高超聲速飛行器

高超音速飛行器是指飛行速度超過5倍音速的飛行器、導彈、炮彈等有翼或無翼飛行器具有突防成功率高的特點，具有巨大的軍事價值和潛在的經濟價值。

2022年4月7日，據(jù)美國國防高級研究計劃局飛行國際報道（DARPA）高超音速吸氣式武器(HAWC)該項目完成了第二次飛行測試。

動力系統(tǒng)

噴氣式發(fā)動機

高超聲速飛行器

噴氣式發(fā)動機通常由進氣口組成、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管。一些軍用發(fā)動機在渦輪和尾噴管之間有加力燃燒室。噴氣發(fā)動機屬于熱機，做功的原理也是這樣的：高壓輸入能量，低壓釋放能量。工作時，發(fā)動機首先從進氣口吸入空氣。這個過程不是簡單的開一個入口由于飛行速度是可變的，壓氣機對進氣速度有嚴格的要求，進氣道必須能夠將進氣速度控制在合適的范圍內。顧名思義，壓縮機是用來增加吸入空氣的壓力的。壓縮機主要是風扇葉片的形式，葉片的旋轉對氣流做功，使得氣流的壓力、溫度升高。然后高壓氣流進入燃燒室。燃燒室的燃油噴嘴噴射油，油與空氣混合后被點燃，產生高溫高壓的燃氣，向后排放。高溫高壓氣體通過高溫渦輪回流，部分內能在渦輪中膨脹，轉化為機械能，驅動渦輪旋轉。因為高溫渦輪和壓縮機裝在同一根軸上，所以也帶動壓縮機旋轉，從而反復壓縮吸入的空氣。從高溫渦輪流出的高溫高壓氣體在尾噴管中繼續(xù)膨脹，并從尾噴管高速向后排出。這個速度遠大于氣流進入發(fā)動機的速度，從而對發(fā)動機產生反推力，驅動飛機向前飛行。

超燃沖壓發(fā)動機

沖壓發(fā)動機是一種吸氣式發(fā)動機，利用大氣中的氧氣作為全部或部分氧化劑，與攜帶的燃料發(fā)生反應。與壓氣機增壓的航空發(fā)動機不同，它是利用結構部件產生的激波壓縮高速氣流，實現(xiàn)氣流減速增壓整體結構比較簡單。其工作原理是首先，高速氣流通過進氣口減速增壓，空氣在燃燒室內與燃油發(fā)生反應，通過燃燒將化學能轉化為氣體的內能。最后，氣體膨脹并加速通過噴嘴，排入大氣此時噴嘴出口處的氣體速度高于進口處的氣體速度，因此產生向前的推力。

超燃沖壓發(fā)動機主要由進氣道組成、隔離段、燃燒室和尾噴管。進氣道的主要作用是捕獲足夠的空氣，并通過一系列的激波壓縮空氣，為燃燒室提供一定的流量、溫度、加壓氣流可燃組織。隔離段是進氣道與燃燒室之間的一條等直通道，其作用是消除燃燒室壓力波動對進氣道的影響，實現(xiàn)不同工況下進氣道與燃燒室的良好匹配。點火后燃燒室壓力升高時，在隔離段會產生一系列沖擊波，沖擊波的長度和位置會隨著燃燒室背壓的變化而變化。當隔離段的長度足夠時，可以確保燃燒室的壓力波動不會影響進氣口。燃燒室是燃料噴射和燃燒的地方在超燃沖壓發(fā)動機中，燃料可以從壁面支撐板或燃料注入桿注入。超燃沖壓發(fā)動機的火焰穩(wěn)定不同于超燃沖壓發(fā)動機，因此它可以 不要被使用“V”凹槽等侵入式火焰穩(wěn)定器，因為它們會帶來很大的阻力，所以凹腔目前被廣泛用作火焰穩(wěn)定器。尾噴管是空氣膨脹產生推力的地方。

熱防護

高超聲速飛行器研制中遇到的另一個難題是氣動加熱，稱為熱障。主要是因為飛機飛行時的沖擊波和粘性，周圍空氣溫度急劇上升，形成激烈的氣動加熱環(huán)境，這是一般飛機結構無法承受的。為了克服熱障，科研人員首先精心設計了飛行器的飛行軌跡和氣動外形，在不影響或少影響飛行器性能的情況下，盡可能降低進入飛行器的氣動加熱率，即熱流。

克服熱障的主要手段是保護飛機不受熱，根據(jù)防熱機理將防熱方法分為以下幾種：熱沉防熱；輻射防熱；汗水冷卻和消融熱保護。

熱沉熱防護主要是利用材料的熱容量來吸收熱量。任何材料都有熱容，但作為防熱材料時有其特殊要求。首先要有大的比熱，這樣單位質量的材料才能吸收更多的熱量；其次，要有高導熱率只有這樣，熱沉材料的溫差才不會太大否則，受熱面接近或達到材料的破壞溫度，其余部分的溫度仍然較低，所以材料的電位 s的大熱容量不能充分發(fā)揮。由于熱沉材料的失效溫度一般不是很高，比如銅的熔點是135，733，356 K，為了吸收大量的熱量，就需要大幅度增加熱沉材料的質量，形成一個比較笨重的熱防護系統(tǒng)。

輻射熱防護主要是利用材料的輻射特性。將空氣動力的熱量輻射到它的表面。由于輻射熱通量與表面溫度的四次方成正比，因此所選用的輻射熱防護材料不僅要有高的輻射特性，還要有低的導熱系數(shù)和耐高溫性能。

汗液降溫防熱是通過多孔表面滲出液體來達到防熱的目的。主要依靠熱阻擋效應或物質拋射效應的機制來防熱。其基本原理是，當流體注入飛機表面的氣體邊界層時，邊界層結構發(fā)生變化，厚度增加，溫度梯度降低，從而減少進入飛機的對流傳熱。發(fā)汗冷卻用于飛行器熱防護的優(yōu)點是飛行過程中氣動外形沒有變化，還可以通過控制流體的泄漏來適應不同熱流的熱防護要求。氣膜冷卻和熱防護是依靠液體或氣體從飛機表面的小孔噴出，在表面形成一層薄薄的液膜或氣膜，將飛機表面與高溫氣體隔開，然后液體蒸發(fā)吸熱，氣體注入邊界層，產生熱阻隔效應，減少對流傳熱進入飛機。薄膜冷卻熱防護類似于上述發(fā)汗冷卻熱防護。許多人將其歸因于出汗降溫和防熱。

燒蝕通過燒掉外層來保護內層。消融熱保護是有效的、可靠、自適應、重量輕、工藝簡單、搬運和儲存方便等，并被廣泛使用。中遠程彈道導彈彈頭、返回式衛(wèi)星、宇宙飛船、燒蝕防熱用于登月飛行的返回艙和航天飛機的機頭和翼尾前緣。經過幾十年的研究試驗和實際應用，針對飛機的不同用途或飛機的不同部件，開發(fā)了多種燒蝕材料。燒蝕熱防護是目前高超聲速飛行器熱防護中最成功的方法。燒蝕防熱的主要缺點是一次性使用和燒蝕引起的空氣動力學形狀變化。后者會影響再入航天器的穩(wěn)定性、著陸精度和再入機動飛行，以及巡航飛機的升力阻力、穩(wěn)定性和操縱性。

據(jù)飛行國際2022年4月7日報道，美國國防高級研究計劃局高超音速吸氣式武器(HAWC)該項目完成了第二次飛行測試。