20世紀(jì)80年代至90年代，全球航空大國掀起了一股空天飛機研發(fā)熱潮，其中德國提出的桑格爾（S?NGER II）高超聲速計劃堪稱技術(shù)最為先進、設(shè)計最為完善的空天飛行器方案之一。該計劃于1987-1995年間進行，以其兩級入軌設(shè)計理念和渦輪沖壓組合循環(huán)動力系統(tǒng)的深度論證與試驗而聞名于世，是世界上首次針對此類動力系統(tǒng)開展深入研究的超前探索。桑格爾計劃的命名來源于奧地利火箭與航天先驅(qū)尤金·桑格爾（Eugen S?nger），他在1933年的開創(chuàng)性著作《火箭飛行技術(shù)》中首次提出了可重復(fù)使用火箭動力太空飛機的概念，為后來的空天飛行器研究奠定了理論基礎(chǔ)。

一、S?NGER II計劃概述

德國在開展桑格爾計劃前，已經(jīng)憑借在空氣動力學(xué)等領(lǐng)域的理論成果和以渦輪基沖壓組合發(fā)動機為代表的技術(shù)探索，主導(dǎo)開展了一系列高超聲速技術(shù)驗證計劃。桑格爾計劃的主要目標(biāo)是提升未來空間運輸系統(tǒng)的經(jīng)濟性、安全性、可靠性及便捷性，通過采用先進但可實現(xiàn)的技術(shù)，打造一個可重復(fù)使用的兩級入軌帶翼空間運輸系統(tǒng)，實現(xiàn)全歐洲的完全自主空間運輸。這一計劃代表了當(dāng)時歐洲在空天運輸領(lǐng)域與美國競爭的技術(shù)雄心，其設(shè)計理念在當(dāng)今看來仍具有前瞻性。

桑格爾空天飛行器采用兩級入軌設(shè)計方案，其第一級是一架大型超音速航空飛機，第二級是類似于美國航天飛機軌道器的軌道飛行器，但自帶液氫-液氧推進劑。這種設(shè)計使得桑格爾空天飛行器能夠在常規(guī)機場水平起飛和降落，極大提高了運營靈活性和可重復(fù)使用性。當(dāng)?shù)谝患夛w行器加速至速度約2200米/秒（約6.8馬赫）、高度達(dá)31千米時，兩級實現(xiàn)分離，隨后第二級在火箭發(fā)動機推動下進入軌道。

盡管因各種原因（包括技術(shù)挑戰(zhàn)、預(yù)算限制和冷戰(zhàn)結(jié)束后政治環(huán)境變化），桑格爾II高超聲速計劃未能最終實現(xiàn)全面開發(fā)和飛行驗證，但借助該計劃，德國研發(fā)了大量的先進技術(shù)，且在高超聲速飛行器設(shè)計方案、分析方法、試驗驗證等方面都取得了寶貴的經(jīng)驗。這些技術(shù)積累為后續(xù)各國在組合動力和高超聲速飛行器工程研制提供了重要參考，尤其是在推進系統(tǒng)、熱管理、材料科學(xué)等核心領(lǐng)域。

二、S?NGER 空間運輸系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 兩級入軌架構(gòu)與任務(wù)剖面

桑格爾II空間運輸系統(tǒng)的核心設(shè)計理念是兩級入軌架構(gòu)，這種設(shè)計通過將大氣層內(nèi)飛行與太空飛行任務(wù)分離，優(yōu)化了各自階段的飛行效率。該系統(tǒng)由兩部分組成：第一級作為高超聲速載機，是一架使用吸氣式動力的有翼飛行器；第二級則是置于第一級背部的軌道飛行器，使用獨立的火箭動力系統(tǒng)進入太空。這種設(shè)計允許第一級在完成任務(wù)后返回常規(guī)機場水平著陸，實現(xiàn)完全可重復(fù)使用，而第二級軌道器也可設(shè)計為可重復(fù)使用或部分可重復(fù)使用系統(tǒng)。

桑格爾的典型任務(wù)剖面始于在常規(guī)機場水平起飛，第一級載機使用渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機提供動力，在大氣層內(nèi)加速爬升。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的分離條件（高度31千米，速度6.8馬赫）時，兩級飛行器安全分離。第一級載機返回發(fā)射場或備降機場水平著陸，而第二級軌道器則點燃自身的火箭發(fā)動機，繼續(xù)加速進入預(yù)定軌道。任務(wù)結(jié)束后，軌道器再入大氣層，像傳統(tǒng)航天飛機一樣滑翔返回機場水平著陸。

