高速飞机技术发展简史高速飞机技术发展简史摘 要：文章简要回顾了世界主要航空强国高速飞机领域的发展历史，将高速飞 机的发展历史分为起步阶段、高速发展阶段、技术高原阶段和技术复兴阶段等 4 个阶段， 并对各个阶段的典型飞机进行了分析介绍，最后得出了几点启示以供参考。 关键词：高速飞机；发展阶段；简史；启示 1 概述 更高、更快是飞机设计师永恒的追求。随着 SR-72 飞机、Manta 飞机等高超声速飞 机逐步出现，又将人类征服天空的激情推向了更高的高度。 “罗马不是一天建成的”，高超声 速飞机技术的发展已经走过了 60 余年的历程，人类一直在追求技术的进步。本文重点简述 高速飞机技术发展史，探索技术发展脉络，以期对未来高超声速飞机的发展有所裨益。 2 发展历程 高速飞机技术 60 余年的发展历程，从型号角度来看有成功也有失败，失败居多，成 功的寥寥可数；从技术角度来看，可以说是持续进步，取得了一个又一个的技术突破，大 致经历起步、高速发展、高原期 3 个主要阶段，目前又迎来了新一轮的技术复兴，人类进 入高超声速飞机的时代马上来临了。 2.1 起步阶段 由于冷战的需要，上世纪 50 年代中后期，欧美和苏联等航空强国针对水平起降高速 飞机开展了大规模的研究，主要用于战略轰炸和截击，并提出了诸如 TBCC 发动机、钛合 金制造、面积律设计等关键技术。这个阶段主要处于技术探索时期，欧美、前苏联均研制 了相关飞机，但由于技术或经费的原因，所有项目最终纷纷下马。 2.1.1 Leduc 0.22 该机是法国 1956 年 M2 战斗机竞标的一种原型机1，由 Breguet 公司的 Ren Leduc 设计，是由冲压发动机试验机 Leduc 0.10、Leduc 0.16 和 Leduc 0.21 发展而来，其动力系统 采用串联 TBCC 概念，在冲压发动机的流动管道内串联布置涡轮发动机。该机于 1956 年 12 月首飞（仅使用涡轮动力） ，1957 年 5 月实现冲压飞行，共试验飞行 80 次，仅生产了 1 架原型机。由于法国军方最终选择了采用常规涡轮动力的幻影 III，该项目下马。由于机身 设计没有考虑面积律分布，该原型机被证明不能实现超音速飞行。主要参数见表 1。 2.1.2 Avro 730 1954 年英国皇家空军提出的远程超音速战略侦察机项目 OR.330，需要能够潜入前 苏联领空并且躲避敌防空力量。设计指标为 18km 高度 M2.5 巡航，最大 M3.0，航程 9260km，后续又加入了执行轰炸的能力。Avro 飞机公司的 Type 730 方案作为竞标方案之一，原型机在制造阶段该项目取消，取消原因推测是英国军方J 为 10 年后飞机服役时无法应对前苏联防空导弹技术的发展。Avro 730 的研究工作为后来的超音速客机协和号的研 制提供了技术储备。Avro 730 方案采用大长细比机身鸭式布局，为降低超音速阻力采用埋 入式座舱，发动机舱布置在机翼上，单侧 4 台发动机周向对称布置，采用共用的锥形压缩 轴对称进气道。主要参数见表 2。 美国空军远程战略轰炸机 B-70 的原型机，由北美航空公司研制，1964 年实现首飞， 项目总经费 15 亿美元。由于地对空导弹和远程洲际弹道导弹的发展，以及较高的研制经费， B-70 项目于 1961 年取消。尽管项目取消，XB-70 仍然生产了 2 架用于 19641969 年的超音速飞行试验，其中一架原型机于 1966 年失事，试飞得到的数据和结构材料的研究成果用 于了 B-1 轰炸机的发展。 当时美国空军提出的需求是能够从美国本土起飞，可携带核弹实现对前苏联的轰炸 打击，要求轰炸机有不需空中加油远程飞行和大载弹量的能力，同时能够以超音速实现突 防和逃逸。1955 年有 6 家公司竞标，最终选择波音和北美航空公司的设计方案。初始方案 为可抛式带副油箱外翼，携带外翼时采用 M0.9 亚音速巡航，抛出外翼后实现超音速飞行， 最大起飞重量约 340t，美国空军评估认为该方案吨位过大且使用复杂。