聲音在空氣中傳播的速度是每秒鐘340米，時速約1200公里（隨高度數值略有變化），也稱為1馬赫(M)。在最初的螺旋槳飛行時代，沒有一種飛行器的飛行速度能真正達到或超過音速。但為追求飛行器的速度，世界各國展開跨躍音速的努力。隨著科技不斷進步，人類不斷提高自己的目標，超音速、兩倍音速、三倍音速，現在開始速度高達5倍以上音速的高超音速飛行器的研製，而且世界各國已經展開激烈競爭。
美國宇航局的X-43A進行飛行試驗
一、回顧人類挑戰速度極限歷程
在螺旋槳飛機時代，速度很難超過音速，有些人嘗試採用俯衝等方式來超越音速的試驗時，飛機往往會發生劇烈的抖振，飛行員無法操縱飛機，有時甚至機毀人亡。當時有些人認為，音速是一種天然不可逾越的障礙，並把音速稱為“音障”。
人類研製的飛行器要突破音障，需要採用全新的動力推進系統，在1913年，法國工程師雷恩·洛蘭提出了衝壓噴氣發動機的設計，並獲得專利。但當時沒有相應的助推手段和相應材料，只停留在紙面上。1928年，德國人保羅·施米特開始設計衝壓式噴氣發動機。1934年時，施米特和G·馬德林提出了以衝壓發動機為動力的“飛行炸彈”，于1939年完成了原型。
後來這一設計，1942年12月24日，由德空軍工程師勃列埃進一步研製產生了納粹德國的V-1巡航導彈。現在，鋻於衝壓發動機的特性，主要用於無人機和各類制導導彈方面。1942年10月3日，德國還在著名的火箭專家馮·布勞恩帶領下研究成功裝有火箭發動機的6倍于音速V-2火箭，這是世界上第一種彈道導彈，現在火箭發動機主要應用在航太、彈道導彈、飛行試驗和其他各類制導導彈等方面。
與此同時，1930年，英國人弗蘭克·惠特爾獲得了燃氣渦輪發動機專利，這是第一個具有實用性的噴氣發動機設計。11年後他設計的發動機首次飛行，從而成為了渦輪噴氣發動機的鼻祖。燃氣渦輪發動機被當時的噴氣式民航客機、運輸機和軍用戰鬥機廣泛採用。美國通用電器公司在1957年成功推出了CJ805-23型渦扇發動機，渦扇發動機效率高，油耗低，飛機的航程遠。現在世界上先進的戰鬥機和客機均採用渦扇發動機，但由於結構複雜，製造技術要求很高，只有少數幾個國家掌握全面的設計製造技術。
美國航宇局正在研究火箭基組合迴圈（RBCC）發動機，也稱為支桿噴氣發動機。支桿噴氣發動機在飛行中要幾次變換工作方式。它在起飛時是一台裝在函道內的加氣補燃式火箭，在2.4∼6馬赫時是一台衝壓發動機，在6∼8馬赫時是一台超燃衝壓發動機，隨後又成為一台純粹的火箭發動機。期望用來實現單極入軌的航太技術。
美國空軍試飛員查克·耶格爾(Chuck Yeager)在1947年10月14日，駕駛一架外型近似子彈的安裝火箭發動機X-1實驗機，在12800米的高空，超過了音速、即每小時1078公里(1.015馬赫)，當時這是人類達到的頂峰速度。而美國海軍在超音速飛機上和美國空軍展開競爭，1951年8月7日，美國海軍的道格拉斯 D.558-II型“空中火箭”式研究機的速度，達到M1.88。X-l型和D.558-II型，都被稱為“空中火箭”。 D.558-II也是以火箭發動機為動力，由試飛員威廉·布裏奇曼駕駛。8天之後，布裏奇曼駕駛這架研究機，飛達22721米的高度，使他成為當時不但飛得最快，而且飛得最高的人。接著，在1953年，“空中火箭”的飛行速度，又超過了M2.0，約合2172公里/小時。同樣在1953年，前蘇聯的米格-19和美國的F-100兩種超音速飛機相繼問世，戰鬥機進入超音速噴氣機時代。
隨著科技發展，1958年F-104和米格-21又將飛行速度記錄提高到了M2.0，人類開始達到兩倍音速飛行，美國洛克希德·馬丁公司B－58“搶奪者”轟炸機是世界上第一種超音速，也是第一種達到2倍音速的轟炸機；1973年12月6日，法國和英國合作研製的協和式客機，速度可以達到兩倍音速，最大速度為2333公里/小時，它是世界上唯一的一種投入運營的超音速客機。如今現役的戰鬥機各國很多型號都達到了兩倍以上音速。