這種兩級入軌設(shè)計與美國國家空天飛機單級入軌方案相比，雖然在系統(tǒng)復(fù)雜度上有所增加，但在技術(shù)可行性和風(fēng)險控制方面具有明顯優(yōu)勢。通過將高超聲速飛行與太空飛行環(huán)境分離，桑格爾方案降低了技術(shù)門檻，使得各子系統(tǒng)可以在更接近現(xiàn)有技術(shù)水平的條件下進行優(yōu)化設(shè)計。

2.2 第一級與第二級飛機構(gòu)型

第一級高超聲速載機是桑格爾系統(tǒng)的技術(shù)核心，其設(shè)計融合了當(dāng)時最先進的空氣動力學(xué)和推進理念。該飛行器采用大后掠角翼身融合體布局，機身細(xì)長，前體設(shè)計具有明顯的預(yù)壓縮斜面，為推進系統(tǒng)提供高質(zhì)量的氣流。機翼設(shè)計兼顧低速起降和高超聲速巡航的需求，在氣動熱力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)方面進行了深度優(yōu)化。

第一級最為革命性的設(shè)計是其高度一體化的推進系統(tǒng)，整個機身下表面作為推進系統(tǒng)的組成部分，前體用于來流預(yù)壓縮，后體作為推進系統(tǒng)的膨脹面。這種設(shè)計顯著提高了推進效率，特別是在高馬赫數(shù)飛行條件下。第一級的動力系統(tǒng)采用串聯(lián)式同軸渦輪沖壓發(fā)動機，使用液氫作為燃料，能夠在0-6.8馬赫的速度范圍內(nèi)高效工作。

第二級軌道器則采用更為傳統(tǒng)的航天飛機式氣動布局，但尺寸較小。它配備了獨立的液氫-液氧火箭發(fā)動機，用于第一級分離后的軌道注入。軌道器設(shè)計有有效載荷艙，能夠承載衛(wèi)星、空間實驗設(shè)備或其他太空任務(wù)載荷。與第一級類似，第二級也具備水平著陸能力，實現(xiàn)了系統(tǒng)的完全可重復(fù)使用。

桑格爾系統(tǒng)的整體設(shè)計體現(xiàn)了漸進創(chuàng)新與技術(shù)突破的平衡，第一級采用了大量前瞻性技術(shù)，而第二級則基于相對成熟的技術(shù)，這種組合降低了整個項目的技術(shù)風(fēng)險和開發(fā)成本。盡管桑格爾計劃最終未能實現(xiàn)全尺寸飛行驗證，但其總體設(shè)計方案影響了許多后續(xù)的空天飛行器概念，如英國的"云霄塔"空天飛機和歐洲航天局未來發(fā)射器預(yù)備計劃中的多種概念設(shè)計。

三、S?NGER推進系統(tǒng)方案及研究進展

3.1 基準(zhǔn)方案選擇與系統(tǒng)構(gòu)成

桑格爾II計劃最具技術(shù)創(chuàng)新的部分是其推進系統(tǒng)設(shè)計。針對第一級推進任務(wù)需求，研究團隊深入研究了不同形式的熱力循環(huán)，主要包括渦噴沖壓串聯(lián)/并聯(lián)、渦扇沖壓、帶預(yù)冷/預(yù)燃室增大循環(huán)等多種方案，作為第一級的備選動力裝置。經(jīng)過全面評估，綜合考慮飛行器任務(wù)剖面和一體化的相關(guān)限制，以及研究的風(fēng)險性、復(fù)雜性等因素，桑格爾推進系統(tǒng)的基準(zhǔn)方案最終確定為采用液氫燃料的串聯(lián)式同軸渦輪沖壓發(fā)動機構(gòu)型。

該推進系統(tǒng)由一個2D進氣道、渦輪發(fā)動機、加力沖壓燃燒室和二元噴管組成完整的氣動熱力通道。這種設(shè)計巧妙地解決了寬速域飛行條件下推進系統(tǒng)高效工作的難題。在低馬赫數(shù)階段（0-3.5馬赫），系統(tǒng)主要依靠渦輪發(fā)動機提供動力；當(dāng)飛行速度增加至約馬赫數(shù)0.9時，加力燃燒室開啟以增強推力；在達(dá)到馬赫數(shù)3.5時，系統(tǒng)進行模態(tài)轉(zhuǎn)換，渦輪發(fā)動機被封裝保護以防損壞，進口氣流通過環(huán)形沖壓涵道直接進入加力/沖壓燃燒室，系統(tǒng)進入純沖壓發(fā)動機工作模式。