1956 年波音和北美 航空公司都修改了设计方案，新方案在全任务阶段均以 Ma3 超音速巡航，都采用大长细比 机身和三角翼布局形式，不同之处在于北美航空公司的方案发动机采用机身下并列布置， 波音的方案采用翼下吊装发动机布置形式。美国空军在 1957 年对波音和北美航空公司的方 案进行了评估，美国空军的设计要求包括：该型飞机能够以 Ma3.03.2 巡航飞行，飞临目 标上空的高度为 22km，航程不小于 16900km，最大起飞重量不超过 222t，并且可以沿用 B-52 同样的机库、跑道和操作流程。最终北美航空公司赢得了竞标，于 1958 年开展详细 设计工作。 XB-70 的设计特点包括：大长细比机身、带有鸭翼的三角翼布局形式，翼尖部分在 高速飞行时可向下偏转。6 台发动机水平并列布置在机身下方，1 个进气道同时为 3 台发动 机供气。机体大面积采用蜂窝夹层结构形式，在机头和机翼前缘采用钛合金材料，同时也 采用燃油对机体进行降温。主要参数见表 3。 2.1.4 Sukhoi T-4 Sukhoi T-4 是 60 年代前苏联的高速战略轰炸机方案，和美国当时发展的 XB-70 相似。 苏霍伊设计局以 3200km/h 的设计巡航速度击败了 Yakolev 和 Tupolev 设计局，在 1964 年 开始了原型机的制造。原型机于 1972 年 8 月首飞，共飞行 10 次，最大飞行速度仅达到了 M1.3。该项目于 1974 年取消，由于当时苏联空军需求 T-4 大约 250 架，而当时的争论是 应该需要更切合实际的战斗机而不是这种巨大的飞行目标。T-4 轰炸机大部分采用钛合金 和不锈钢材料制造，起降时机头可以下偏提供较好的视野。主要参数见表 4。 2.2 高速发展阶段 在该发展阶段，处于冷战铁幕笼罩下的美国和俄罗斯在高速飞机领域技术发展迅速， 美国发展类 SR-71 系列飞机，主要用于高空高速侦察和打击；俄罗斯发展了 MiG-25 系列 飞机，主要用于超音速截击、侦察机，都取得了巨大的成功，实现了 M3+级高速飞机的实 用性技术跨越，尤其在高速气动布局、推进系统、结构材料领域进步巨大。 2.2.1 SR-71 系列 （1）A-12 由凯利约翰逊设计，洛克希德臭鼬工厂为美国中情局制造的高速侦察机。A-12 于 1962 年首飞， 1963 年开始服役，是 YF-12 和 SR-71 的先驱机型，1968 年全面退役， 直到 90 年代中期该项目才公之于众。由于中情局为降低 U-2 飞机雷达散射面积的彩虹计 划失败，于是洛克希德公司在 1957 年开始发展一型可以对前苏联进行侦察的飞机，设计代 号大天使（Archangel） 。1960 年 A-12 方案（第 12 个设计方案）赢得竞标，获得了中情局 12 架飞机的订单，代号牛车计划（Oxcart） 。在 1962 年 A-12 配装 J-75 发动机，可以达到 M2.0；1963 年换装 J-58 发动机，达到了 M3.2。在整个生产周期内，共生产了 18 架飞机， 包括 12 架 A-12 侦察机、1 架 A-12 教练机（串列双座） 、3 架 YF-12A 截击机和 2 架 M-21 无人侦察机载机。A-12 在 1967 年重点部署在日本冲绳的美军基地，用于对越南和朝鲜的 侦察任务，1968 年双座 SR-71 开始服役，同时考虑到受国防装备预算的限制， A-12 退役。 主要参数见表 5。 （2）YF-12 由 A-12 发展而来的高空高速截击机的原型机，于 1963 年首飞，共生产了 3 架。其 背景是 1959 年 F-108 高速截击机计划取消，而洛克希德在中情局牛车计划下研制成功了 A-12，设计师凯利约翰逊又有意发展 A-12 的战斗机改型 AF-12，于是美国空军在 60 年 代中期订购了 3 架 AF-12，后来称为 YF-12A 截击机。