1. 引言
图1 临近空间示意图
临近空间是指传统的航天和航空之间的空白区域，一般认为在20~100km之间的空间领域，包括平流层的大部分区域、中间层和热层的部分区域。其下面的空域我们通常称之为“天空”，是传统航空器的主要活动空间；其上面的空域就是我们平常说的“太空”，是卫星等航天器的运行空间。图2 临近空间飞行器的分类
波速测试仪临近空间飞行器特指能在临近空间作持续飞行并完成一定使命的飞行器, 因此不包括只是穿越该区域飞行的飞行器。临近空间飞行器根据飞行速度的不同，可分为低速临近空间飞行器和高速临近空间飞行器。低速临近空间飞行器类型主要有：气球、飞艇、无人机和太阳能飞机等；高速临近空间飞行器一般包括超声速、高超声速临近空间飞行器和亚轨道飞行器等。临近空间高超声速飞行器是指主要在临近空间内飞行，并且完成特定任务的马赫数大于5的飞行器。
本文重要以保健油X-51为代表，对临近空间高超声速飞行器进行了介绍，并系统地分析了其导航与控制的关键技术，最后给出了临近空间高超声速飞行器的发展趋势。
2. 临近空间高超声速飞行器
高速临近空间飞行器主要可分为两大类:以火箭为动力的高超声速飞行器(hypersonic rocket vehicles,HRV)和以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器(hypersonic air-breathing vehicles,HAV)，如:高超声速、远程机动弹道导弹、高超声速飞机、可重复使用的高超声速空天飞行器等。20世纪60年代以来,以火箭为动力的高超声速航天飞行器(如:各类导弹、卫星、载人航天器、空间实验室、空间站和大型运载工具等),有了很大发展,目前技术已达到成熟。以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器,受到广泛关注。从20世纪50年代末开始对超燃发动机的探索性研究,70年代后期,出现低潮,几经周折,到精炼渣80年代后期、90年代初中期,关键技术问题取得突破性进展,目前已进入飞行演示验证阶段。
近年来，临近空间高超声速飞行器受到了美国军方的高度重视。美国于2010年5月26日在加利福尼亚州南部太平洋海岸的军事基地，成功试飞一架高压喷气动力驱动的高超音速X-51A飞行试验机。该试验机采用普惠公司制造的吸气式超音速燃烧冲压引擎，可提供超过200秒的动力冲压支持，使飞机在短时间内提速至5马赫。可以认为，这类飞行器是继螺旋桨、喷气式推进飞机之后航空史上的第三次革命。
临近空间高超声速飞行器可用于远程机动作战和精确打击,包括高超声速的巡航飞行器和巡航弹,通用航空飞行器(CAV)等。临近空间飞行器既是武器平台,又是进攻武器,能大大加快未来信息战、空间战中获取信息和毁伤目标的速度,实现机械化和信息化的复合发展。
在临近空间众多的飞行器中,高超声速武器具有高超声速、高机动的远程精确打击能力,因此已成为世界军事热点,将引发未来战争概念和模式的革命,也将对人类生活产生极为深远的影响。上世纪50年代提出高超声速飞行概念以来,世界各军事强国都在研究高超声速武器,特别是在超燃冲压发动机和高超声速飞行器一体化设计方面。近年来,美、俄、法、澳等国相继取得重大技术突破,并确立了基本可行的技术路线美国先后提出高超声速技术计划、高超声速飞行器试验计划等,开发验证了多项关键技术。 欧洲以法国为代表,正在积极开展超燃冲
压发动机的研究工作,并探索高超声速的和飞机及空天飞机。 俄罗斯在高超声速技术领域一直处于世界领先地位,先后实施了“彩虹”-D2、“鹰”、“鹰”-31等高超声速计划。目前,美、法等国正在加紧进行以高超声速为主要应用背景的全尺寸外形动力试飞器的研究工作,高超声速有望2020年前装备部队。
2. X-51高超声速
2.1 X-51导弹
2010年5月26日上午10时左右，左翼装载了X-51的空军飞行试验中心的B-52同温层堡垒的从基地起飞。然后，在飞行至穆谷海军航空作战中心领海范围内5万英尺的高空时，X-51被释放出来。四秒钟后，在X-51盲点监测系统与连接架分离之前，由陆军战术导弹固体火箭助推器驱动的X-51已提速至约4.8马赫。金属弯管
图4 X-51从B-52轰炸机下落 图5 左翼装载了X-51的B-52
X-51是美国全球高速摧毁武器，被称为“乘波者”（WaveRider），它是一种从B-52轰炸机上发射的，由助推火箭加速到超声速，再利用冲压发动机使其达到高超声速。
X-51导弹头部扁平，弹身中部设有四片可以偏转的小翼（襟翼）和腹部进气道，弹体长约3.5米，弹体采用标准的镍合金制造，并非稀有材料，其重量和体积与联合防区外空对地导弹差不多，因此可以搭载在B-52等轰炸机和其他喷气战斗机上发射。采用了乘波构型设计概念，通过专门设计的尖锐头部，可以形成按精确角度分布的激波系，使激波系产生的所有压力直接作用在导弹下方，从而为导弹提供升力。同时，头部形成的激波系还能起到压缩空气的作用，有助于X-51发动机的燃烧过程。飞行速度为马赫数5.0（近6000千米/小时），是世界上第一个能够达到如此高速度的空射。
载机将X-51导弹携带到1.5万米高空后投放，然后弹体后部安装的“陆军战术导弹系统”的火箭发动机作为助推器点火，将约730喷气式飞行器千克的导弹推至马赫数4.5的飞行速度，并在其爬升到约3万米以上的高空后，抛弃助推器，起动冲压发动机加速到最大速度（马赫数5），X-51导弹本身的射程约1000千米。这种超燃冲压发动机的首要目的是开发快速打击能力，不过
也可以用于太空运输。随着航天飞机和35年之久的技术的逐渐过时，美国正在寻求以超燃冲压发动机提供动力的运载器。除了用于吸气式太空发射，超燃冲压发动机/冲压喷气发动机组合还能实现飞行器依靠吸气式发动机提供的动力着陆，而不是像航天飞机那样依靠无动力滑翔着陆，承担很高的风险。
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