人類開始衝刺三倍以上音速，這將面臨“熱障”的難題。高速飛行的飛機機首與氣流摩擦生熱，據估計達到三倍音速時，溫度將達到300度，使普通機體材料無法承受。前蘇聯米格設計局和美國洛馬公司採用不同的技術研製成功的米格—25戰鬥機和SR-71“黑鳥”戰略偵察機突破了三倍音速大關；米格—25大部分材料採用鋼制，原型機80%的材料是鋼，8%是鈦合金，其餘是D19抗高熱鋁合金和其他材料；而SR-71“黑鳥”戰略偵察機則大量採用極難加工的鈦合金材料，鈦金屬重量輕，強度大，耐高溫。
通常把超過5倍音速的飛行器稱為高超音速，即每秒飛行速度超過一點七公里，據推算，高超聲速飛行器七小時內就可環繞地球一週。高超聲速飛行器是二十一世紀世界航空航太事業發展的一個主要方向，在未來的軍事、政治和經濟中將發揮重要的戰略作用。目前，美、俄、法、德、日、印度等國家都在進行這方面的研究，只有美國、俄羅斯已經多次在航展上公開展示實驗用模型或樣機，但還未研製出實用型的高超聲速飛行器。
二、高超音速飛行器的技術特點及設計上的難點
1、高超音速飛行器的飛行方式。
複合動力方式：在初始階段採用渦輪發動機；當高超音速飛行器的速度達到兩倍音速左右時，渦輪引擎就暫時不運轉，吸氣衝壓發動機利用大氣中的氧氣燃燒推動飛行；當高超音速飛行器的速度達到10倍或15倍音速時，它就開始轉而利用火箭推動系統，不再依靠大氣飛行。美國航空和宇宙航行局（NASA）計劃研製用於高超音速飛行的火箭基組合迴圈（RBCC）發動機。基本思路是把火箭同衝壓/超燃衝壓發動機結合到一起，火箭部分用於在速度較低和運載器飛出地球大氣層後提供推力。航空噴氣發動機系統公司已在從海平面、零速到42.7公里、8馬赫的高度和速度條件下對其支桿噴氣RBCC發動機的一個縮比模型進行了地面試驗，並認為該方案已可轉入飛行試驗階段。支桿噴氣發動機在飛行中要幾次變換角色。它在起飛時是一台裝在函道內的加氣補燃式火箭，在2.4∼6馬赫時是一台衝壓發動機，在6∼8馬赫時是一台超燃衝壓發動機，隨後又成為一台純粹的火箭。該發動機的關鍵技術是進氣道內楔形的立式支桿。這些支桿可對來流空氣進行壓縮，還用於噴注燃料並安裝火箭推力器。支桿噴氣發動機用於航太發射時將使用氫燃料，用於在大氣層內執行任務時則可使用烴類燃料。
單動力或複合動力“衝躍”方式：飛行器將從跑道上水準起飛或由專用的大型運輸機挂載空中投放，加速到10馬赫，同時爬升到40000米的高度，然後關閉發動機，依靠慣性向上衝躍滑翔飛出大氣層，向前飛行同時在回落到大氣層後發動機將短時重新開動，使飛行器加速並爬升完成下一週期的“衝躍”方式—正弦波飛行軌跡飛行。
助推火箭輔助起動飛行方式：通常使用固體燃料推進火箭來完成初始階段的飛行，來達到啟動吸氣衝壓發動機工作所需要的速度和高度。
“騎波器”外形設計單動力飛行方式：外形很象滑板，原理是由前機身在高超音速條件下壓縮空氣產生激波，激波斜向擴散，一部分通過機身下面，從而產生升力。現有的採用專用的大型運輸機挂載空中投放啟動方式。
2001年4月28日美國宇航局用B-52挂載裝在“飛馬”火箭前端的X-43A準備飛行試驗
2、高超音速飛行器的種類。
具體的高超聲速飛行器，主要包括水準起降航太運載器、高超音速導彈、高超音速飛機和跨大氣層飛行器等幾種。