推進系統(tǒng)的二元噴管與飛行器后機身進行了高度一體化設(shè)計，這種設(shè)計增大了在高速條件下的膨脹比，提高了推進效率。尤為創(chuàng)新的是，與發(fā)動機流道并行布置有一個單獨的旁路溢流通道，用于將前體邊界層區(qū)域的氣流引射至噴管，增強噴管/后體的膨脹效果。在最大飛行馬赫數(shù)點（6.8馬赫），為進一步減小發(fā)動機的尺寸和質(zhì)量，系統(tǒng)采用富油燃燒策略優(yōu)化燃燒效率。

3.2 推進系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)驗證

在確定基準(zhǔn)方案后，桑格爾計劃針對推進系統(tǒng)的關(guān)鍵部件開展了大量技術(shù)驗證工作。首先進行的是進氣道、沖壓燃燒室和噴管等核心部件的設(shè)計與試驗，隨后在地面試驗臺開展了部分推進系統(tǒng)部件集成試驗和縮尺發(fā)動機的集成試驗，原計劃最終通過飛行試驗平臺驗證整個推進系統(tǒng)性能。

沖壓燃燒室的設(shè)計與驗證是推進系統(tǒng)開發(fā)的重點和難點。研究人員先后開展了沖壓燃燒室數(shù)值模擬研究，進行了帶液氫冷卻的沖壓燃燒室結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度計算，并通過沖壓燃燒室縮尺試驗（內(nèi)徑330毫米）驗證數(shù)值計算模型。沖壓燃燒室試驗主要包括燃燒性能試驗和帶液氫主動冷卻燃燒室集成試驗兩大類別。

總計開展的80組燃燒室性能試驗獲得了重要發(fā)現(xiàn)：部分工況下在靠近化學(xué)當(dāng)量比附近存在燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象；因混合不充分，化學(xué)恰當(dāng)比下的燃燒效率反而比貧油混合條件下低。研究還表明，通過調(diào)節(jié)內(nèi)外噴桿的燃油流量可將燃燒效率提高3%。此外，團隊發(fā)現(xiàn)進口突然內(nèi)傾的結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致較大的壓力損失，而通過增加內(nèi)錐結(jié)構(gòu)不僅可以減小壓力損失，同時也降低了燃燒不穩(wěn)定性。

針對主動冷卻沖壓燃燒室開展的17組最大熱負(fù)荷狀態(tài)試驗驗證了設(shè)計的結(jié)構(gòu)完整性。然而，試驗也揭示了一個重要問題：當(dāng)采用燃燒加溫來流空氣模擬駐點溫度時，進氣燃?xì)庵邪魵夂投趸嫉犬a(chǎn)物，試驗過程中需要補氧。而且當(dāng)溫度接近駐點溫度（2050K）時，水蒸氣和二氧化碳將影響燃燒室和噴管中的燃燒反應(yīng)動力學(xué)，對試驗數(shù)據(jù)結(jié)果產(chǎn)生干擾。這一發(fā)現(xiàn)對高超聲速推進地面試驗的方法學(xué)提出了重要修正，強調(diào)了模擬真實飛行環(huán)境的重要性。

3.3 推進系統(tǒng)試驗與研究進展

桑格爾計劃在推進系統(tǒng)方面的研究采用了循序漸進的方法，從部件級研究開始，逐步過渡到子系統(tǒng)集成，最終計劃通過飛行試驗完成全面驗證。這種系統(tǒng)化的研發(fā)流程確保了各技術(shù)模塊的充分驗證，最大限度地降低了技術(shù)風(fēng)險。

在進氣道研究方面，團隊重點關(guān)注了寬速域工作范圍內(nèi)的流動控制與邊界層管理。通過精心的氣動設(shè)計，使進氣道能夠在從低速到馬赫數(shù)6.8的廣泛條件下提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的氣流供給燃燒室。特別是在模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，進氣道的動態(tài)響應(yīng)特性經(jīng)過了精心優(yōu)化，確保在渦輪模態(tài)與沖壓模態(tài)之間平穩(wěn)過渡。

噴管設(shè)計則與飛行器后體進行了高度一體化考量。利用飛行器后體表面作為噴管的延伸膨脹面，極大地提高了高速飛行條件下的推力性能。這種設(shè)計雖然增加了氣動與推進的耦合復(fù)雜度，但帶來的性能收益十分顯著，特別是在高馬赫數(shù)飛行階段。

