美国HTV高超音速飞行器:20倍音速的坎坷探索路

随便的名 收藏 2 1619
近期热点 换一换


美国HTV高超音速飞行器:20倍音速的坎坷探索路


8月11日,美国HTV高超音速飞行器试飞再次失败。此前的2010年4月22日,HTV开始了第一次试飞,在开始时速度甚至达到了22倍音速,但没多久就失去了联系,试飞宣布失败。那么美国HTV高超音速飞行器是怎么回事?美国发展这种飞行器又有何目的?网易军事将予以独家解读。



美国HTV高超音速飞行器:20倍音速的坎坷探索路


美国HTV高超音速飞行器:20倍音速的坎坷探索路


在最近一次的飞行试验中,美国HTV-2B高超音速飞行器试飞再度失败。这种由运载火箭带入高高空,然后再入大气层进行无动力高速飞行的设计仍然具有很高的技术难度。


HTV-2高超音速飞行器两次试飞失败


2011年8月11日美国国防部先进研究计划局(DARPA)的HTV-2B高超音速技术载具使用使用轨道科学公司的米诺陶4型固体运载火箭自范登堡空军基地发射升空,这是HTV-2项目的第二次试飞,失败的第一次试飞任务HTV-2A也是使用米诺陶4火箭发射的。所谓祸不单行,HTV-2B虽然发射正常也成功再入大气层,但再次发射约9分钟后失去联系。连遭失败给整个项目蒙上了一层阴影,尤其是国防部先进研究计划局并没有订购第三架HTV-2飞行器,因此有些分析认为这可能导致项目的终结。


HTV-2飞行器由洛克希德马丁公司的臭鼬工厂研制,属于国防部先进研究计划局推进的猎鹰高超音速技术演示和验证计划的一部分,着眼于进行在高高空验证高超音速飞行的相关技术,如高超音速下的空气动力学、长时间高超音速下的防热处理、高超音速飞行下的制导、导航与控制技术。


美军高超音速飞行器的原理和目标


猎鹰计划最早提出是在2002年,合并了美国空军和国防部先进研究计划局的高超音速项目后正式立项,猎鹰计划全称是”兵力运用与从本土发射”(FALCON),从名称上清晰的表达了计划的目标。猎鹰计划近期目标是研制一次性小型运载火箭(SLV)和一次性的通用航空飞行器(CAV),使用SLV把CAV发射到亚轨道后,CAV沿弹道飞行并很快再入大气层,通过高升阻比的气动外形进行长时间的大距离滑翔,同时具备大范围机动的能力规避各种可能的拦截火力,CAV到达目标附近时释放携带的制导弹药对目标进行精确打击。


猎鹰计划的远期目标是研制用于全球快速打击的可复用高超音速巡航飞行器(HCV),携带CAV进行打击。当时的技术明显无法支持HCV这样的宏伟目标,猎鹰计划将分阶段验证远期目标的相关技术,同时分阶段实现的中近期技术本身也具备转化为实际装备的潜力。在猎鹰计划中近期目标和远期目标的技术需求有很多共同之处,如都需要攻克高超音速下的高升阻比外形和气动控制,解决长时间高超音速下的防热材料和热能管理难题,进行高超音速下的制导和全自主飞行控制,完成高速下的载荷弹药分离释放技术。


双方的不同之处在于近期目标的SLV技术难度相对较低,主要问题在于降低成本,而远期目标则需要解决高超音速推进技术和可复用使用的防热材料等关键技术,所有技术在猎鹰计划启动时还都是空中楼阁。


美国HTV高超音速飞行器:20倍音速的坎坷探索路


美国HTV高超音速飞行器:20倍音速的坎坷探索路


美国这种高超音速飞行器的飞行模式避开了大气层外中段拦截,也大大降低了陆基预警雷达的探测距离,还为进一步突防反导系统提高了机动能力。


高超音速飞行器突防反导系统的优势


猎鹰计划和更早进行的反导系统建设,可以说是美国在攻防手段上的进一步努力,表现的是美国在小布什上台后单边主义横行,希望凭借雄厚的国力通过技术优势彻底压倒对手,结束冷战开始以来建立在核平衡上的国际战略平衡的尝试。矛尖还是盾厚,中国有自相矛盾的成语,不过这对美国倒不是什么问题。猎鹰这把进攻之矛在技术先进性上要比同时代的反导系统高一个档次,可以说是为了突破反导系统而设计的。


