上将高升阻比气动外壳和热防护按比例缩小，使其成为空射或舰上垂直发射的战术级武器。该武器能在10分钟内飞行超过1852千米。
根据预算计划，该项目在201 5财年将完成验证系统和作战系统的方案设计评审和作战分析；在2016财年，将完成初步设计评审，并开始制定飞行试验计划。此外，美国空军的“高超声速集成与验证”项目对TBG的研制也有一定的支持。
2015年4月，雷神公司获得TBG导弹项目的追加合同，合同总经费达2048.9万美元。雷神公司表示，正在开展该导弹的设计工作，预计在2～4年内开展第一次飞行试验。
三、高超声速巡航导弹/飞行器经费投入
美国空军投资开展X-51A飞行器的研究，验证高超声速巡航导弹的发动机技术。在高超声速飞行器方面，美国空军和DARPA重点开展组合循环发动机的技术攻关。
1．X-51A计划
X-51A由空军研究实验室和DARPA联合主持，重点检验双模态碳氢燃料超燃冲压发动机在飞行中的性能；共进行了4次飞行试验，其中首飞试验取得部分成功，第2次和第3次试验失败，第4次试验取得圆满成功。在最后一次测试飞行中，X-51A在约6分钟的时间里飞行了约230海里（1海里-1. 852千米），最高飞行速度达到5倍多音速。后续，美国空军计划在X-51A飞行试验的基础上，进一步发展武器化的“高速打击武器”(HSSW)。
X-51A验证机的研究从2004财年开始，由空军的“先进空天推进”项目提供经费，2013年完成第4次飞行试验后结束。从2004年起到2013年止，美国为发展X-51A技术而实际投入的累积资金已达2.1亿美元。
2．HAWC研究
作为HSSW计划的一部分，DAPRA与空军在2014财年联合启动“高超声速吸气式武器概念” (HAWC)项目，将完成高效、低成本空射型高超声速巡航导弹关键技术的飞行演示验证。这些关键技术包括先进高超声速飞行器布局、碳氢燃料超燃冲压发动机推进系统、热管理系统和经济可承受的系统设计与制造方法。预计2019年前进行飞行演示验证。
此外，美国空军通过多个项目来支持高超声速巡航弹所需的关键技术研究。原本投资X-51A的“先进空天推进”项目从2014财年开始投资HSSW，继续支持超燃冲压发动机技术的进一步成熟，2014～2016财年规划的总预算接近7000万美元。
美国空军在2015财年启动“高超声速集成与验证”项目，重点支持战术滑翔类和巡航类高超声速系统的研发和演示试验，其研究目的是将飞行器技术与航电设备、推进和战斗部及其它分系统进行系统级集成，用于非理想作战环境下的演示验证。该项目2014～2016财年规划的总预算约1.6亿美元。
3．“猎鹰”HTV-3X及发动机研究
在“猎鹰”计划中，美国曾提出发展“高超声速巡航飞行器” (HCV)，作为全球快速精确打击体系的远期发展目标。HCV是一种可从常规军用跑道上起飞、可重复使用的无人高超声速巡航飞行器，飞行高度大概在35～75千米，采用涡轮基组合循环发动机(TBCC)作为推进系统。图4示出了HCV验证机HTV-3X的TBCC推进系统。
DARPA在2008财年申请将HTV-3X验证机纳入一项独立计划，重新命名为“黑雨燕”项目。但国会将HTV-3X项目申请的1.2亿美元的经费大幅度削减至1000万美元，该项目随即停止。
在HTV-3X项目取消后，DARPA后续开展了模态转换项目（即MoTr计划），对在马赫为0至6范围阿工作的TBCC系统开展地面试验。2009年5月，完成缩比的进气道和圆形冲压燃烧室在马赫数为4的条件下的自由射流试验。项目在2011财年完成TBCC发动机模型的设计分析后被中止，尚未开展整机试验。
4．空军“组合循环发动机” (CCE)研究
根据NAI倡议，美国空军在2002财年通过项目整合设立“先进推进技术”项目，研发吸气式组合循环推进技术（含RBCC和TBCC），支持高速／高超声速武器和飞机方案。研究对象为组合循环技术、冲压发动机和高超声速超燃冲压发动机技术，重点为具有较宽速域（马赫为0至4和马赫为5至7）的碳氢燃料发动机。从2002财年到2015财年，美国空军已经累计在该项目上投入2.68亿美元经费。