渦輪沖壓發(fā)動機的模態(tài)轉(zhuǎn)換過程（馬赫數(shù)3.5）是推進系統(tǒng)研發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。在這一轉(zhuǎn)換點，推進系統(tǒng)需要從渦輪為主工作模式平穩(wěn)過渡到?jīng)_壓為主工作模式，涉及復(fù)雜的流道重構(gòu)、燃燒模式轉(zhuǎn)變和控制邏輯切換。桑格爾團隊通過大量的地面試驗和數(shù)值模擬，驗證了轉(zhuǎn)換過程的可行性和穩(wěn)定性，為組合循環(huán)動力系統(tǒng)的實際應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

盡管桑格爾計劃最終未能完成全系統(tǒng)飛行驗證，但其在渦輪沖壓組合循環(huán)動力方面的開創(chuàng)性工作，為后續(xù)高超聲速推進系統(tǒng)研發(fā)提供了寶貴的技術(shù)積累和經(jīng)驗參考。這些研究成果直接影響了許多后續(xù)項目，如日本的HYPR項目、歐洲的LAPCAT計劃和美國的基于渦輪機的組合循環(huán)推進計劃。

四、飛發(fā)一體化設(shè)計

4.1 前體/進氣道一體化

桑格爾II高超聲速飛行器的一個突出設(shè)計特點是飛發(fā)一體化，即飛行器機體與推進系統(tǒng)高度集成，互為依存，共同構(gòu)成一個優(yōu)化的整體系統(tǒng)。這種設(shè)計理念特別體現(xiàn)在前體與進氣道的集成上，飛行器的前體不僅提供氣動升力，還作為推進系統(tǒng)的預(yù)壓縮面。當(dāng)前體表面氣流向后移動時，其逐漸壓縮，從而提高進入進氣道的空氣壓力和溫度，優(yōu)化燃燒室的工作條件。

這種一體化設(shè)計帶來的主要優(yōu)勢是在高馬赫數(shù)飛行條件下顯著提高推進系統(tǒng)效率，但也帶來了復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其是在邊界層管理方面。在渦輪工作模態(tài)下，為了保證渦輪發(fā)動機獲得高質(zhì)量的氣流，需要吸除進氣道前部機身邊界層；而在沖壓模態(tài)下，這部分邊界層氣流則被允許進入進氣道。這種差異化的處理要求飛行器前體設(shè)計必須兼顧兩種工作模式的需求，通過精巧的氣動布局和流動控制技術(shù)實現(xiàn)最優(yōu)性能。

前體/進氣道一體化設(shè)計還涉及激波-邊界層相互作用的精細(xì)控制。隨著飛行馬赫數(shù)增加，前體產(chǎn)生的激波系會與進氣道入口附近的邊界層發(fā)生復(fù)雜相互作用，可能導(dǎo)致流動分離和非均勻氣流進入推進系統(tǒng)。桑格爾團隊通過大量的計算流體動力學(xué)分析和風(fēng)洞試驗，優(yōu)化了前體外形和激波系結(jié)構(gòu)，確保在整個飛行包線內(nèi)為推進系統(tǒng)提供穩(wěn)定、均勻的來流。

4.2 后體/噴管一體化

與前端相呼應(yīng)，桑格爾飛行器的后體與噴管也采用了一體化設(shè)計。二元噴管與飛行器后體結(jié)構(gòu)融合，利用后體表面作為噴管的自然延伸，形成高度有效的膨脹曲面。這種設(shè)計顯著增加了在高速條件下的有效膨脹比，使發(fā)動機排氣能夠更充分地膨脹，從而獲取更大推力，特別是在高馬赫數(shù)飛行階段。

后體/噴管一體化設(shè)計的一個關(guān)鍵創(chuàng)新是設(shè)置了獨立的旁路溢流通道，將前體邊界層區(qū)域的氣流引射至噴管。這種做法不僅減輕了前體邊界層對主推進系統(tǒng)的潛在干擾，還通過將這部分氣流引入噴管區(qū)域，增強了排氣的膨脹效果，進一步提升了推力性能。這種設(shè)計考慮體現(xiàn)了桑格爾團隊在系統(tǒng)集成方面的精深思考，將看似不利的因素轉(zhuǎn)化為性能優(yōu)勢。