现有的多层反导系统基本都是用碰撞杀伤技术(HTK)进行拦截,由于动能弹头的机动能力很有限,拦截需要尽早探测到弹道导弹威胁、跟踪预测弹道再精确计算拦截弹的发射窗口。弹道导弹的突防则在弹道上大做文章,如全程大气层内弹道规避大气层外中段反导,不过这只能使用在中短程弹道导弹上。中远程弹道导弹则选择变轨和再入后机动增加反导系统弹道预测的难度,从而增强了突防效果。猎鹰计划近期目标的助推-滑翔方案则是这两种手段的集大成者,CAV分离后很快再入并在高高空大气中以高超音速机动滑翔,既避开了大气层外中段拦截,也大大降低了陆基预警雷达的探测距离,还以远强于传统再入机动弹头的机动能力进一步增强了突防能力。


美国HTV高超音速飞行器:20倍音速的坎坷探索路


美国HTV高超音速飞行器:20倍音速的坎坷探索路


进行风洞试验的HTV-2高超音速飞行器模型,照片摄于2005年。高超音速飞行器以高机动性机动弹头为技术基础,采用了高升阻比的乘波体设计。


高超音速飞行器技术难度很高


猎鹰计划中CAV要实现5500千米的滑翔距离和2200千米的横向机动能力,增强的ECAV甚至要求达到16700千米的滑翔距离和5500千米的横向机动能力。在30~60千米高度的高高空进行这样的高超音速远程滑翔,现有和研制中的反导系统对此可以说是鞭长莫及,即使是曾经寄予厚望的机载激光器,由于CAV在高高空超高速滑翔面临的高温高压苛刻环境,本身就对依靠加热破坏结构的激光武器也要能够具有强得多的硬抗能力,可以说携带武器的CAV将严重抵消反导系统的战略效果,在突防能力上具有颠覆性的效果。但技术难度也可想而知,即使是技术雄厚如美国,也无法一步登天。


以高机动性机动弹头为技术基础


CAV以美国在高机动性机动弹头上的技术储备为基础,洛克希德马丁公司的CAV/HTV就来自于早年的高机动性再入载具(HPMARV)方案,当然HPMARV虽然比更早的MARV设计如潘兴II的再入机动弹头的升阻比更高,具有更远的滑翔距离和机动能力,但距离猎鹰计划的目标仍有太大的距离。洛克希德马丁公司进一步优化设计,选用了高升阻比的乘波体设计满足苛刻的高升阻比要求。


国会对高超音速飞行器计划的影响


或许是因为反导系统已经激起了其他核大国极大的反对,2004年美国国会审议时参议院极力要求取消CAV的预算,不过平民化的众议院则对CAV情有独钟,要求加大拨款大力发展。最终两院达成妥协,通过了预算拨款但取消了猎鹰计划中的武器部分,规定不能用于武器化的CAV开发,也禁止使用陆基或是潜射弹道导弹发射CAV。经此一变,原来的“兵力运用与从本土发射”计划十分的名不符实,于是新的计划直接叫Falcon,虽然翻译过来还是猎鹰但已经不是缩写,同时CAV改名为高超音速技术载具(HTV)。


由于国会的限制,原定使用民兵II洲际导弹发射CAV的试验也不得不改成使用轨道科学公司的米诺陶4火箭发射HTV飞行器。米诺陶4火箭使用退役的和平卫士洲际导弹改装而来,实际投掷能力远远超出HTV所需,后来HTV-2A或许还有HTV-2B试飞的失败,很可能都与此有关。


