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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-303308

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