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上篇 高超声速飞行器技术 3

第1章 绪论 3

1.1 高超声速飞行器 3

1.2 国外高超声速飞行器总体方案研究 4

1.2.1 可重复使用航天运载器 5

1.2.2 高超声速飞机 11

1.2.3 高超声速巡航导弹 13

1.3 国外高超声速飞行器技术发展历程 15

1.3.1 国外高超声速飞行器技术发展简史 15

1.3.2 国外高超声速飞行器技术飞行试验发展动态 16

1.3.3 其他高超声速飞行器技术发展计划 24

1.4 本书主要内容 27

参考文献 28

第2章 高超声速飞行器关键技术分解研究 30

2.1 高超声速飞行器关键技术分解 30

2.1.1 技术层面与技术分类 30

2.1.2 基于技术分类的关键技术分解 31

2.2 发展战略研究中定量分析的必要性 33

2.3 高超声速飞行器技术关键度分析 34

2.4 高超声速飞行器技术成熟度分析 45

2.4.1 技术成熟度分析模型 45

2.4.2 技术成熟度在可重复使用航天运载器上的应用分析 47

2.5 高超声速飞行器技术发展路径 48

参考文献 52

第3章 超燃冲压发动机技术 53

3.1 引言 53

3.2 超声速燃烧概念及关键技术 54

3.2.1 超声速燃烧问题的提出及概念 54

3.2.2 超声速燃烧关键技术 54

3.3 超然冲压发动机部件技术 60

3.3.1 进气道 60

3.3.2 隔离段 72

3.3.3 燃烧室 77

3.3.4 尾喷管 97

3.4 超燃冲压发动机总性能评估指标 103

3.4.1 燃烧效率 104

3.4.2 内推力 104

3.4.3 净推力 105

3.4.4 推力增益 107

3.4.5 性能指标的选择 107

3.5 超燃冲压发动机的燃料技术 108

3.6 超燃冲压发动机地面试验技术 110

3.6.1 地面试验系统 110

3.6.2 直连式试验 113

3.6.3 自由射流试验 113

3.6.4 试验气流参数对发动机性能的影响 114

参考文献 115

第4章 高超声速飞行器组合推进系统技术 123

4.1 火箭基组合循环发动机推进系统 123

4.1.1 RBCC基本概念及工作原理 123

4.1.2 支板引射RBCC结构与原理 127

4.1.3 引射火箭工作性能的影响因素 128

4.1.4 RBCC发动机性能分析模型研究 130

4.1.5 RBCC系统循环方案 133

4.2 涡轮基组合循环发动机推进系统 135

4.2.1 TBCC系统方案 135

4.2.2 TBCC涡轮发动机数学模型 137

4.2.3 TBCC进排气系统 138

4.2.4 TBCC推进系统与高超声速飞行器机身的一体化 139

4.3 其他类型的组合循环发动机 143

4.3.1 预冷却涡轮基组合循环发动机 143

4.3.2 深冷涡喷火箭组合循环发动机 146

4.3.3 液化空气组合循环发动机 147

参考文献 150

第5章 高超声速飞行器机身推进一体化设计技术 152

5.1 高超声速空气动力学 152

5.1.1 高超声速流动 152

5.1.2 高超声速气动力工程计算方法 156

5.1.3 高超声速流动的数值模拟技术 157

5.2 高超声速飞行器“乘波体”气动外形设计 158

5.2.1 “乘波体”气动外形的概念与气动特性 158

5.2.2 “乘波体”气动的生成 160

5.2.3 “乘波体”飞行器设计 166

5.3 高超声速飞行器机身与推进一体化设计 168

5.3.1 高超声速飞行器机身推进一体化算力体系 168

5.3.2 高超声速飞行器前体进气道一体化设计 172

5.3.3 高超声速飞行器后体喷管一体化设计 184

5.3.4 高超声速飞行器气动推进一体化数值计算 191

5.3.5 高超声速飞行器一体化几何外形的参数化建模方法 194

5.4 高超声速飞行器一体化气动特性分析 202

5.4.1 一体化气动特性计算建模 202

5.4.2 发动机工作状态对一体化气动特性的影响 204

5.4.3 发动机工作状态对飞行器稳定性和配平特性的影响 207

5.4.4 后体喷管设计对一体化气动特性的影响 208

5.5 超燃冲压发动机与“乘波体”气动外形的一体化 210

5.5.1 主要问题 210

5.5.2 考虑进气道入口条件的“乘波体”气动外形设计 211

5.5.3 “乘波体”气动外形尾喷管的设计 214

5.6 “圆截面”推进系统与高超声速飞行器机身的一体化 215

5.6.1 推进系统“圆-二维-圆”的演化 215

5.6.2 “圆截面”推进系统与高超声速飞行器机身的一体化 219

参考文献 222

第6章 高超声速飞行器热防护技术 225

6.1 高超声速飞行器热环境与热走廊 225

6.1.1 高超声速飞行器热环境 225

6.1.2 高超声速飞行器热走廊 226

6.1.3 高超声速气动热环境工程预测方法 228