美国HTV高超音速飞行器:20倍音速的坎坷探索路


美国HTV高超音速飞行器:20倍音速的坎坷探索路


美国对高超音速飞行器的飞行计划,但经过调整后目前整个HTV系列只剩下HTV-2在继续推进。


跳过HTV-1直接进行HTV-2飞行实验


去掉武器化的内容后,猎鹰项目继续推进相关研究。在HTV第一阶段竞争中洛克希德马丁公司击败波音、轨道科学公司、安德鲁斯宇航公司等对手,独霸了HTV系列的后继研制工作。洛克希德马丁公司原计划第二阶段先后实验一次性无动力滑翔的20马赫极速的HTV-1和HTV-2,再实验可复用超燃冲压发动机的HTV-3,从而为最终的HCV研制铺平道路。计划不如变化快,2006年5月由于HTV-1子承包商C-CAT在高曲率曲面前缘放热材料的结构上出现了短期内无法解决的问题,国防部先进研究计划局和洛克希德马丁公司决定放弃两架HTV-1的制造与试飞,直接制造两架HTV-2飞行器进行HTV-2的实验。


2007年5月国防部先进研究计划局又决定跳过HTV-3直接研制HTV-3X黑燕,黑燕尽管速度只有6马赫,但发动机技术更为成熟,但2008年10月在军费缩减的大形势下由于预算不足被迫取消,于是整个HTV系列只剩下HTV-2继续前进。


HTV-2的控制和制造材料存在较大难度


HTV-2飞行器使用优化设计的乘波体外形提高升阻比,据称在高超音速下的升阻比高达3-4,这个速度下传统飞船如联盟神舟只有0.2~0.3,阿波罗飞船为0.368,为了提高升阻比特意使用三角翼的航天飞机也只有1,HTV-2飞行器在高超音速下的高升阻比是它实现远距离滑翔的最根本基础。


在防热上HTV-2外部使用了低烧蚀性的碳-碳复合材料,配合一系列隔热措施确保内部的常温环境。由于高速飞行时间长而且飞行高度低,同时还要满足防热、气动和控制的一体化设计,HTV-2的防热和结构设计制造难度远远高于航天飞机更不要说普通宇宙飞船。


HTV-2的控制也是一个巨大的难题。虽然HTV-2的速度在再入后随着滑翔不断降低,如失败的第一次任务中再入后139秒HTV-2A速度从22马赫降低到17马赫减速很快,但纵观全程HTV-2的平均速度还是很高的。HTV-2A最初计划1363秒内进行全程5889千米距离的飞行,平均速度4.32千米/秒,末端速度也在4马赫左右。高超音速下要求更快的反应控制,更困难的是人类对高超音速下的空气动力学知之甚少,地面风洞无法有效模拟20马赫高超音速的环境,HTV-2的气动控制极具挑战性。


美国HTV高超音速飞行器:20倍音速的坎坷探索路


HTV-2A和HTV-2B飞行器的两次飞行轨迹图,其中黄线为HTV-2A的,红线为HTV-2B的。目前分析两次试飞可能都遇到了同样问题,但真正原因还没有查清。


第一次试飞失败后的收获和原因分析


屡经推迟后2010年4月22日HTV-2A开始试飞,这是HTV-2项目的第一次试飞,HTV-2A成功和助推的米诺陶4火箭分离,再入后139秒失去联系,此时距离HTV-2A从范登堡空军基地发射仅有约9分钟,而任务全程时间约30分钟,大部分验证项目都没有进行,不过国防部先进研究计划局认为分离再入后的139秒飞行测试数据已经具有极大的价值,同时HTV-2A验证了大量陆基、海基、空基和天基测控站的数据收集网络,在5.8千米每秒高速下持续接受GPS信号,确认了与HTV-2A双向通信的可行性,同时证实了控制系统的效果,尤其是氮气控制系统的有效增强了研究人员的信心。

