1. 引言
高超声速飞机通常是指采用吸气式动力、可在临近空间以马赫数5以上的速度进行长时间巡航飞行、具备水平起降能力、可重复使用的航空飞行器[1]。作为航空和航天领域高新科技的交叉性研究对象，高超音速飞行器与传统作战飞机相比，具有明显的速度和高度优势[2]，可大幅提高对现有防空系统的突防概率，显著压缩从发现目标到摧毁目标的时间周期，实现对时间敏感目标的快速反应，具有巨大的军事应用潜力，是未来大国非接触对抗、空天对抗的战略支点[2]。现阶段世界诸多范围的多个国家已经就针对高超声速飞机开展了概念性设计、进行了关键技术研究和性能验证等研制工作[3]。
美国X-15高超速飞机座位20世界60年代的一项革新性技术研究，其不仅从高温材料的应用和飞机控制系统的创新，还对飞行员在极端条件的胜利反应进行了一系列的深入研究。本文将简要探讨美国X-15高超速飞机的技术特点和部分研究历程，根据现已公开的研究成果与数据样本总结已开展的高超速飞机研究项目的发展情况。针对于现阶段高超声速飞机梳理最新发展现状，重点分析其技术设计的特点及有人驾驶技术等革新设计理念。根据项目发展现状，总结就我国现代高超声速飞机技术发展提出启示建议。
2. 高超声速飞机发展概况
根据国外不同的项目背景，其高超声速飞机新项目可以分为已完成的概念研究项目(表1国外高超声速飞机概念研究性项目)和现阶段正在研制的新型号研究计划(表2国外高超声速飞机在研项目) [3]。21世纪初期欧美国家率先完成了一系列的高超声速飞机概念设计探索研究，为高超声速飞机结构构型和多学科交叉优化研制提供了较为全面的研究思路。
近年来，随着高超声速动力技术的逐渐成熟，美国率先提出了高超声速整机研制计划，投入最大，进展较快，处于领先位势，并重视建立高超声速飞行试验能力，加速高超声速技术向飞机设计的转化。英国紧随其后，成为第二个官方宣布军用高超声速飞机研制计划的国家。
Table 1. Foreign hypersonic aircraft concept research projects [3]
表1. 国外高超声速飞机概念研究性项目[3]
概念型号 |
地域 |
速度要求 |
项目年份 |
主要任务 |
HTV-3X |
美国 |
6.0 Ma |
2002~2008 |
研制TBCC组合动力系统和热结构技术 |
Manta 2025 |
美国 |
7.0 Ma |
2007~2009 |
研制高超声速飞机布局和动力模态转换 |
LAPCAT-A2 |
欧洲 |
5.0 Ma |
2005~2013 |
研制300座高超声速民机 |
LAPCAT-MR1 |
欧洲 |
8.0 Ma |
2005~2013 |
研制300座高超声速民机 |
StratoFly-MR3 |
欧洲 |
8.0 Ma |
2018~2020 |
研制300座高超声速民机 |
Table 2. Foreign hypersonic aircraft under research [4]
表2. 国外高超声速飞机在研项目[4]
项目 |
速度要求 |
研制前景 |
当前研究状态 |
SR-72 |
6.0 Ma |
情监侦打——体军用式飞机 |
投资受限，已推迟研制计划 |
波音“女武神” |
5.0 Ma |
情监侦打——体军用式飞机和民用飞机 |
公布两款概念方案，持续迭代 |
赫尔墨斯“夸特马” |
4~5 Ma |
无人高超声速技术验证机 |
完成TBCC地面测试和缩比模型
超声速风洞测试 |
DIU“飞镖AE” |
5~7 Ma |
高频次、低成本高超声速试验平台 |
正与澳大利亚合作开展研究 |
英国“5号方案” |
5.0 Ma |
高超声速技术验证机 |
公布布局和动力系统概念 |
3. 高超声速X-15飞机的技术设计特点
继上世纪末，美国研制了世界上第一型高超声速飞机X-15，此外大约经历了8年时间的改进、试验、试飞活动，飞行员驾驶该型号飞机以5.7 Ma的速度在空中飞行数米，实现了人类从超声速飞行到高超声速飞行的突破。
3.1. 高超声速X-15飞机总体气动布局特性
