全球打击之利器:高超音速武器

日前,美空军完成了对未来10年的“技术展望”文件,声称此前仅存在于好莱坞科幻电影中的许多技术,在不久的将来都会成为现实,其中就包括高超音速武器。高超音速武器航程远、速度快、性能超卓,被军事专家称为继螺旋桨、喷气推进之后航空史上的第三次革命性成果,将对未来的战争产生巨大的影响。

近日,印度计划研发最高速度达到6000公里/小时的高超音速巡航导弹,以提高其空中快速打击能力。该高超音速巡航导弹的设计射程约为300公里,具备较高的目标突防能力。印度海军希望到2016年为其隐身导弹驱逐舰装备高超音速巡航导弹。

此前,美国成功发射了一枚“人牛怪IV型”运载火箭,上面携带美国国防高级研究计划局研发的HTV-2(The Hypersonic Test Vehicle-2)高超音速无人机。HTV-2在升空后加速到20倍音速(约每小时2.4万公里),用了不到半小时的时间就飞到了离发射基地有7600公里之远的预定目的地。HTV-2是美国“全球快速打击系统”计划的重要组成部分,它的成功发射标志着高超音速武器研制进入了一个全新的发展阶段。高超音速武器迅速步入人们视野。

高超音速武器备受青睐

高超音速武器是指以超高音速飞行技术为基础、飞行速度超过5倍音速的武器。自20世纪50年代末开始探索超音速燃烧冲压发动机技术以来,美国、俄罗斯、德国和澳大利亚等国在20世纪90年代初陆续取得了技术上的重大突破,并相继进行了地面试验和飞行试验。试验表明高超音速技术已经从概念和原理探索和基础研究阶段,进入以某种高超音速飞行器为应用背景的先期技术开发阶段。

冷战期间,美国曾提出多个高超音速飞行器的发展计划,如超燃冲压发动机导弹和国家“空天飞机”计划等,都中途夭折,但在关键技术方面还是取得一系列重大突破,从而为实际飞行器的工程设计奠定了坚实的技术基础。1996年,美国对高超音速飞行器的发展进行调整,降低近期的发展目标,确立分阶段逐步发展的思路,选择以巡航导弹为突破口,而后转入其他飞行器与天地往返运输系统。目前,高超音速巡航导弹已进入工程研制阶段,美国正在实施多项研究计划,目标是研制速度6—8马赫、射程1200千米左右的高超音速巡航导弹。同时,以高超音速飞机等为应用背景的高超音速系列飞行试验研究也在进行中,如X-51A“驭波者”高超声速无人机。

俄罗斯在高超音速技术领域也处于世界领先地位。俄早已拥有“白蛉”“宝石”等多种冲压发动机推进的导弹,它们为高超音速研究奠定了坚实的基础。目前,俄罗斯高超音速技术已进入飞行验证阶段,正在研究更接近于实际的飞行器布局。此外,俄罗斯还正在研制“下一代发射技术”高超音速试验飞行器,该飞行器采用氢燃料超燃冲压发动机,飞行马赫数达6—14马赫,已进行了大量的地面试验和风洞试验。

四大关键技术亟待突破

高超音速飞行的飞行马赫数范围很宽,要跨越亚音速、跨音速、超音速3个阶段,才能进入高超音速阶段。当飞行器从稠密大气层冲向稀薄大气层时,空气密度的巨大变化给飞行器的设计带来很大困难。因此,超音速技术必须突破四大关键技术问题。

高超音速推进技术。目前,各国发展高超音速技术主要选用超燃冲压发动机作为推进系统。高超音速空气在燃烧室中的滞留时间通常只有1.5毫秒,要在这样短的时间内将其压缩、增压,并与燃料在超音速流动状态下迅速、均匀、稳定、高效率地混合和燃烧是十分困难的。因此,需要对发动机尺寸、形状以及燃料种类、喷注器设计、燃烧机理进行综合性理论和试验研究。超燃冲压发动机的另一个技术困难是飞行器必须达到一定的速度才能启动,这要有助推器提供初速才行。对于高超音速飞机、跨大气层飞行器和空天飞机而言,如何实现固体助推火箭与超燃冲压发动机的最佳组合也是一个很大的难题。