飛發(fā)一體化設(shè)計還帶來了質(zhì)量分布和結(jié)構(gòu)效率方面的益處。通過將推進系統(tǒng)沿飛行器軸線合理布置，優(yōu)化了整體的質(zhì)量分布和氣動焦點位置，增強了飛行穩(wěn)定性。同時，一體化結(jié)構(gòu)避免了重復(fù)的承力構(gòu)件，減輕了整體重量，對于對質(zhì)量極度敏感的空天飛行器而言，這種減重帶來的性能收益十分顯著。

桑格爾計劃的飛發(fā)一體化理念對后續(xù)高超聲速飛行器設(shè)計產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，證明了將推進系統(tǒng)與空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱管理等多學(xué)科深度融合是實現(xiàn)高性能空天飛行器的關(guān)鍵技術(shù)路徑。這種系統(tǒng)級優(yōu)化的設(shè)計哲學(xué)已成為當(dāng)代高超聲速飛行器研發(fā)的基本準(zhǔn)則。

五、熱管理系統(tǒng)

5.1 熱管理與熱防護設(shè)計

高超聲速飛行面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一是極端的熱環(huán)境，桑格爾II飛行器在速度高達(dá)6.8馬赫時，其表面特別是前緣區(qū)域面臨極其嚴(yán)重的氣動加熱。為此，桑格爾計劃開發(fā)了先進的熱管理系統(tǒng)，綜合運用多種技術(shù)手段應(yīng)對高溫挑戰(zhàn)。該系統(tǒng)不僅保障飛行器結(jié)構(gòu)安全，還高效管理推進系統(tǒng)產(chǎn)生和承受的巨大熱負(fù)荷，確保各系統(tǒng)在適宜溫度范圍內(nèi)工作。

桑格爾的熱管理策略采用了主動冷卻與被動隔熱相結(jié)合的方法。在高溫區(qū)域如沖壓燃燒室和噴管，系統(tǒng)采用液氫進行主動冷卻。液氫作為燃料在進入燃燒室前，先流經(jīng)這些高溫部件帶走熱量，既保護了結(jié)構(gòu)材料，又預(yù)熱了燃料，提高了燃燒效率。這種再生冷卻方式源自尤金·桑格爾早期的火箭發(fā)動機研究，在桑格爾計劃中得到了進一步完善和系統(tǒng)化應(yīng)用。

對于大面積表面，熱防護系統(tǒng)采用了先進的隔熱材料和熱結(jié)構(gòu)設(shè)計。計劃中研究了陶瓷基復(fù)合材料等纖維增韌復(fù)合材料在熱防護系統(tǒng)中的應(yīng)用。這些材料能夠承受極高溫度并具有良好的抗熱沖擊性能，同時具備足夠的結(jié)構(gòu)強度承受氣動載荷。針對不同溫度區(qū)域，研究人員設(shè)計了梯度化的熱防護方案，平衡了防護效果與重量代價。

5.2 熱管理系統(tǒng)集成

桑格爾的熱管理系統(tǒng)體現(xiàn)了高度集成化和多功能化的設(shè)計理念。液氫不僅作為推進劑，還充當(dāng)了整個飛行器的主要冷卻介質(zhì)。在進入燃燒室之前，液氫流經(jīng)多個高溫部件和表面，吸收熱量并氣化，形成一種高效的能量利用鏈條。這種一體化熱管理策略顯著提高了系統(tǒng)的能量利用效率，但也增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和控制難度。

熱管理系統(tǒng)還包括專門針對推進系統(tǒng)部件的熱保護措施。渦輪發(fā)動機在沖壓模態(tài)下被封存起來，以防受到高溫來流的損害。這種封存不僅涉及氣流路徑的切換，還包括專門的熱屏蔽和冷卻措施，確保當(dāng)飛行器以6.8馬赫飛行時，渦輪部件仍能保持在安全溫度范圍內(nèi)。

桑格爾計劃在熱管理領(lǐng)域的研究為后續(xù)高超聲速項目積累了寶貴經(jīng)驗，特別是在主動冷卻系統(tǒng)設(shè)計、高溫材料應(yīng)用和整體熱管理策略方面。這些技術(shù)成果直接影響了后來多個高超聲速技術(shù)驗證項目，如美國的X-43和X-51，以及在研的多種高超聲速飛行器概念。熱管理技術(shù)的進步也促進了相關(guān)材料科學(xué)和熱力學(xué)分析方法的發(fā)服，推動了整個高超聲速技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。

六、二動力系統(tǒng)（SPS）

6.1 發(fā)電與能源管理系統(tǒng)

