2.3 我国近空间高超声速飞行器发展情况

2.3 我国近空间高超声速飞行器发展情况

我国发展近空间高超声速飞行器技术,主要依靠国家安全和利益保障、国民经济可持续发展的需求牵引,以及科学探索和技术发展的驱动。从“九五”计划开始,我国针对载人航天、高超声速等技术开展探索性、前沿性研究,随着综合国力的不断提升以及经济、科技的快速发展,逐步加大在高超声速领域的重视和投入。进入21世纪以来,近空间高超声速技术的战略作用愈发突出,国家需求愈发强烈,基础研究作用也愈发关键。2006年,国务院颁布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006—2020年),明确提出国防科技为维护国家安全提供保障;在18个基础科学问题之一“航空航天重大力学问题”中提出,重点研究高超声速推进系统及超高速碰撞力学问题、可压缩湍流理论、高温气体热力学、新材料结构力学等科学问题;同时设立了与近空间飞行器技术密切相关的多个国家级重大专项或科技工程项目,这些项目既包括了关键技术攻关和飞行演示试验,也涵盖了基础研究与前沿探索。

2014年1月13日,美国华盛顿自由灯塔网站报道中国在1月9日进行了一种高超声速滑翔飞行器的首次试验,并将其命名为WU-14高超声速飞行器。1月15日,我国国防部对此次试验予以回应:“我们在境内按计划进行的科研实验是正常的,不针对任何国家和特定目标。”在此之后,国外媒体陆续报道,2014年6月7日、8月7日、12月2日,2015年8月20日、11月23日以及2016年4月27日,我国进行了第二次到第七次飞行试验,并指出第四次飞行试验展示了“极强的机动性”,第五次飞行试验首次演练了机动规避拦截能力,在第六次飞行试验后认为该飞行器代号应为“DF-ZF”。该飞行器在两年多时间内连续进行七次飞行试验,引起了世界的高度关注,国外评论,“对同一款飞行器进行如此频繁的试验并不多见,这可能体现了中方对于这种具有革命性意义的新型飞行器的期望”,“表明中国将这种武器的研制置于高度优先位置,且研制正在取得快速进展”。美国参议院军事委员会三位共和党委员表示了对中国飞行试验的关切,他们在高调声明中宣称,在高超声速飞行技术领域,中国显然已经走在美国前面。

2015年,在中国航空学会官网公布的第三届冯如航空科技精英奖获奖名单与事迹介绍中,首次就我国高超声速飞行器的研究情况,介绍了我国超燃冲压发动机研制成功和高超声速飞行器完成自主飞行试验的情况,我国成为继美国之后第二个实现以超燃冲压发动机为动力的高超声速飞行器自主飞行的国家。

2008年5月,由中国科学院八个相关研究所和中国科技大学联合组建的中国科学院高超声速科技中心正式成立,设有发动机推力性能、主动冷却与结构、材料、气动构型、地面综合实验等五个研究部,旨在通过学科交叉、优势互补的研究队伍和平台,为高超声速学科前沿发展以及高超声速飞行的基础性、战略性、前瞻性问题的重大创新做出贡献。中国力学学会、中国科学院高超声速科技中心、中国科学院力学研究所自2008年起联合主办全国高超声速科技学术会议,已经举办了八届,主要报告国内在高超声速流动、超声速燃烧、热防护技术、综合研究等高超领域的最新研究成果。

2007年,国家自然科学基金委以近空间高超声速远程机动飞行器涉及的关键科学问题为重点,及时启动本重大研究计划,这是我国第一个系统性的高超声速基础研究计划,紧紧围绕近空间飞行环境下的空气动力学、先进推进的理论和方法、超轻质材料/结构及热环境预测与防热、高超声速飞行器智能自主控制理论和方法等四个核心科学问题开展研究,旨在为近空间高超声速飞行相关的物理现象提供基础性认识,为发展关键技术突破提供理论、方法和手段,形成近空间飞行器关键基础科学问题的创新理论与方法,提升我国在相关领域的自主创新能力,支撑相关技术的跨越式发展,聚集和培养一支具有理论和源头技术创新能力的优秀人才队伍。

①在近空间飞行环境下的空气动力学方面,获得了近空间高超声速流动特性的新认识,提出了复杂流动新理论,揭示了复杂流动新机理,提高了物理和理论建模的能力;发展了复杂流动的计算新方法、新模型,提高了对复杂流动的模拟能力;获取了一批创新性的高超声速风洞测试方法和手段,大幅提升了我国地面模拟测试能力和水平;探索了气动布局优化的新方法,提出了前缘降热减阻和飞行控制的新途径。

②在先进推进的理论和方法方面,创新了高超声速进气道和异型流道结构设计方法,为发动机进排气系统和燃烧室的耦合高效设计奠定了重要基础;深入认识了超声速燃烧过程中的点火、传播和稳焰机制,获得了有效的控制方法;发展了新的模拟方法,提高了推进系统与飞行器气动布局一体化研究能力;发展了超声速气流中的爆震理论,为未来基于爆震的超燃冲压发动机的设计指明了方向。

③在超轻质材料/结构及热环境预测与防热方面,进一步揭示了超高温防热材料的响应机理和热致失效机制,显著提高了超高温陶瓷复合材料的耐环境能力和强韧化性能;系统发展了轻质多功能材料与结构设计理论和分析方法,在纳米、多孔、点阵等新型微结构设计和控制方法上取得了重要突破,为提高材料性能和结构优化能力奠定了基础;在材料关键性能测试、表征和等效模拟方法上建立了创新的方法和手段;积极探索了非烧蚀热防护的新材料、新原理、新方法,热管理复合材料研究取得突破,性能达到世界先进水平。

④在高超声速飞行器智能自主控制理论和方法方面,提出了乘波体高超声速飞行器精细姿态控制的概念,给出了飞行器精细姿态控制系统设计新方法;提出了近空间高超声速飞行器多通道协调控制概念,给出了飞行器多通道协调控制系统设计新方法;提出了基于模型迁移理论的近空间高超声速飞行器动力学建模新方法;探明了高超声速飞行器飞行姿态/气动力耦合机理,给出了耦合建模及协调控制设计方法;建立了高超声速飞行器的非线性耦合动力学模型,给出了气动热弹性颤振控制方法。