6.2 高超声速气动-热-弹性力学基础研究问题 234

6.2.1 高温反应气体的热化学反应机制 234

6.2.2 高超声速边界层转捩 235

6.2.3 高超声速流动的激波／激波相互作用 236

6.2.4 高超声速热环境下的气动弹性 236

6.3 航天热防护技术与典型热防护系统方案 237

6.3.1 航天热防护技术 237

6.3.2 典型航天／空天飞机热防护系统方案 242

6.4 可重复使用航天运载器金属热防护系统 243

6.4.1 可重复使用航天运载器对热防护系统的要求 243

6.4.2 金属热防护系统 244

6.4.3 金属热防护系统的隔热材料 251

6.4.4 金属热防护系统热分析方法 252

6.4.5 热防护系统健康监测技术 254

6.5 吸气式高超声速飞行器热防护系统与结构部件 257

6.5.1 热结构的技术难点 257

6.5.2 前缘 259

6.5.3 控制面板 269

参考文献 272

第7章 高超声速飞行器导航制导与控制技术 274

7.1 高超声速飞行器导航系统技术 274

7.1.1 导航系统的作用与意义 274

7.1.2 组合导航技术 275

7.1.3 导引头等任务设备在导航系统中的应用 277

7.2 高超声速飞行器动力学建模技术 278

7.2.1 轴对称飞行器动力学建模 278

7.2.2 高超声速飞行器机身推进一体化动力学建模 279

7.2.3 基于参数化外形的高超声速飞行器控制建模 279

7.2.4 高超声速飞行器气动推进／气动耦合问题 279

7.3 高超声速飞行器操控与姿态测量技术 280

7.3.1 操控技术 280

7.3.2 嵌入式大气数据传感系统 282

7.4 高超声速飞行器制导与控制技术 286

7.4.1 主要问题 286

7.4.2 飞行控制方法 287

7.5 可重复使用航天运载器的飞行控制技术 290

7.5.1 可重复使用航天运载器飞控系统特点 290

7.5.2 可重复使用的飞控系统设计要求 290

7.5.3 可重复使用的飞控系统关键技术 291

参考文献 291

第8章 高超声速飞行器风洞试验技术 294

8.1 高超声速飞行器风洞试验的任务与要求 294

8.1.1 高超声速飞行器风洞试验的任务 294

8.1.2 高超声速飞行器风洞试验的要求 296

8.2 高超声速风洞设备种类 298

8.2.1 风洞设备概况 298

8.2.2 高超声速风洞设备种类 298

8.3 高超声速风洞试验形式 302

8.3.1 全模测力试验 302

8.3.2 压力分布测量试验 303

8.3.3 喷流干扰试验 303

8.3.4 高超声速进气道试验 303

8.3.5 铰链力矩试验 304

8.3.6 级间分离及多体分离试验 304

8.4 国外高超声速试验风洞情况 305

8.4.1 国外高超声速风洞概况 305

8.4.2 美国LENS系列激波风洞 307

8.4.3 俄罗斯ITAM高超声速风洞AT-303 308

8.4.4 法国S4高超声速风洞 309

8.4.5 日本JAXA高超声速风洞 309

参考文献 311

下篇 各国高超声速飞行器技术发展 315

第9章 美国高超声速飞行器技术研究 315

9.1 超燃冲压发动机的兴起（20世纪50年代） 315

9.2 超燃冲压发动机初期的研究（20世纪60年代） 316

9.3 SCRAM导弹计划（1961～1977） 317

9.4 高超声速研究发动机计划（1964～1974） 319

9.5 国家空天飞机计划（1986～1995） 320

9.5.1 NASP计划的提出 320

9.5.2 NASP X-30试验飞行器的概念设计 322

9.5.3 NASP计划中的关键技术研究 323

9.5.4 NASP计划的调整 324

9.5.5 NASP计划的结束 325

9.6 高超声速技术计划（1995～2003） 325

9.6.1 HyTech计划概览 325

9.6.2 技术的挑战 326

9.6.3 主要研究成果 328

9.7 ARRMD计划（1998～2001） 331

9.7.1 战场对快速响应导弹的需求 331

9.7.2 设计要求与概念方案 332

9.7.3 技术的挑战 335

9.7.4 ARRMD计划的后续发展 338

9.8 Hyper-X计划与X-43A飞行试验 338

9.8.1 Hyper-X计划概览 338

9.8.2 X-43A试验飞行器总体设计 339

9.8.3 X-43A设计与制造上的挑战 342

9.8.4 X-43A飞行试验 346

9.9 NASA先进空天运输高超声速计划 349

9.9.1 ASTP计划 349

9.9.2 技术途径 349

9.9.3 系统分析项目 351

9.9.4 推进技术项目 351

9.9.5 机身技术项目 353

9.9.6 飞行演示项目 355

9.10 HyFly计划 359

9.10.1 飞行器的概念／结构 360