一体化设计技术。一体化设计技术主要是指通过飞行器与推进器两者相互作用而获得尽可能高的飞行器气动和推进性能、稳定性和控制特性的设计技术。飞行器机体和推进系统的一体化设计是关系到整个飞行器性能的关键。高超音速飞行器的工作马赫数范围越宽,这个问题越突出。推进系统在高超音速飞行器中的合理布局可以明显减小飞行器的阻力,使飞行器获得较高的升阻比。

高超音速空气动力学。当飞行器以高超音速飞行时,气动加热非常严重。当马赫数达到8时,飞行器的头部的温度将接近1800℃,其它部位的温度也将在600℃以上,能使附近的气体分解和电离,形成相当复杂的混合气体。这使高超音速气流的研究成为非常复杂的问题,必须综合利用计算液体力学、风洞试验和飞行试验等手段解决真实飞行环境下的气动力及热特性问题。目前,各国正深入研究与高超音速空气动力学相关的基础理论、建模计算验证手段。

结构材料技术。高超音速飞行器通常要求尽可能地减轻结构重量,并克服气动加热问题。因此,长寿命、耐高温、抗腐蚀、高强度、低密度的结构材料对于研制高超音速飞行器是非常关键的。即使制造高超音速飞行器的飞行试验样机,也必须在材料与结构技术方面取得突破。如美国的X-37B高超音速飞行器,头部采用钨,机翼前缘与垂直面使用碳/碳复合材料,飞行器的外表面还覆盖耐热瓷瓦。

让现有武器“一飞冲天”

利用高超音速技术对现有的导弹、炮弹、作战飞机等武器进行高速化改造后,这些武器恰似插上了一飞冲天的翅膀,其作战效能将极大增强。目前,高超音速武器大多处于试制的不同阶段,完全走出实验室,踏上未来战场,还需假以时日,但其中一些高超音速武器已渐现雏形,并展现出了诱人的作战性能。

高超音速巡航导弹。高超音速巡航导弹是用吸气式发动机提供动力,应用高超音速技术的巡航导弹。相比于弹道导弹,它具有发射平台多样、弹道富于变化的特点;其飞行速度可达8—10马赫,能遂行攻击、侦察、监视和情报任务,与普通的巡航导弹相比,高超音速巡航导弹动能大,所需战斗部相对较小;因其速度快,空防能力也就显著提高,敌方战场预警和拦截的时间大大缩短,打击成功率将得到大大提高。美国新的高超音速计划就是把巡航导弹作为突破口,并从“战斧”着手,预定在2015年前研制出6—8马赫的高超音速巡航导弹。此外,高超音速反弹道导弹和集反导、反飞机与反装甲诸功能于一身的高超音速多用途巡航导弹也正在加紧研制中。

空天飞机。这是一种集航空、航天技术于一身,兼有航空和航天两种功能,既能民用运输,又能执行军事任务的载人航天器。它装有高超音速发动机能像普通飞机一样起飞,以5倍以上音速在大气层内飞行,在30—100公里高空的飞行速度高达12—25马赫,并直接加速进入地球轨道成为航天飞行器。它可以在某一个普通机场以水平方式自主的起飞,完成作战任务后自主返回,返回途中可根据需要降落在指定的机场。它的灵活与快速是当前航天飞机与宇宙飞船所不能达到的。这对于快速进入太空完成卫星投送或维修等任务来说是再适合不过了。

空间打击武器。在空间飞行器上配置相应的武器系统,就可以作为空间打击武器对目标实施打击,它不仅可执行反卫星任务,也可用于拦截弹道导弹或定向能武器击毁敌方的任务目标,这样便可以在远离己方区域的空间摧毁敌方目标。据报道,目前一些国家正在研制的天基对地打击武器,就是从太空投掷的钨、钛或铀金属制成的高超音速武器。武器上安装了小型助推火箭。从距地300公里的高度发射时,打击速度可达23马赫,打击威力几乎相当于一枚小型核武器。这种新型天基武器反应速度快、命中精度高,令敌人防不胜防。从太空发射后,能毫不费力地摧毁大型建筑群和几百米深的地下掩体。

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