2.1 国外近空间飞行器技术发展动态和趋势
20世纪30年代，桑格尔（Eugen Sanger）提出了“滑翔-跳跃”弹道概念和“银鸟”亚轨道轰炸机设想[4-6]。1948年秋，为克服弹道导弹的弱点，钱学森提出利用火箭助推获得初速，借助于高升阻比气动构型获取近空间有限空气提供的升力，实现远距离飞行的助推-滑翔弹道概念。这被命名为“钱学森弹道”[7]（见图1）。在此基础上，美国开展了各种升力体构型的高超声速飞行器理论和关键技术研究（见图2），进行了多次飞行试验，并在多种武器型号中进行积极转化。但受限于当时的科技水平和能力，未能挖掘出这一概念的巨大潜力。
图1 钱学森与“钱学森弹道”[8]
图2 美国1956—1966年研究过的各种升力体构型[9]
近空间相对稀薄的空气不仅可以提供升力，减缓气动阻力和热载荷，还可以为推进系统提供氧化剂，从而提高比冲（specif ic impulse）。超燃冲压发动机（scram jet engine）概念始于20世纪50年代，美、俄、法等国致力于高超声速巡航飞行研究。多年的努力和进步促成了美国国家空天飞机（National Aerospace Plane，NASP）计划的立项与实施。虽有30亿美元巨资投入和十余年攻关，但该计划因技术难度过大而被迫终止，究其根本原因是“超燃发动机性能”和“边界层转捩问题”等基础问题未能得到突破[10-11]。
进入21世纪，美国在Falcon[12]、Hyper-X[13-15]、HyTech[16-17]等计划支持下，尤其是在2001年美国国防部与美国国家航空航天局（NASA）联合实施的“国家航空航天倡议”（National Aerospace Initiative，NAI）驱动下[18]，高超声速关键技术不断取得突破，让人们更加坚定了征服近空间的信心。HTV-2是美国重点发展的助推滑翔式高超声速技术验证计划（见图3），旨在验证近空间高超声速飞行的空气动力学、高温材料和结构、长时间高精确控制等关键技术，提高对高超声速飞行的机理性认识[19-20]。
图3 HTV-2助推-滑翔弹道示意[20]
2010年4月22日，HTV-2第一次飞行试验实现了大气层内Ma 20以上的可控飞行，但发射9分钟后失败[21]。调查结果显示，“对飞行过程的若干空气动力学问题认识有限，还不知道如何在空气动力阶段控制飞行，这仍是一个未知的领域”。2011年8月11日，第二次飞行试验解决了第一次飞行出现的气动控制问题，并达到了Ma 20、完全气动控制飞行3分钟的新阶段，验证了转捩预测理论和模型的正确性[22-23]。但C/C复合材料外壳出现超出预料的剥落，诱发激波引起滚转异常，滑翔飞行中止。DARPA认为，两次飞行试验尽管没有完成，但获得了大量的实际飞行测试数据，对认识Ma 20飞行条件下的气动控制和材料问题具有重要意义，其价值超过了40年的地面模拟试验，因为只有通过实际飞行，才能显著提升对相关问题的理解。
先进高超声速武器（AHW）是美国陆军支持发展的一种中远程高超声速助推滑翔飞行器（见图4），由美国桑迪亚国家实验室（SNL）负责设计、研发，并继承了该实验室早期机动再入飞行器的多项研究成果。2011年11月17日，AHW首次飞行试验成功，SNL由此获取了大量飞行数据，考核了空气动力学、热防护技术等多项关键技术，验证了计算模型，提高了数值仿真的置信度[24]。2014年8月25日，第二次飞行试验在发射仅4秒后便因出现异常而提前终止[25-26]。
图4 AHW示意[24]
高超声速巡航飞行器被誉为继螺旋桨和喷气式飞机之后世界航空史上的第三次革命。在HyTech计划的基础上，美国空军、DARPA和NASA等联合实施了X-51A飞行试验计划[27]。吸气式高超声速推进技术发展历程如图5所示。
图5 吸气式高超声速推进技术发展历程[28]