在低速飞行时，飞机升力主要由环量升力理论来确定，根据库塔–茹科夫斯基升力环量定律[5]，对于理想流体下任意物体的绕流，只要存在速度环量，就会产生升力。而从升阻比的角度考虑，翼型形状的升阻比较高，因此低速飞机主要依靠机翼来提供升力，机身则主要用来提供足够的容积[6]。后续发展的飞翼布局和翼身融合布局也是在满足飞机容积的情况下，尽可能利用翼型形状来提高整机的升阻比；低速飞机的机翼升力约占全部升力的70%，飞机升力特性主要靠调整机翼设计参数来满足，不同学科间的耦合较小[7]。而在高超声速巡航飞行时，主要依靠全机迎风面压缩/背风面膨胀来提供升力，传统布局则不足以提供足够的升阻比，因此高超声速X-15飞机的气动布局主要以乘波体为主[8]。
乘波体构型在高超声速飞行时产生的弓形激波可以很好地附着在前缘上，使得激波后的高压区域局限在下表面，从而产生比常规构型高得多的升阻比[8]。乘波体的形成主要以机身为主，机身的升力占全机升力的65%左右，因此高超声速飞机的升力主要由机身提供。同时，机身的设计又与进排气系统相互耦合，使得飞机在不同姿态下的升力变化更为复杂。升力机制的变化使高超声速飞机气动布局设计难以兼顾高低速飞行的性能要求。
高超声速飞行时，飞机前机身下表面压缩上表面膨胀产生了相当可观的升力，贡献了一定量值的升力线斜率，从而导致全机的焦点变化。但是由于乘波体设计，使得前机身在不同马赫数下提供的升力存在明显差异，因而全机的气动焦点在全速域范围内变化较为明显。以某型号X-15高超声速飞机公布的概念方案的飞行Ma为参考[9] (如图1)，其在超过3.0 Ma之后焦点会出现逐渐前移的现象。这一新的特性会显著影响飞机在飞行过程总的纵向稳定度，难以保证飞行员稳定操作飞行器，还会带来额外的配平阻力，降低整机升阻比。
Figure 1. Variation of positional information focus with Mach number for hypersonic aircrafts [9]
图1. 高超声速飞机位置信息焦点随马赫数变化关系[9]
传统飞机飞行高度一般在0~20 km，最大速度2.5 Ma左右，单一涡轮动力即可满足要求。高超声速飞机空域扩展至约30 km，最大速度超过5.0 Ma，而涡轮动力受涡轮前温度限制，在现有成熟预冷技术下最多仅能够使用到3.0 Ma，飞行速度再提高的话只能使用冲压发动机，在飞行马赫数大于3时，其进气道的冲压增压已能够代替涡轮发动机压气机的增压作用，同时可以避免相关的涡轮发动机部件被高温热流破坏[10]。
3.2. 高超声速X-15飞机生命保障系统设计技术
根据调研，高超声速飞机在最高飞行高度108公里的飞行条件下飞行时，飞行员主要需要面对身体负荷、失重反应和心理压力等[11]。基于当时的技术条件，高超声速生命保障系统主要由压力与供氧系统、健康监测系统和救生系统等部分组成[12]，对于失重引起的反应，并没有设计特殊的保障系统，而是通过加强地面身体训练使飞行员们提高失重条件的适应性[13]。
在压力与供氧系统方面，高超声速X-15飞机设计师为飞行员准备了一套特别定制的压力服(如图2所示)。这套压力服采用了链接式织网材料，将橡胶压力衣紧紧裹住，从而控制了宇航服的轮廓体积，使其在满足100公里以上高空增压要求的同时，相比当时的宇航服更加轻巧，以便飞行员能够正常活动、操控飞机。压力服中还配有通风设备、降落伞背带、耳机、麦克风、压力调节器、生理逻辑设备电线以及防止面罩雾化的系统等，敷设有隔热层，以应对弹射救生时的高温高压。在增压和供氧方面，飞机座舱(如图3所示)在10,670米以上高度时会自动充氨气增压，同时通过压力服向飞行员供氧[14]。
在健康监测方面，研究人员在飞行服中埋入了多个测量仪器，能够测量心电图、体表温度、氧气流量、血压和压力服的压力。通过监测心率、呼吸频率和血压，研究人员发现，飞行员的心率最高可达每分钟185次，而且从未低于每分钟145次。大多数心率暴增发生在从B-52飞机上起飞之前。这种现象反映了一种紧张心理，而不是直接的身体压力。研究人员对飞行员血压数据的分析证实了之前的结论，即心理因素是影响心率的主要因素。这使航空医学研究对人类适应高超声速和临近空间飞行有了更深入的了解[15]。