美國波音公司的Phantom工廠與普惠公司、波音公司的聖·路易斯工廠與航空噴氣發動機公司正在分別進行合作。第一種飛行器採用了騎波器方案，彈體又長又寬呈扁平狀，動力裝置採用普惠公司為美國空軍研製的超音速燃燒衝壓噴氣發動機（Scramjet）；第二種飛行器採用傳統的圓柱形彈體，其動力裝置為一台衝壓/超音速燃燒衝壓雙燃燒發動機（Ram/Scramjet），該發動機原先是由霍普金斯大學應用物理實驗室為美國海軍研製的，為適應ARRM的需求，目前航空噴氣發動機公司正在對其進行改進。這兩種設計方案的動力裝置都還至少包括一台固體火箭助推器，以提供啟動超音速燃燒衝壓噴氣發動機（Scramjet）或衝壓/超音速燃燒衝壓雙燃燒發動機（Ram/Scramjet）的速度。
挂載在B-52機翼下裝在“飛馬”火箭前端的X-43A
3、 超音速飛行器設計面臨的難點。
由電腦生成馬赫7下高超—X的流場
從60年代起，高超音速飛行器所需的吸氣式動力裝置（也被稱為“超音速燃料衝壓式噴氣發動機”）的研製工作就遇到了困難，主要是到最近為止仍是這種飛行器唯一可選用的動力裝置的超音速燃燒衝壓噴氣發動機在技術上出人意料地複雜。為了打破這一僵局，各國高超音速研究領域的“頂尖高手”曾在1997年底齊聚英國倫敦，參加了“奔向馬赫5：高超音速飛行”研討會。而與此同時，電腦技術的發展帶來的計算能力的提高，已使超燃衝壓發動機內複雜的空氣熱力學流動開始得到比以往有效得多的模擬；這種發動機在下個十年內開始得到實際應用的可能性已越來越大。
美國航宇公司Hyper- X組態在高溫風洞中實物大小的模型模擬Mach 7 試驗
飛行器在速度達到5.4馬赫左右時達到高超音速，此時局部氣流會在飛行器前緣永久滯止，對於需把氣流速度降至亞音速後再行燃燒的衝壓發動機來說將因進氣道壓力過大而無法工作。而在超燃衝壓發動機中，燃燒是發生在超音速氣流中，降低了壓力，但同時也帶來了新的問題。英國國防評估研究局航空物理學顧問特裏·凱恩稱，防止超燃衝壓發動機進氣道“不起動”是一個大問題。另一大需克服的難點是為高超音速飛行而優化的機體，在跨音速區會遇到大大高於普通超音速飛機的波阻，因此需要借助一次性火箭助推器或發射輔助飛行器將其帶過這道音障。不過，最終的目標還是要實現單級入軌。
三、世界各國競相研製高超音速飛行器
1、 美國居領先地位的高超音速飛行器。
美國航宇公司NASA的高超音速系列飛行器X-43A
美國航宇局研製使用火箭發動機的Ｘ－１５飛機在１９６７年１０月創下的６.７馬赫的紀錄。1986年，美國開始進行X-30國家空天飛機（NASP）計劃，進一步嘗試開發已有的超燃衝壓發動機技術。X-30是用於驗證一種單級入軌（SSTO）空天飛機及其所需的氫燃料超燃衝壓發動機和高溫材料等項技術。在歷經8年花費約100億美元後，由於技術上無法突破而最終放棄。美國宇航局和美國空軍曾試圖聯合進行小規模的高超音速飛行技術試驗，但最終雙方並沒走到一起，而是分別實施各自的超燃衝壓發動機技術驗證計劃。其中美國航宇局的計劃是高超X，而美國空軍的計劃稱為高超技術（HyTECH），最近又更名為高超裝置（HySET）。
美國航宇公司NASA的高超音速系列飛行器X-43B
美國航宇公司NASA的高超音速系列飛行器包括三個範例：X-43A、X-43B和X-43C。X-43A是個無人駕駛高超音速驗證飛行器；X-43B是“超級X”系列飛行器範例中體積最大的一款，預計將在2010年進行飛行實驗；X-43C安裝了新型的超音速衝壓噴射引擎，該引擎由美國空軍製造。這款飛行器目前還正在研發階段，NASA計劃在2008年進行X-43C的飛行測試。
美國航宇公司NASA的高超音速系列飛行器X-43C
2、 俄羅斯採用新設計力爭趕超美國。
俄羅斯公開展示的有兩種型號高超音速飛行器，曾在MAKS-97航展上提交過研究進展情況。“針”式(Needle ГЛЛ-ВК)高超音速飛行器和“射手”（VLL-expert ГЛЛ-31）高超音速飛行器。同美國一樣，俄羅斯高超音速飛行器也處在試驗階段，但俄羅斯和美國在設計思想方面最大的不同是在回收方面，美國一般採用一次性設計，試驗原型直接墜入海中，而俄羅斯由於經費十分困難，採用降落傘回收方式來提高利用率。