作為一項高度復(fù)雜的空天飛行系統(tǒng)，桑格爾II需要一套獨立于主推進系統(tǒng)的二動力系統(tǒng)，為飛行器各子系統(tǒng)提供可靠的電力、液壓和輔助動力支持。二動力系統(tǒng)被視為桑格爾飛行器的"公用事業(yè)系統(tǒng)"，負(fù)責(zé)在飛行的各個階段維持飛行器基本功能的正常運行，尤其是在高超聲速飛行極端環(huán)境下保證關(guān)鍵系統(tǒng)的持續(xù)工作。

二動力系統(tǒng)的設(shè)計考慮了桑格爾飛行器的獨特任務(wù)剖面和寬速域工作環(huán)境。與傳統(tǒng)航空器不同，桑格爾需要在從海平面低速飛行到臨近空間高超聲速飛行的廣泛條件下維持各系統(tǒng)功能。這要求二動力系統(tǒng)具備高度適應(yīng)性和多重備份能力，以應(yīng)對劇烈變化的環(huán)境條件和多種工作模式。

在能源產(chǎn)生方面，二動力系統(tǒng)可能整合了多種發(fā)電技術(shù)，包括與傳統(tǒng)航空器類似的渦輪驅(qū)動發(fā)電機，以及可能利用高溫排氣熱量的熱電轉(zhuǎn)換裝置?？紤]到液氫是桑格爾的主要燃料，系統(tǒng)還可能采用了燃料電池技術(shù)，將氫的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，提高能源轉(zhuǎn)換效率。這些多樣化的能源產(chǎn)生手段確保了飛行器在任務(wù)各階段都能獲得充足電力供應(yīng)。

6.2 子系統(tǒng)動力保障

二動力系統(tǒng)為桑格爾的多個關(guān)鍵子系統(tǒng)提供動力支持，包括飛行控制系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)的驅(qū)動部分、艙內(nèi)環(huán)境控制系統(tǒng)等。特別是在高超聲速飛行階段，當(dāng)傳統(tǒng)的氣動動力提取方式（如沖壓空氣渦輪）不再有效時，二動力系統(tǒng)的重要性尤為突出。

對于飛行控制系統(tǒng)，二動力系統(tǒng)提供液壓或電力驅(qū)動飛行控制面?？紤]到高超聲速飛行條件下極高的氣動載荷和熱載荷，飛行控制系統(tǒng)的動力需求遠(yuǎn)超傳統(tǒng)航空器。桑格爾團隊可能研發(fā)了專門的高溫液壓油和耐高溫執(zhí)行機構(gòu)，確?？刂泼嬖跇O端環(huán)境下仍能可靠工作。

熱管理系統(tǒng)的多個主動控制元件也依賴二動力系統(tǒng)提供動力，如冷卻劑泵、閥門作動器、通風(fēng)風(fēng)扇等。這些元件對于維持推進系統(tǒng)和機體結(jié)構(gòu)在安全溫度范圍內(nèi)至關(guān)重要，特別是在長時間高超聲速巡航過程中。

盡管公開文獻(xiàn)中對桑格爾二動力系統(tǒng)的詳細(xì)技術(shù)描述有限，但可以確定的是，該系統(tǒng)代表了當(dāng)時航空航天二次動力技術(shù)的最高水平，其設(shè)計理念和技術(shù)方案為后續(xù)空天飛行器的二次動力系統(tǒng)開發(fā)奠定了重要基礎(chǔ)。二動力系統(tǒng)的成功設(shè)計是確保桑格爾這樣一個復(fù)雜空天系統(tǒng)實現(xiàn)可靠運行的關(guān)鍵要素之一。

七、飛行演示驗證計劃

7.1 HYTEX試驗飛行器

為驗證桑格爾II關(guān)鍵技術(shù)的可行性和系統(tǒng)集成效果，計劃中包含了一個系統(tǒng)的飛行演示驗證計劃，其核心是開發(fā)一款名為HYTEX的實驗飛行器。HYTEX全稱為高超聲速技術(shù)實驗飛行器，旨在通過實際飛行測試，驗證桑格爾概念中的關(guān)鍵設(shè)計工具和方法，并建立寶貴的高超聲速自由飛行數(shù)據(jù)庫。

HYTEX被設(shè)想為一個縮小比例的高超聲速飛行驗證機，能夠模擬桑格爾第一級載機的關(guān)鍵飛行特性。根據(jù)計劃，HYTEX將搭載多種傳感器和測量設(shè)備，收集真實飛行環(huán)境下的氣動熱力學(xué)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性和推進系統(tǒng)性能參數(shù)。這些數(shù)據(jù)對于校準(zhǔn)地面試驗結(jié)果和數(shù)值模擬方法至關(guān)重要，能夠提高設(shè)計工具在真實高超聲速條件下的預(yù)測精度。