9.10.2 飞行试验过程和试验目标 361

9.10.3 面临的技术挑战 362

9.11 X-51A飞行试验计划（2005～ ） 363

9.11.1 战略背景 363

9.11.2 计划由来 365

9.11.3 研究团队 366

9.11.4 计划路径 367

9.11.5 试验飞行器系统组成 368

9.11.6 发动机研制与试验 373

9.11.7 飞行试验计划安排 377

9.11.8 飞行试验的开展情况 379

9.12 Falcon计划 381

9.12.1 计划背景 381

9.12.2 涡轮基组合循环推进系统 383

9.12.3 TBCC相关技术的发展 384

9.12.4 HTV-2飞行试验 386

参考文献 387

第10章 俄罗斯高超声速飞行器技术研究 388

10.1 “冷”计划 388

10.1.1 轴对称亚／超燃冲压发动机试验模型 388

10.1.2 试飞器 389

10.1.3 飞行试验 390

10.2 “鹰”计划 394

10.2.1 “鹰”试验飞行器 394

10.2.2 超燃冲压发动机试验模型 396

10.2.3 “鹰”试验运载器 396

10.2.4 “鹰”试验 397

10.3 彩虹-D2计划 398

10.3.1 彩虹-D2试飞器 398

10.3.2 实验型超燃冲压发动机模型 399

10.3.3 飞行试验 401

10.4 “鹰-31”计划 401

10.4.1 试飞器 402

10.4.2 亚／超燃冲压发动机试验模型 403

10.4.3 飞行试验 404

10.5 高超声速飞机“图2000”的研究 405

参考文献 406

第11章 法国高超声速飞行器技术研究 407

11.1 PREPHA计划（1992～1998） 407

11.1.1 PREPHA计划简介 407

11.1.2 试验装置的建立 407

11.1.3 CFD数值计算研究 410

11.1.4 超燃冲压发动机部件研究 410

11.1.5 材料与冷却结构研究 413

11.1.6 高超声速飞行器总体系统研究 413

11.2 JAPHAR计划（1997～2002） 414

11.2.1 JAPHAR计划简介 414

11.2.2 JAPHAR计划的研究途径 415

11.2.3 双模态超燃冲压发动机研究 416

11.2.4 超声速燃烧基础研究 419

11.3 PROMETHEE计划（1999～2002） 419

11.3.1 PROMETHEE计划简介 419

11.3.2 PROMETHEE计划的主要目标 420

11.3.3 PROMETHEE计划的技术途径 421

11.4 LEA飞行试验计划（2003～ ） 422

11.4.1 LEA飞行试验计划的背景 422

11.4.2 LEA飞行试验计划的试验原理 423

11.4.3 LEA飞行器研发状况 424

参考文献 427

第12章 德国高超声速飞行器技术研究 429

12.1 S？nger计划（1988～1995） 429

12.2 FESTIP TSTO方案研究（1994～1998） 430

12.3 SHEFEXⅠ飞行试验（2005） 432

12.4 SHEFEXⅡ飞行试验（2008） 435

12.4.1 研制背景 435

12.4.2 试飞器介绍 435

12.4.3 分系统介绍 436

12.4.4 气动力学问题 440

参考文献 442

第13章 日本高超声速飞行器技术研究 443

13.1 日本的超燃冲压发动机研究 443

13.2 空天飞机方案研究 444

13.3 HOPE飞行试验研究计划 446

13.3.1 OREX轨道再入试验 447

13.3.2 HFLEX高超声速飞行试验 448

13.3.3 ALFLEX自动着陆试验 449

13.3.4 HSFD高速飞行演示试验 449

13.4 高超声速试验设备与研究机构 451

13.4.1 冲压发动机自由射流试车台 451

13.4.2 自由活塞式激波风洞 454

13.4.3 相关研究机构 454

参考文献 456

第14章 澳大利亚高超声速飞行器技术研究 457

14.1 HyShot计划 457

14.2 HyCAUSE飞行试验 459

14.3 HIFiRE飞行试验计划 460

参考文献 461

第15章 其他国家高超声速飞行器技术研究 462

15.1 英国高超声速飞行器技术研究概况 462

15.1.1 HOTOL计划 462

15.1.2 SHyFE飞行试验计划 463

15.1.3 SKYLON可重复使用运载器 464

15.1.4 高超声速客机 465

15.2 意大利高超声速飞行器技术研究概况 466

15.3 印度高超声速飞行器技术研究概况 467

15.3.1 HSTDV飞行器结构与组成 467

15.3.2 印度高超声速试验设备 468

参考文献 469

第16章 总结与展望 470

16.1 高超声速飞行器技术的研究总结 470

16.2 高超声速飞行器技术的发展趋势 471