美俄中领跑 高超音速打击武器系统将统治21世纪


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美俄中领跑 高超音速打击武器系统将统治21世纪



美俄中领跑 高超音速打击武器系统将统治21世纪



21世纪将被高超音速打击武器统治

大公网评论员 红岸

[引言]:根据俄罗斯新闻网到的报道,俄罗斯"战术导弹武器"集团公司总经理鲍里斯·奥布诺索夫在莫斯科国际航展上表示,俄罗斯目前已经研制出高超声速导弹,并进行了仅为数秒的飞行。奥布诺索夫认为高超音速技术可以用于未来的导弹平台上,从4.5马赫开始,逐渐把速度提升至6马赫、10马赫和14马赫。报道还透露了俄罗斯的高超音速计划中也有中国的影子,除了研制高超音速导弹外,该技术还将用于研制高超音速载机平台,随着美国在高超音速技术领域的继续领跑,中、俄、法、印等国家都希望能获得能在一个小时内打击世界上任何一个目标的武器平台,21世纪必然是超高音速技术发展的时代,谁第一个掌握高超声速技术,谁就能控制世界。

超音速飞行指物体速度大于340米每秒的状态,传统的化学能火箭都能轻松突破这一速度"屏障",随着技术的进步,速度上限不断被刷新,高超音速逐渐进入视野,在美国空军高超音速计划的评估报告中提到:一般认为高超音速指大于5倍音速。事实上,高超音速飞行的覆盖范围很广,火箭、卫星/探测器都以数倍至数十倍的速度运行,其涉及领域主要为上升、再入和巡航,再入过程中高超音速飞行应该说是"家喻户晓"(比如ICBMs弹头等);上升过程中的高超音速飞行主要与单/两级入轨平台有关;巡航过程中的高超音速飞行是需要重点突破的技术,也是世界各国追寻的高超音速打击武器,能以5至12倍音速的速度攻击一千多公里外的目标。

超音速飞行器可分为火箭式和吸气式,前者从字面上不难看出使用了火箭发动机可在短时间内达到第一宇宙速度并进入轨道,但吸气式的高超音速飞行器则不同,其飞行高度并不超过100公里,一般介于30至50公里的高度上飞行,通过利用大气中的氧气,比冲大、结构简单,该技术可用于多种平台,比如高超音速导弹、两级入轨的高超音速飞行器等。俄(中)高超音速计划更多的是涉及吸气式高超音速平台。

吸气式发动机分为活塞式、燃气涡轮和冲压喷气,目前还有一些诸如脉冲爆震发动机、冲压转子发动机、高超音速发动机等新的动力模式,而高超音速发动机还是未来空天飞机研制计划中需要突破的关键技术,其中包括超燃冲压与脉冲爆震发动机。超燃冲压发动机结构简单、重量轻、30公里至50公里高度的高超音速飞行可使用超燃冲压发动机,推比可达20以上,不论是涡轮喷气还是火箭动力都难以维持高马赫数的大气层内飞行。当然,配备超燃冲压发动机的高超音速飞行器需要突破多项技术瓶颈,比如发动机与机体一体化设计、超音速燃烧技术、毫秒级的燃料喷射点火技术、耐高温的碳碳复合材料等。

其实高超音速飞行并不遥远,许多导弹的速度都可以达到或者突破5至6马赫,爱国者、C300都可以达到这个水平,21世纪的天空必然是高超音速的时代,1990年代至2000年,各种与高超音速有关的技术开始发展,其中美国国防部高级研究计划局参与的高超音速项目比较突出,比如海军的高超声速飞行导弹计划(HyFly),验证液态碳氢燃料的超燃冲压发动机,导弹的飞行速度可达到6马赫以上,射程超过1000公里。美国空军的高超声速技术计划也旨在研制马赫数达到5以上的打击武器,依然选用超燃冲压发动机作为动力,并通过X-51A平台进行验证。

上个世纪九十年代之后,X系列飞行器发展非常迅速,比如波音研制的X-37和X-40,洛克希德马丁公司研制的X-33单级入轨可重复使用飞行器等,这些飞行器的阶段性研究成果使得美国空军提出以10-12马赫的亚轨道飞行器代替25马赫的轨道打击平台,作为下一代远程打击飞行器。2002年,美国空军与DARPA联合发展"猎鹰"计划(即后来的HTV),试图打造具备全球打击能力的高超音速平台。"猎鹰"计划的初始任务为评估小型运载火箭以及发射成本,强调发射的快速、有效性,接到指令后可以在24个小时内完成发射准备,主要载荷为通用飞行器,可携带多枚小直径无制导打击武器等,飞抵目标上空的特定区域内可释放载荷,全程飞行突出了大范围的滑翔弹道飞行。作为"猎鹰"计划极具亮点的项目,高超音速打击飞行器是一种无人作战平台,具备亚轨道作战能力,可以像普通飞机那样起飞,在30至60公里的高度上进行高超音速飞行,速度可达到6马赫以上,巡航速度为12马赫左右,进入目标周围后释放空对地打击武器,完成任务后可选择在一定高度继续停留,也可以返回基地。