该项目在初期曾开展超燃冲压发动机的研究工作，支持X-43C设计和X-51A试飞。从2002年起，美国空军在CCE计划下启动对几种组合循环方案的实用性和可行性的评估，其中包括TBCC动力的“快星”和RBCC动力的“哨兵”方案。
近年来，美国空军持续开展组合循环发动机关键部件的设计与试验，如与NASA共同于2011年开展的截平式进气道的大量风洞试验，成功验证了适合马赫为4的涡轮发动机的进气道的开环模态转换。
2013～2015财年，美国空军“先进推进技术”项目持续开展了以下研究内容：
研发先进发动机部件，提升超燃发动机运行余度，并改进超燃发动机缩比定律，以实现可重复使用的目的；
开展技术研发，将超燃冲压发动机的接力速度从马赫4.5降低至马赫3.5，以实现鲁棒的组合循环发动机方案；

研制低内阻的火焰稳定装置和用于飞行试验的发动机部件。启动中等尺寸（10倍）超燃冲压发动机的直连测试，试验运行条件为马赫3.5～7。
四、高超声速领域发展趋势预测
在经过十几年持续经费投入后，美国在高超声速领域取得显著的技术进步，已经形成高超声速滑翔和巡航武器工程研制的深厚基础。近年来，主要高超声速研究项目的研究重点从技术攻关转入武器化研制，未来型号的研制和部署计划更加明确。
1．以“快速全球打击”任务为牵引，构建射程全覆盖的高超声速武器型谱
在“快速全球打击”任务的牵引下，美国选择临近空间高超声速装备作为发展对象，拟建设射程覆盖近、中、远，具备战略／战术打击能力的高超声速武器装备型谱。滑翔飞行器HTV-2和AHW所验证的洲际射程和中远程武器技术，以执行全球快速打击任务为目标。X-51A验证的高超声速巡航导弹以及战术滑翔导弹将实现防区外快速精确打击，而技术更加复杂的可重复使用巡航飞行器将实现全球范围的侦察和打击能力。
2．滑翔武器向战略战术并重方向发展，部署方式由陆基向多平台拓展
未来一段时间，国防部“快速全球打击”项目将继续投资AHW系统，致力于战略型高超声速滑翔导弹的发展。而DARPA的TBG项目启动，表明未来美国助推滑翔武器的发展将由突出战略打击向战略、战术并重发展。从预算计划来看，AHW将很可能首先发展成为美国海军战略型潜射高超声速助推滑翔弹，同时也将为陆基型提供充分的技术储备。此外，TBG项目瞄准战术型机载和舰载高超声速助推滑翔弹，预计在本世纪20年代可实现装备部署。
3．高超声速巡航导弹武器化进程加快，重点开展关键武器分系统的研制
X-51A第4次飞行试验的成功，打消了对超燃冲压推进系统的质疑，标志着超燃冲压发动机技术初步具备将试验技术转向实践应用的基本条件。美国高超声速巡航飞行器目前具备4～5级技术成熟度，后续将发展传感器、有效载荷、构型方案与模块化技术以及平台集成技术。美国空军科学咨询委员会于2014年8月发布报告称，当前组织开展的技术攻关和飞行演示验证，可使关键武器分系统的技术成熟度在2020年提升到6级以上，战术机载高超声速巡航导弹预计将在2025年前后装备部队。
4．高超声速巡航飞行器遵循渐进的策略，近期重点开展发动机单项技术攻关
据美国空军研究实验室主任马斯洛在2014年透露，美国空军在高超声速巡航技术领域将采取三步走的总体路线：在2020年后研制出高速打击武器；在2030年后研制出可重复使用次数有限的短寿命飞机；在2040年后，研制和部署长寿命高性能的飞机。但从预算来看，自HTV_3X之后，美国政府至今尚未投资明确的高超声速巡航飞行器项目。不过在关键技术方面，美国空军持续开展组合循环发动机技术的攻关研究，为未来高超声速巡航飞行器的研制奠定基础。
五、结束语
根据相关项目的预算经费和发展现状，未来10年将是美国高超声速技术攻关的关键阶段，如果进展顺利，预计美军的高超声速滑翔和巡航武器将在2020年到2025年间具备作战能力，形成涵盖战略和战术能力的高超声速武器体系；可重复使用高超声速飞行器可能在2030年以后投入使用，形成全球侦察、打击能力。

-全文完-