1965 年美国空军准备采购 93 架生产 型的 F-12B，但是由于越战开销较大没有获得国防部的审批，而后来由于美国不优先发展 国土防空力量，F-12B 计划于 1968 年被取消。尽管如此，YF-12A 后来用于 NASA 的飞行 研究。 YF-12A 在 A-12 的基础上为了安装雷达修改了机头形状，并且改为双座，为增加航 向稳定性在发动机舱下方加装了腹鳍。A-12 的 4 个侦察设备舱其中的 3 个改为弹舱，1 个 用于安装火控系统。在试飞中 YF-12A 在 M3.2 约 23km 高度成功发射了 AIM-47A 空空导 弹。主要参数见表 6。 （3）SR-71 SR-71 采用串列双座，前座为飞行员，后座为侦察设备操作员。为确保飞行员高空 高速安全飞行，设计了增压座舱，并使用像航天员一样的增压服。SR-71 的机体结构 85% 采用钛合金，其余大部分为复合材料，其生产线采用了全新的工艺来实现钛合金的焊接。 为解决 M3 长时间飞行气动加热问题， SR-71 的内翼蒙皮大部分采用褶皱式设计，因为飞 行产生的气动加热会使光滑的蒙皮弯曲或撕裂，而褶皱的蒙皮可以抵抗气动加热带来的膨胀；机身油箱在地面停机时有缝隙，在起飞时会漏油，SR-71 每次绦腥挝裥枰先进行短暂的加速飞行，利用机体的热膨胀来封闭油箱，再进行空中加油后执行侦察任务。SR- 71 采用隐身设计概念，包括从机头开始的大面积曲线脊线和内倾双垂尾，同时在燃油中加 入了铯化合物来降低发动机喷流的雷达信号，并且配以吸波材料和深色涂装。SR-71 装有 电子对抗系统，但其最大的自卫能力还是飞行的高度和速度。SR-71 采用的脊线不仅降低 了雷达散射面积，而且提供了额外的涡升力来降低起降速度，并且提高了失速迎角，但 SR-71 的纵向过载限制为 3g，是由进气道能力限制的。SR-71 的进气道采用轴对称可调混 压式进气道，中心锥可以前后伸缩，亚跨音速时位于最前端位置，在高度 9km、M1.6 进 气道中心锥开始调节，M3.2 时收至最后端位置。在高速飞行时如果一侧进气道出现不起动 现象，为避免推力不对称产生过大的偏航力矩，通过进气道调节系统也使另一侧的进气道 不起动，然后再同时起动两个进气道。 1968 年 SR-71 首次部署在日本冲绳的美军基地，主要完成对越南、老挝等国的侦察 任务，执行任务频率越来越高，从开始的一周一次到 1972 年的几乎一天一次。SR-71 黑鸟 系列飞机（包括 A-12 和 YF-12）在服役期间共执行任务 3000 余次，总计执行任务时间超 过 11000 小时，其中超过 2700 小时是 M3 以上的高速飞行。在 1970 年以后，美国空军将 注意力和投资集中在新项目 B-1、B-2 和 B-52 的升级上，同时由于 SR-71 的停产、缺少数 据链功能（在战术层面上不能及时提供信息）和军方内部对 SR-71 的一些误解，促使 SR- 71 于 1989 年退役。而由于中东局势日益紧张，美国国会在 1993 年又重新对 SR-71 飞机进 行了评估，认为除了卫星的战略侦察之外还需要生存能力强的战术侦察机，而当时无人侦 察机还不成熟，于是国会投入 7.25 亿美元重启 3 架 SR-71 飞行执行侦察任务，最主要的更 改是加入了数据链功能。然而在 1996 年，由于无人机的发展，美国空军停止了对 SR-71 飞行的资金投入，最终 SR-71 于 1998 年完全退役。 SR-71 系列飞机采用的普惠公司 J58 发动机是带有压气机旁路系统的单级轴流式涡 喷发动机。长度 5.44m，直径 1.45m，重量 2700kg，压气机 9 级、涡轮 2 级，海平面最大 加力推力 150kN。J-58 发动机采用高燃点的 JP-7 煤油燃料，JP-7 燃料同时作为热沉用来冷 却发动机、液压系统、环控系统和气动加热严重的机体结构。三乙基硼作为催化剂来点燃高燃点的 JP-7 燃料。三乙