俄羅斯Needle“針”式高超音速吸氣式飛行器
俄羅斯Needle“針”式(ГЛЛ-ВК)高超音速航空宇宙和吸氣式發動機飛行器的設計方案在МАКС-97 被提交，在МАКС-99提交試驗模型。長度為8 m 的航空宇宙飛行器應該提供М=6-14速度；26-50 公里的飛行高度；採用液氫動力。獨立飛行吸氣式發動機工作持續時間 7-12 分鐘。“針”式研究意義是為了空氣動力學方面設計的改進和熱-屏隔用於高超音速空氣動力性能。更重要的是一個設計，直接的- 流量空氣- 吸氣引擎(ПВРД) 。在它裏面燃燒室空氣不被壓縮機強制加壓,而採用能產生一個積聚流的巧妙設計，這樣的回路使飛行器保持較小的重量,但具體情況尤其是裏面旋轉式噴頭詳細的資料,仍無從得知。
“射手”（VLL-expert ГЛЛ-31）高超音速飛行器
俄羅斯中央航空發動機研究院與格羅莫夫試飛院將於明年開始進行高超音速飛行器ГЛЛ-31的首次飛行試驗。現在雙方正進行試驗型高超音速衝壓式空氣噴氣發動機的試驗臺試驗，明年計劃進行ГЛЛ-31的首次飛行試驗。據稱，ГЛЛ-31高超音速飛行器的研製，試驗氫氣和碳氫高超音速衝壓空氣噴氣發動機。飛行器的燃料（液氫）為300升。現在，該發動機已經在中央航空發動機研究院的科學試驗中心試驗臺上完成了一系列地面試驗，該試驗臺可保證在地麵條件下試驗大型的衝壓式空氣噴氣發動機，速度可達7馬赫數或更高。專家認為，俄羅斯的衝壓式空氣噴氣發動機方案無論是所用材料和技術水準，都超過外國的方案。ГЛЛ-31的基本尺寸：長度7米；起動重量3500公斤；發動機ГПВРД ТМКБ“Union”；工作時間30-60сек；起動速度M=2；高超音速範圍M=5—10；飛行高度20—40公里。
3、 澳大利亞欲在高超音速飛行器研究揚名世界。
澳大利亞正在進行超燃衝壓發動機飛行試驗
2002年7月30日，澳大利亞由項目負責人、昆士蘭大學的艾倫·波爾博士領導的研究小組試驗了一種用於高超音速飛機的火箭衝壓發動機，並稱基本取得成功。火箭衝壓發動機使用液氫燃料，燃燒所需要的氧氣可以從空氣中獲得，不僅能減輕自重提高載荷，而且能提供極高的速度。在當天的試驗中，先由助推火箭將發動機送至３００多公里的高空，然後兩者脫離。不久，發動機開始點火，同時上面安裝的設備開始向地面傳送數據。按照正常情況，發動機應達到８０００公里的時速。波爾說，就現在的情況來看，“火箭軌跡的確與預料的一樣”，並且所有數據傳送都正常。相同的試驗在2001年１０月也進行過，但由於助推火箭發生故障而失敗。
4、歐洲各國在研製高超音速飛行器方面進度緩慢。
2000年，俄羅斯莫斯科航空學院將把其第一台幾何形狀可變的超燃衝壓發動機交付到法國宇航馬特拉公司設在布爾日的試驗中心，使俄法旨在研製超燃衝壓發動機的一個合作項目步入關鍵階段。由於歐洲還沒有單級入軌運載器計劃，所以這項計劃將在歐洲的單級入軌運載器研製方面起到領頭羊的作用，並且其成果還可能用於發展未來的高超音速導彈。
法國宇航馬特拉公司在衝壓發動機設計方面有30年的經驗，在該領域處於歐洲領先地位。90年代中期，該公司曾實施了先進高超音速推進研究計劃（PREPHA）。這項計劃主要由法國政府出資支援，參加的廠家還有達索公司、生產發動機的國營飛機發動機研究製造公司（SNECMA）和歐洲動力裝置製造公司以及法國宇航研究院（ONERA）。從1997年起，法國宇航研究院和德國宇航研究院（DLR）一直在實施一項內部研究計劃，稱為JAPHAR，旨在論證一種可在4∼8馬赫的速度下自主飛行的試驗性飛行器。該項計劃擴大了PREPHA計劃的研究範圍，主要是要編制用於計算氣動熱力學的必要數值程式，同時也要最終研製出一種氫燃料雙模衝壓發動機並進行地面試驗。該發動機可在6馬赫以下進行亞音速燃燒，在此速度之上則可轉為超音速燃燒。