HYTEX試驗計劃涵蓋了桑格爾飛行器的多個關(guān)鍵飛行階段，包括水平起飛、加速爬升、高超聲速巡航和水平著陸。特別關(guān)注的是模式轉(zhuǎn)換過程（馬赫數(shù)3.5）和最高速度條件（接近馬赫數(shù)7）下的系統(tǒng)行為。通過這些試驗，研究人員希望能夠驗證飛發(fā)一體化設(shè)計、熱管理系統(tǒng)和材料結(jié)構(gòu)在真實飛行環(huán)境下的性能。

7.2 驗證計劃與后續(xù)發(fā)展

桑格爾的飛行驗證計劃采用了漸進式策略，從較為簡單的試驗開始，逐步增加復(fù)雜性，最終實現(xiàn)對全系統(tǒng)性能的全面評估。這種循序漸進的驗證方法有助于及早發(fā)現(xiàn)和解決技術(shù)問題，降低項目總體風(fēng)險。飛行試驗計劃還包括開發(fā)專用的地面支持設(shè)備和飛行控制基礎(chǔ)設(shè)施，以保障試驗飛行安全有效進行。

遺憾的是，由于預(yù)算限制和技術(shù)挑戰(zhàn)，加上冷戰(zhàn)結(jié)束后政治環(huán)境的變化，桑格爾II計劃在HYTEX飛行驗證階段之前就被終止。因此，許多已經(jīng)通過地面驗證的技術(shù)方案未能獲得最終飛行驗證，這對于高超聲速技術(shù)發(fā)展來說是一大遺憾。

盡管如此，桑格爾計劃中開發(fā)的多種試驗方法和驗證理念被后續(xù)高超聲速項目所繼承。例如，計劃中建立的高超聲速風(fēng)洞試驗方法、氣動熱力學(xué)分析工具和推進系統(tǒng)測試程序為后來的研究提供了重要參考。特別是對超燃沖壓發(fā)動機的地面試驗方法，桑格爾的研究成果具有開創(chuàng)性意義。

桑格爾計劃的驗證方法學(xué)強調(diào)多層級驗證，從部件級到子系統(tǒng)級，再到全系統(tǒng)級，每一階段都經(jīng)過充分的地面試驗才推進到下一階段。這種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ虒嵺`哲學(xué)影響了歐洲乃至全球后續(xù)的高超聲速項目，提高了整個領(lǐng)域的技術(shù)成熟度和工程可靠性。

八、技術(shù)遺產(chǎn)與啟示

8.1 桑格爾計劃的技術(shù)影響

雖然桑格爾II高超聲速計劃未能最終實現(xiàn)全尺寸飛行器的建造和試驗，但其留下的技術(shù)遺產(chǎn)對全球高超聲速技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。該計劃在吸氣式動力、材料和結(jié)構(gòu)、氣動熱力學(xué)、導(dǎo)航控制及子系統(tǒng)四個核心關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域都取得了重大突破，特別是在飛行器推進系統(tǒng)的研發(fā)方面獲得了大量先進技術(shù)。

在推進技術(shù)方面，桑格爾計劃對渦輪沖壓組合循環(huán)發(fā)動機的深入研究奠定了后續(xù)相關(guān)動力系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)。計劃中建立的發(fā)動機設(shè)計方法、試驗數(shù)據(jù)和操作策略直接被歐洲后續(xù)的高超聲速項目所引用，如德國的ASTRA計劃和其他研究性項目。桑格爾關(guān)于模式轉(zhuǎn)換、寬速域進氣道設(shè)計和高溫燃燒室的研究成果至今仍是高超聲速推進領(lǐng)域的重要參考文獻(xiàn)。

在材料與結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，桑格爾計劃推動了一系列先進高溫材料的發(fā)展，特別是陶瓷基復(fù)合材料和高溫合金在航空航天中的應(yīng)用。計劃中開發(fā)的熱防護系統(tǒng)設(shè)計準(zhǔn)則和評估方法為后續(xù)可重復(fù)使用航天器的熱防護設(shè)計提供了理論依據(jù)和工程經(jīng)驗。桑格爾團隊建立的結(jié)構(gòu)-熱-氣動多學(xué)科耦合分析方法也成為高超聲速飛行器設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)方法。