2010年5月，X-51A实现首次飞行，超燃冲压发动机正常工作140秒，这是当时此类发动机在实际飞行中所达到的最长工作时间。此时飞行向工程化、实用化迈出了重要的一步。2011年6月，第二次飞行试验因进气道未能启动而失败；2012年8月，第三次飞行试验因巡航级右上角控制舵意外解锁而失败，这为刚看到曙光的高超声速巡航带来了很大的打击。2013年5月1日，X-51A进行了第四次也是最后一次飞行试验，发动机工作了210秒，飞行器速度从Ma 4.8加速到Ma 5.1，最终证明了采用吸热燃料超燃冲压发动机为动力的高超声速飞行的可行性[10，29]。
满载美国信心的HTV-2两次飞行失利，让其清醒地认识到洲际助推滑翔飞行的难度，飞行后的调查报告建议，不仅要“从第二次飞行中获取技术经验，用以改善高温复合材料气动外壳的设计工具和方法”，而且要综合考虑“如何认识气动热，如何把握材料特性、不确定性和变量，如何用建模和仿真来预测热应力和响应”。DARPA在2012年提出了后续的综合高超声速（IH）项目，发展、完善和试验全球范围Ma 20以上的高超声速机动飞行的下一代技术[30-31]。但AHW和X-51的成功将高超声速飞行推入了一个新时代，在此基础上，美国空军提出分阶段投资吸气式高超声速技术的发展战略，近期将围绕高生存和时敏打击能力发展，远期将发展跨区域情报、监视与侦察和打击平台。2012年提出的高超声速打击武器（HSSW）项目[32-33]，旨在发展一种Ma 5以上的演示型武器，涉及建模与仿真、冲压/超燃冲压发动机、耐高温材料、GNC、导引头及其天线、战斗部及其子系统、热防护和热管理、制造工艺及小型助推等技术。
2014年，DARPA提出了战术助推滑翔（TBG）和高超声速吸气式武器概念（HAWC）两个研发项目[10，34-37]（见图6），希望能够在2025年前后具备战术射程的高超声速打击能力。TBG由DARPA和美国空军联合实施，旨在发展和演示未来空射战术范畴高超声速助推滑翔系统所需的技术。这些技术主要包括飞行器概念方案，满足大作战包线的气动力/热特性、操纵性和稳健性，作战环境下具有生存力和杀伤力的系统特性及子系统构成，以及能够降低演示验证系统和未来作战系统费用并提高其经济可承受性的方法等，还包括热结构材料成熟度、结构优化设计和可承受制造方法，自适应、鲁棒性制导控制技术和高度约束下实时轨迹优化技术，以及能够获取气动环境和外壳热响应信息的技术与装置。HAWC也由DARPA与美国空军联合实施，旨在飞行演示高效、可承受的空射高超声速巡航导弹关键技术。这些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、热管理系统和可承受的系统设计与制造方法，还包括高超声速飞行的高效气动构型、可持续高超声速巡航的碳氢燃料推进、高温巡航下的热管理方法以及可承受的飞行器系统设计和制造方法。这些技术还将延伸应用于可重复使用的高超声速飞行器，以实现全球到达和太空运输。通过与DARPA的合作，HSSW项目将并行开展两套综合技术验证：①吸气式导弹战技术相关验证，以保证导弹能与五代机兼容，并可实现B-2内埋携带或由F-35外挂；②通过TBG项目发展并验证快速远程打击能力。
图6 TBG和HAWC[34，36-37]
提升飞机速度一直是人类不懈追求的目标，可水平起飞、重复使用的高超声速飞行器面临着艰巨的技术挑战。美国空军希望通过高超声速技术进一步提高战略侦察机的生存能力以及情报、监视和侦察（intelligence，surveillance and reconnaissance，ISR）能力，明确提出平行发展高超声速武器和高速可重复使用飞行器，采取技术验证机、短寿命飞机、长寿命飞机三步走的路线，发展高超声速飞机。在小尺度超燃发动机关键技术获得突破的基础上，开展大尺度组合循环推进系统关键技术研发，期望能够形成全球快速响应ISR能力和精确打击一体化的能力，在日趋剧烈的“区域拒止与反介入”对抗中占得先机。2013年11月，洛克希德·马丁公司声明找到了涡轮与冲压发动机之间推力缺口的解决方案，并在其SR-71诞生日透露SR-72发展规划（见图7），设计巡航速度达Ma 6[35，38-40]。2014年，NASA支持洛克达因和洛克希德·马丁公司研制SR-72飞机，希望在2030年研制出可重复使用、短寿命周期的高超声速飞机，用于战术打击和ISR任务，在2040年实现持久可重复使用。