在救生系统方面，飞机上专门安装了弹射座椅，最大弹射速度达4马赫，最大弹射高度36,580米。座椅在弹出后会展开翼面稳定姿态，待将到适合的速度和高度时再张开主伞，让飞行员与座椅分离。救生系统为减轻飞行员的心理压力做出了重要贡献。
Figure 2. Pilots and flight suits (X-15) [15]
图2. X-15飞行员以及飞行服[15]
Figure 3. Ejection seat (X-15) [16]
图3. X-15弹射座椅[16]
经过调研可知，高超声速飞行器的飞行员的座椅设计，则是来源于普通拖拉机座舱[16]。当时设计生产农用设备的IHC公司进行过关于座椅的研究，原本长时间驾驶拖拉机是一件很辛苦的事，相关制作方仔细地研究了座椅造型对人体的影响并研制了相应造型的座椅[17]，X-15的设计师则直接将产品搬上了实验飞机。
3.3. 高超声速X-15飞机驾驶系统研究设计
为了使飞行员在高超声速飞行过程中顺利操控飞机，设计师们为高超声速X-15飞机设计了专门的座舱、仪表和飞控系统[16]。在座舱方面，虽然从外表看，高超声速X-15的座舱似乎很狭小，但这只是低矮座舱盖带来的错觉，座舱内部空间实际上比当时大多数战斗机都大。飞行员通过两片风挡玻璃观察前方和两侧。在高超声速X-15降落的最后阶段，其他工作人员会持续向飞行员通报高度和其他参数，帮助他安全降落。高超声速飞行器的座舱后方是一个大型仪器舱，用于进行各种科学实验，为未来太空项目收集有用信息。在座舱仪表方面，X-15飞机的座舱仪表结构简单(如图4所示)，仅提供飞机的三个姿态角、迎角和偏航角，同时标注G值、高度、速度以及火箭发动机发动计时秒表等。这使得X-15飞机的操控十分简单高效，减少了飞行员的负担。
Figure 4. Hypersonic aircraft cockpit (X-15) [18]
图4. X-15高超声速飞机座舱[18]
在仪表和飞控系统方面，研发人员为高超声速X-15飞机设计了一套精确的自动驾驶程序，能够支持飞机启动到四十秒内实现精确可控的自动飞行[17]。实际上，在不出现意外的情况下，这套自动驾驶程序甚至能够满足X-15飞机实验飞行的全部要求。但设计师并没有将全部可靠性都依托在自动驾驶程序上，而是将飞机的最高控制权交给了飞行员。在飞行员参与下，自动驾驶程序主要用于应对简单且需要精确控制的一般情况。一旦出现意外，飞行员能够迅速采取紧急措施进行介入，使飞机重新回到安全包线。在飞控执行机构方面，X-15采用了常规的液压系统。同时为了在高高空空气稀薄气动效率极低情况下调整姿态，X-15在机鼻和两侧翼尖安装火箭推进器(如图5所示)，作为姿态调整的执行机构。
经过调研X-15在整个服役期间先后使用过两种不同的飞控系统：第一种有三根不同的操纵杆，第二种精简到一根操纵杆。在第一种系统中，除了传统中置操纵杆和方向舵踏板外，右侧控制台上还有一根与方向舵交联的侧杆。这根侧杆最初被设计用于大过载飞行，但飞行员实践下来觉得侧杆比中置操纵杆还要好用，于是此后只使用侧杆，使中置操纵杆变成了多余。第三根操纵杆是位于左侧控制台上的另一根侧杆，用于控制反推力系统，可以手动或自动模式操作。后一种模式会同时启动反推系统，一般用于动力飞行期间。第二架X-15更换了霍尼韦尔公司的MH-96飞控系统，把操纵杆数量减少到了一根，将气动和反推力控制功能合二为一，可根据飞行状态自动控制。第三架X-15-3同样安装了这种飞控，并且改进了从气动飞行过渡到太空飞行以及大气层再入的控制精度，同时还降低了飞行员的工作量，对80公里以上的高高空飞行适应性进一步增强。
Figure 5. Rocket propellers mounted on nose and both wingtips (X-15) [18]
图5. 机鼻和两侧翼尖安装火箭推进器(X-15) [18]
3.4. 高超声速飞机试验技术
试验验证是检验高超声速飞行器是否满足设计要求的重要手段，一般分为地面试验、飞行试验等[18]。地面试验包括风洞试验、火箭撬试验与地面模拟试验等[19]。地面模拟试验主要包括力学性能试验、热学性能试验与综合环境试验。