在氣動熱力學(xué)方面，桑格爾計劃大大提升了對高超聲速流動現(xiàn)象的理解和預(yù)測能力。計劃中開發(fā)的高精度計算流體動力學(xué)工具和獨特的高超聲速風(fēng)洞試驗技術(shù)，為研究人員提供了探索極端飛行環(huán)境的有力手段。這些工具和方法不僅應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，也在其他工程學(xué)科中發(fā)揮了重要作用。

8.2 對現(xiàn)代高超聲速研究的啟示

桑格爾計劃的經(jīng)驗教訓(xùn)為后續(xù)各國在組合動力和高超聲速飛行器工程研制提供了寶貴參考。其研發(fā)組織模式—“整合國內(nèi)多個工廠、研究所和高校以及國外眾多機構(gòu)共同參與大型高技術(shù)項目”—成為歐洲航空航天大型項目的典范。這種協(xié)同創(chuàng)新模式在之后的歐洲航天局項目中得到進一步完善和應(yīng)用。

從技術(shù)路線角度看，桑格爾計劃展示的漸進式發(fā)展策略—“通過系統(tǒng)概念研究牽引關(guān)鍵技術(shù)突破，再通過飛行驗證機降低全尺寸開發(fā)風(fēng)險”—為高超聲速技術(shù)發(fā)展提供了可行的路徑參考。這一策略被多個國家后續(xù)的高超聲速項目所采納，避免了過于激進的技術(shù)跳躍帶來的不可控風(fēng)險。

桑格爾計劃的終止也提醒我們高超聲速技術(shù)開發(fā)的長期性和高風(fēng)險性。即使有著扎實的技術(shù)基礎(chǔ)和周密的計劃安排，跨越從理論到工程的鴻溝仍然需要持續(xù)的政策支持、充足的資金投入和容忍失敗的文化氛圍。這些非技術(shù)因素往往對高技術(shù)項目的成敗起著決定性作用。

當(dāng)今，隨著高超聲速技術(shù)再次成為航空航天領(lǐng)域的熱點，桑格爾計劃的許多設(shè)計理念和技術(shù)方案正被重新審視和評估。其兩級入軌的思維在多個可重復(fù)使用空天運輸概念中重現(xiàn)；其渦輪沖壓組合循環(huán)動力的理念在各種組合動力設(shè)計中延續(xù)；其飛發(fā)一體化的設(shè)計哲學(xué)已成為高超聲速飛行器設(shè)計的基本準(zhǔn)則。桑格爾計劃雖未實現(xiàn)最終目標(biāo)，但其技術(shù)精神和工程經(jīng)驗已經(jīng)融入全球高超聲速技術(shù)發(fā)展的血脈，持續(xù)推動人類突破空天界限的探索步伐。

九、總結(jié)和展望

德國桑格爾（S?NGER II）高超聲速計劃作為20世紀(jì)末期最具雄心的空天飛行器研發(fā)計劃，雖然在最終實現(xiàn)前被終止，但其在推進系統(tǒng)、飛發(fā)一體化、熱管理和系統(tǒng)工程等方面取得的突破性進展，為高超聲速技術(shù)發(fā)展樹立了重要里程碑。該計劃首次對渦輪沖壓組合循環(huán)動力進行了深入論證和系統(tǒng)試驗，開創(chuàng)了許多至今仍在影響高超聲速技術(shù)發(fā)展的設(shè)計理念和方法學(xué)。

桑格爾計劃證明了兩級入軌空天運輸系統(tǒng)的技術(shù)可行性，展示了水平起降、完全可重復(fù)使用空間運輸系統(tǒng)的實現(xiàn)路徑。其高度一體化的設(shè)計哲學(xué)，特別是飛發(fā)一體化理念，已成為現(xiàn)代高超聲速飛行器設(shè)計的基本原則。計劃中開發(fā)的廣泛試驗方法和驗證程序，為高超聲速技術(shù)從理論走向工程實踐奠定了堅實基礎(chǔ)。

雖然桑格爾計劃因各種原因未能最終完成，但其積累的技術(shù)知識、研發(fā)經(jīng)驗和工程數(shù)據(jù)繼續(xù)在全球高超聲速技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮價值。當(dāng)今世界范圍內(nèi)的高超聲速技術(shù)復(fù)興，無論是軍用的高超聲速武器還是民用的高超聲速平臺，都在不同程度上受益于桑格爾計劃的開創(chuàng)性工作。這一歷史性項目的技術(shù)精神和工程遺產(chǎn)，將繼續(xù)激勵和指導(dǎo)未來空天飛行技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

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