虽然取得了很多成果,但HTV-2A毕竟是失败了,事后国防部先进研究计划局管理人员接受采访时谈到等离子体对双向通信的影响不大,虽然没有直接证实飞行器失控坠毁是失去联系的原因,但黑障等选项肯定要排除了。他还提到米诺陶4火箭提供的速度太大,即使第三级火箭进行能量机动降低速度,HTV-2A的速度仍然太快。为此再入插入到了低于正常滑翔开始高度的高度,然后拉起开始滑翔。对照时间表,HTV-2A出事就是在这一阶段。2010年末国防部先进研究计划局公布了独立的工程审查委员会对HTV-2A的调查结果,指出首飞失控最可能的原因是偏航超出预期同时伴随翻滚,这些异常超出了姿态控制系统的调节能力,触发飞行器坠毁。


第二次试飞失败后项目前景堪忧


国防部先进研究计划局战术技术办公室主任大卫 尼兰认为委员会的结论证明HTV-2的设计没有重大缺陷,因此无需对硬件或是对软件进行大规模改进,洛克希德马丁公司的工程师们决定对HTV-2项目第二次试飞所用的HTV-2B飞行器进行调整重心,减小飞行攻角,使用氮气喷射反作用力控制系统增强飞行器的摆动能力等改进。2011年8月11日HTV-2B进行了试飞,国防部先进研究计划局的官方Twitter账号对HTV-2B飞行进行了直播。虽然发射、分离和再入成功,但第二次试飞同样是在发射后9分钟这个相同的时间段失去联系,官方Twittter账号沉默许久,然后写到HTV-2具有自动飞行中止能力,含蓄的宣布任务失败。


官方的失败报告还有待时日,但从时间上判断,HTV-2B恐怕也是栽在同样的问题上,甚至可能HTV-2A失败的真正原因并没有查清,HTV-2B的改进于事无补从而再次失败,由于没有制造更多的实验飞行器,HTV-2的前途堪忧,但国防部先进研究计划局的相关人员表示:We’ll learn. We’ll try again,考虑到HyFLY项目就曾争取到第三次试验的预算,未来制造一架HTV-2命名为HTV-2C继续进行实验也是很有可能的,毕竟HTV-2验证的是美国快速全球打击的关键核心技术,美军对此寄予厚望。


发展高超音速飞行武器可避免核误判


虽然美国国会禁止了猎鹰计划的武器化的研究,但整个项目实际上还是为未来的武器化服务的。2004年拨款委员会认为如果可以通过国际交流和协商消除误判,就可以增加拨款扩展研究范围。这种决定很清晰的表明了美国的真实目的。近些年来美国不断提出各种全球快速打击方案,如美国海军的常规三叉戟方案和潜射全球打击导弹方案,美国空军的常规打击导弹方案等。传统弹道导弹改装的常规导弹方案实际上更容易诱发核误判。


在美国全面推进全球快速打击计划的决心无法通过军控等外交努力消除的前提下,猎鹰计划的助推-滑翔方案尽管技术难度更大并且突防能力更强,但高高空滑翔的设计最不容易引发核误判,如果相关技术突破的话,中俄两害相衡择其轻,认同猎鹰计划的CAV/HTV不会引发误判只是时间问题。HTV-2试飞前美国空军原计划2012年接收HTV-2进行下一步研究,尽管还没有进行武器化的相关试验,但未来HTV-2试飞成功的话美国空军的助推-滑翔高超音速打击武器也就不远了。


美国HTV高超音速飞行器:20倍音速的坎坷探索路


高超音速飞行目前看来仍是人类的一个极大难题,但美国的努力让我们看到美国在基础科学和尖端科学领域的不懈研究,这也是至今能够解释美国在尖端科技领域能够持续领先全球的重要原因之一。


得益于美国全球领先的预研体制,虽然美国人的高超音速飞行试验已经失败了两次,但所获得的经验和相关技术积累同样也会为后续研究提供帮助。即便这个项目后面终止,它也会成为后面美国预研方面的技术成果,根本就不会沦为一个纯粹的纸面烧钱工具。

1
回复主贴
聚焦 国际 历史 社会 军事 精选
2条评论
点击加载更多

发表评论

更多精彩内容

热门话题

更多

经典聚焦

更多
发帖 向上 向下