高超音速验证平台中曝光率最高的要数X-51A,项目目的在于验证马赫数5左右时以碳氢燃料为主的超燃冲压发动机是否具有可操作性,其性能能否满足高超音速的飞行要求,使用经典的乘波体布局与超燃冲压发动机搭配是高超音速领域的一种“暴力组合”。高超音速飞行器的气动有着严格的要求,在高超音速飞行状态下,飞行器受到的热应力作用是非常明显的,尤其是超过5马赫、6马赫时,气动加热及其导致的附加效应会对飞行器的结构产生冲击,使得飞行器需要经受住强度更大的冲击力和振动环境,一体化设计变得至关重要,甚至还要满足大气层内的远程(跳跃)高速飞行的要求。

由于超高音速打击飞行器速度快,可达到6倍音速以上,在气动设计上可采用升力体、翼身组合体、轴对称锥形体以及乘波体外形,这几种气动外形各有千秋,适用范围既有普遍性,也有特殊性,比如翼身融合体应用范围较广,从大气层内的战斗机、轰炸机到亚轨道飞行器,再到航天飞机都可以使用,轴对称锥形体则更多用于各种型号的超音速打击平台,升力体构型的应用前景很广,在没有机翼的前提下可以仍然可以依靠机体升力进行飞行,完美的翼身融合可消除机体产生的阻力干扰,在低速条件下可获得比较高的升阻比。

乘波体在高马赫数状态下依然拥有良好的机动性,大升阻比使得此类气动外形可用于制造中国未来的高超音速打击武器,尤其是当马赫数大于5时,其气动性能较为优异,上表面没有复杂的流场,激波被限制在前缘,不会形成更大的压差阻力,上下表面的极简设计可让此类飞行器获得大的升力,是高超音速领域公认的高飞行品质外形,典型代表为美国的X-51A。X-51A超高音速飞行器以JP-7碳氢超燃冲压发动机为动力,设计飞行速度可达到6.5马赫,飞行高度大于2万米,射程超过750公里。此类气动可用于设计单级入轨、双级入轨的飞行器,甚至洲际高超音速客机,在翼身一体化设计上可塑性也非常优异,以乘波体打造我国未来的超高音速打击飞行器具有良好的动力学基础,该技术可衍生出多个型号的超高速飞行器原型。

乘波体打击平台配合超燃冲压发动机可发挥出较大的优势,可应用于马赫数大于6的高超音速巡航导弹、大气层内飞行器以及空天飞行器等平台,在过去的50年内,美俄英法日等国都十分重视该发动机的研制,其涉及计算流体力学、燃烧学、材料学等学科。我国的高超音速计划始于上个世纪八十年代末期,也是以超燃冲压发动机技术为研制重点,到了九十年代,我国在氢燃料超燃技术上有了突破,到了21世纪初,机体一体化设计、总体结构设计以及控制指导方面都有了不同程度的进步。

根据国外的经验,研制超高音速打击平台主要以超燃冲压技术为突破,通过验证飞行器逐步掌握高超音速飞行技术,比较典型的有X-43D冷却氢燃料双模态超燃冲压技术、HAV多平台打击计划等等。我国的超高音速打击飞行器至少要求1000公里以上的攻击射程,因此超燃冲压动力是最佳的选择,该型动力主要分为双模态冲压与双燃烧室冲压,前者在进气道可调情况下可达到12马赫,而双燃烧室冲压动力的特点是固推结构较小,美国的双燃烧室冲压动力使用JP10燃料,在3至6马赫时可有效燃烧,以4马赫的速度可攻击至少1300公里远的目标,以6马赫速度可攻击700公里之外的目标。

超燃冲压发动机总体布局上由进气道、燃烧工作室以及尾喷管组成,当气流进入进气道时,被压缩的气流以一定的速度进入燃烧室,完成燃料混合后燃烧,形成的高温高压燃气从尾喷管喷出,其特点是燃烧将在超音速气流与进行,在大气层中大于6马赫的高超音速飞行中,超燃冲压发动机比吸气式喷气发动机、涡轮风扇(喷气)以及冲压发动机更具潜力,经济性比涡轮喷气和火箭动力要经济一些。可以预见,我国未来的超高音速打击飞行器首选气动为乘波体布局,弹体总质量控制在3吨以下,吸气式超燃冲压发动机、指导系统与弹体一体化设计,弹体构型倾向于扁平横截面非圆形弹体,布置的弹翼可采用常规设计。

另外,弹道设计对高超音速打击而言也是非常重要的,总体上看,飞行轨迹可分为助推、爬升、巡航以及垂直打击。载机可在1万米高度左右投放,助推器工作结束分离后抵达3.5万米高度,高弹道的攻击模式可使飞行器以8马赫速度巡航,抵达目标上空时进行俯冲打击,弹道接近垂直状态。通过进一步优化的乘波体气动和弹道可提高飞行器的机动和突防能力,实现对目标发现即摧毁。


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