图7 SR-72概念图[40]
2013年，DARPA基于对未来低成本、快速响应进入空间的急迫需求，发布了XS-1试验性空天飞机项目招标公告和具体参数要求[41-43]，旨在研制一个可重复使用的无人发射器，其成本、操作方式和可靠性与现代飞机类似，能将小型载荷卫星发射到低地球轨道上（见图8）。XS-1可重复使用第一级能以高超声速在亚轨道高度飞行并返回地面，由上面级将卫星送进低地球轨道。关键技术指标包括在10天时间内飞行10次，最大飞行速度达到Ma 10以上并发射一个典型小型载荷进入轨道，实现将一次发射3000～5000磅级载荷进入太空的成本降低至500万美元以下，等等。
图8 XS-1概念图[43]
欧洲一直强调对高超声速关键技术和基础研究关注，近年来有两个项目取得了突破性进展。过渡试验飞行器（IXV）是欧洲航天局（ESA）的大气层再入验证飞行器项目[44-45]，IXV长5米、高1.5米、宽2.2米，发射重量约1.85吨。其外形采用升力体设计，很像缩小的美国航天飞机，具有先进的气动特性，配备了复杂的制导、导航与控制（guidance，navigation and control，GNC）系统，在大气再入期间可利用气动控制面实现良好的机动能力。
2015年2月11日，IXV[46]在法属圭亚那的库鲁航天中心由织女星运载火箭发射至320km高度，分离后继续爬升至412km，开始再入，在120km的高度上达到7.7km/s的速度，携带300多个传感器收集温度、压力、载荷、空气热动力等数据，经过约1小时40分的飞行后打开减速伞，最终溅落于太平洋，为ESA大气层再入技术和可重复使用航天器的研发开启了新篇章。
英国REL公司发明了一种协同吸气式火箭发动机SABRE[35，47-48]，并称之为喷气式发动机发明以来航空航天推进技术的最大突破。其内部结构如图9所示。SABRE通过喷气式涡轮和火箭技术的有机结合，可以在吸气式模态和火箭模态下工作，为实现空天飞行提供动力。其创新的预冷器技术能够在0.01秒内将空气来流从1000℃冷却至-150℃，并通过喷注甲醇解决了结霜的问题。这一关键技术于2012年得到了成功验证。2015年11月，英国防务承包商BAE系统公司宣布计划投资约3170万美元，与REL公司共同研发混合火箭发动机，计划在2020年前开始“佩刀”发动机1/4缩比验证机的地面试验，预期推力范围可从吸气式模态下的20吨力调节到火箭模态下的80吨力。目前基于SABRE的单级入轨可重复使用运载飞行器“云霄塔”（Skylon）的初始设计已经完成，同时SABRE发动机及相关技术还可以用于多种航空航天飞行器（例如高超声速客机）。BAE系统公司在2016年航展上展示了一种Ma 5的吸气式高超声速平台的潜在军事应用场景。
图9 SABRE内部结构[49]
近期，俄罗斯重新活跃在国际高超声速舞台。俄罗斯正在研制高超声速巡航导弹“锆石”（Zircon）[50]，2016年3月采用路基发射方式进行了第一次飞行试验。同时俄罗斯致力于Yu-71高超声速滑翔飞行器研究多年，Yu-71被称为“4202项目”的延续，一直处于高度保密状态，2004年飞行试验后，俄罗斯军方曾宣布该弹头“可改变高度和方向机动飞行，反导系统对其无能为力”。2015年2月和2016年4月，Yu-71连续试飞，引起国际广泛关注。飞行试验中试飞器以高机动弹头为基础，采用了高升阻比的升力体设计，搭载在SS-19洲际弹道导弹上，从俄罗斯东部杜巴罗夫斯基导弹基地发射升空。