飞行试验能够真实反映结构在飞行过程中的载荷特征，可以记录飞行过程中的各类气流、温度、振动、噪声、热流等试验数据[20]。风洞试验可以模拟结构所承受的气动力等，主要被用于载荷模拟与测试。但是飞行试验与风洞试验的成本较高，且载荷条件的稳定性和可控性、长时间疲劳试验的可行性等方面存在明显缺陷。因此目前强度试验较为广泛采用地面模拟试验方式[21]。随着飞行器在和环境越来越严峻，对地面模拟试验的试验能力也在不断提高，地面模拟试验的主要目的是为了验证高超声速飞行器的结构工艺、确保飞行成功、验证计算模型[21]。
在正式飞行试验前，研究人员在地面建设了大量模拟装置，确保飞行员在承受6个重力加速度情况下能够继续控制X-15飞机，减少飞行员对飞机性能的限制。此外，飞行员需要引导X-15飞机从高空投放零重力起飞，而后在高超声速下以10倍重力加速度着陆，这样的操作规程是前所未有的。因此，研究人员为飞行员设计了新的学习课程，使其在审慎使用传统飞机操作规程的同时，充分掌握新的技巧。当高超声速飞机采用飞行员驾驶时，X-15飞机获得了很高的实验可靠性。统计数据显示，在单个系统和子系统的可靠性低至80%的情况下，X-15的成功飞行记录达到了92%，这其中飞行员的贡献功不可没。飞行员能够通过人工判断，绕过故障和失效系统采取紧急措施，或改变操作模式让飞机机动动作更加适应高超声速飞行。
虽然X-15飞机最终由于成本、飞行事故、边际收益递减等因素而暂停，但X-15飞机的成功，充分说明了有人驾驶高超声速飞行器的研究价值。历史上，X-15飞机一共进行了199次飞行，其中高达90%的任务实现了任务目标，这与同时代的无人航天器形成了鲜明的对比，凸显了各类飞行器有人驾驶的重要作用。X-15飞机还通过高超声速飞行首次将人类推入临近空间，实现了最高速度6.5 Ma、最大飞行高度107.8 km的有人驾驶飞行，大幅扩展了人类的活动空间、科学探索的领域疆域和国家之间的战略必争地。
X-15飞机的另一方面贡献是探索了一条飞行器人机混合决策控制的成功技术路线。这条技术路线证明了人与自动控制系统的配合能够大幅提升整个系统的安全和可靠性，同时也证明了在人机配合过程中赋予人的全面控制权是必要的。X-15飞机奠定了飞行自动控制系统的应用基础，也推动了航空人机混合操纵系统的研究与成熟，使19世纪60年代以来的飞行器驾驶更加轻松、安全和可靠。
在试验成本方面，X-15项目相比预算的1070万美元超支近30倍，但在试验效果方面也大大超出了原定目标。总共有12名飞行员驾驶过X-15，其中8人因飞行高度达到80千米的而获得NASA的承认并赋予宇航员的身份。试飞员阿姆斯特朗后来还两次担任了“双子座”和“阿波罗”任务的指挥官，并成为了世界历史上首位登上月球的人。他认为X-15飞机是史上最成功的研究飞机。
4. 对现代高超声速发展的启示与建议
高超声速飞行器至今仍然是飞行速度最快的有人驾驶飞机，虽然其采用固体燃料火箭式发动机作为动力，但相比现代超声速飞行器采用超燃冲压发动机在续航性能方面有所不足，其有人驾驶的技术方面对于生命保障系统和驾驶系统的研制技术，任是具有对于未来发展高超声速飞行器的技术研制参考价值，现总结以下几点启示：
一是未来的高超声速飞行器的研制方向必然往有人驾驶有人乘坐方面进步，尤为突出的是驾驶员生命保障技术的研制。X-15飞机在几十年前已经证明有人驾驶高超声速飞行器是可能并且可行的。随着现代航空航天技术飞速发展，特别是载人航天技术的不断成熟，研究高超声速飞行器有人驾驶技术应当作为中长期科学技术发展规划中的一个研究方向。
二是发展有人驾驶、有人乘坐的高超声速飞行器，既需要深化发展航空科学技术，也需要融合航天领域的高新前沿技术，实现航空航天融合发展。其中高超声速飞行器在高声速飞行环境下的气动布局以参考航空领域的设计特性保障飞行器一定的安全性。其中的重点是，将航天领域积累的高精尖技术转化为高超声速飞行器上可重复使用的软硬件设施。
三是需要高度关注高超声速飞行器的发展成本，其中包括经济成本和风险风本。高超声速飞行的风险极高，如何确保驾驶员和乘客的安全，同时使其相信系统的安全性，需要航空航天科技工作者们的共同努力。