法國國家航空航太公司與航空航太研究院，正在研製一種HAHV高空高速無人駕駛偵察機，其速度達6至8倍音速，航程可達2000公里。在30到35公里高度上，能實行電子情報蒐集等多種任務，主要用於偵察超視距敵方對空防禦系統陣地情況。
據英國《簡氏防務週刊》2001年8月報道,英國國防部準備啟動一項高超音速試驗項目並期望在三年的時間內建成一個可飛行的縮尺比型航太器，並在5年內進行第一次飛行。該試驗用飛行器長1.5米，重30千克，其發動機為衝壓發動機。其目的是調查生產能進行穩定飛行的高超音速飛行器的方法。在過去的四十年，英國的高超音速項目主要限制在風洞試驗和模擬預測。該穩定的高超音速飛行試驗(ShyFE)項目由前英國防務評估和研究局的一個新成立的私營分部--QinetiQ負責。QinetiQ公司的投資夥伴還包括牛津大學的高超音速小組和倫敦的帝國大學(Imperial college)，該飛行器的製造由美國CGC公司完成。
四、高超音速飛行器的應用價值及應對措施
1、高超音速飛行器具有重要的戰略意義和極高的應用價值。
在民用航太方面，人們最關心的是將高超音速飛行器研製成空天飛機。美國前總統裏根當時曾提出，要在20世紀末研製出速度達25馬赫的“東方快車”，將從華盛頓到日本的常規商務飛行的時間由現在的18個小時縮短到近兩個小時。
在研究節省能源和低發射成本航太方面，高超音速飛行器和火箭組成兩極模式，高超音速飛行器作為運載火箭可重復使用的第一級時，它先按執行遠程飛行方式進行加速與爬升，但當它接近最高速度和最高飛行極限高度時釋放攜帶有效載荷的第二級，第二級便點火並攜帶衛星或其他有效載荷進入軌道，與此同時高超音速飛行器返回起飛點作常規著陸。
另外，高超音速飛行器還被希望製造成一種大型運輸機。它比其他飛機運載的有效載荷多、飛得遠和飛得快，從而使它成為一種具有吸引力的運輸工具，而且做再次飛行準備所需的完善基礎設施比較少。
在軍用方面，高超音速飛行器可用做轟炸機，計劃研製中的高超音速轟炸機能把炸彈投到地球上任何地點並返回到原起飛點，能精確投擲高爆穿甲彈或動能武器來實施打擊，下一步將配載高能鐳射武器或粒子束武器用來攻擊對方地面或太空衛星等目標，而且不需要中途加油和在國外設置前進基地。它的飛行高度高、速度快、側向機動性好，目前任何防空武器都無法打到它。
2、 世界各國正在研究針對軍用高超音速飛行器的對抗措施。
對抗措施的研究主要從軍事威懾和技術對抗兩方面入手。從目前的對空防禦系統的參數來看，全世界比較先進的防空系統——俄羅斯鑽石中央設計局/安泰防空集團研製生產的S-300PMUI防空導彈系統，可對付來襲導彈和飛機，其最大射程達到150千米(傾斜)，射高為40公里，目標最大速度4200KM/H。雖然面對速度高達10馬赫高度達到20—40公里高超音速飛行器是無能無力的，但是畢竟目前高超音速飛行器和武器投放方面的研究還處在實驗階段。因此從目前放在首位的是採取威懾對抗手段，這是指一方採用大規模殺傷武器為盾牌來迫使對方不敢使用無法攔截的軍用高超音速飛行器，另外是指雙方都有高超音速軍用飛行器來達到威懾平衡，任何一方使用都很難下決定。技術不斷進步使攔截高超音速飛行器的辦法越來越多，鐳射、粒子束等武器將極有可能成為攻擊高速飛行器的有效手段。高超音速技術還用在機載空對空導彈方面，用戰鬥機挂載高超音速空對空導彈來伏擊也是可行的，因為軍用高超音速飛行器不可能具有較高的機動能力，目前過載系數設計目標僅2.5g左右。這將基於建立更先進、更全面的預警網路來及時發現來襲的高超音速飛行器，超高軌道高精度預警衛星是必要的早期預警手段。（銘瑞）
中國網 2003年09月19日
