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高超声速飞机2小时打遍全球

发布时间:2020-07-13 19:07:15 阅读: 来源:充磁机厂家

最近,美国空军的X-51A“乘波者”试验飞行器完成了4次试飞计划中的最后一次,实现了以吸气式超燃冲压发动机为动力的5马赫持续高超声速飞行的目标。这标志着美国在高超声速飞行器研发领域又向前迈了一步。

但人们更为关心的是未来——美国的军用高超声速飞机能否在2小时内飞抵全球任何地区,执行实时侦察、远程快速部署和精确打击任务。

方案:从飞机到导弹

高超声速技术是以吸气式发动机或组合发动机为动力、在大气层内实现速度大于5马赫的持续飞行的技术。由于其所带来的军事价值与经济价值巨大,美国、俄罗斯等国家一直在矢志不移地研究,并制定了许多高超声速技术发展计划。

特别是美国,从1985年起,一些研究机构便根据国防部预研局(DARPA)的提议,开始实施“国家空天飞机计划”(NASP)。该计划的目的是开发一种可完全重复使用、单级、以超燃冲压发动机推进、水平起降的空天飞机。其最重要的工作内容是开发一种可提供高超声速飞行状态的超燃冲压发动机E22A,并研制X-30验证机。

然而,由于该计划提出的目标过于庞大,耗资过于巨大,技术过于复杂,使其一开始就留下了阴影。1995年,耗资数百亿美元、历时10年之久的NASP计划宣告停止。

后来,美国在总结NASP计划正反两方面经验的基础上,对于发展和应用高超声速技术采取了更为稳妥、循序渐进的策略,并制定了近期、中期和远期目标:近期目标是发展高超声速巡航导弹;中期目标是发展高超声速飞机;远期目标是发展跨大气层飞行器和空天飞机。

1996年,国防部高级研究计划局(DAPPA)制定了“快速反应导弹演示”(ARRMD)计划,目的是研制一种采用碳氢燃料的超燃冲压发动机、速度6~8马赫、最大射程800~1200公里的高超声速导弹武器。在此计划牵引下,空军与海军分别制定了HyTech和HWT计划。

1998年8月,DAPPA选择波音公司对空军和海军的方案进行论证,然后二者择一。经过论证,最后选择了空军HyTech计划的乘波体气动布局,在发动机方面,同样选择了HyTech计划的成果——普•惠公司研制的SJX61碳氢燃料超燃冲压发动机(该发动机原计划配装X-43C,该项目于2003年取消)。

2005年9月,DARPA与空军确定共同资助HyTech的后续工作,称之为超燃冲压发动机演示HySET。空军将该计划列入X-Plane系列中,命名为X-51A SED飞行器,字母“A”代表X-51飞行器系列中的第1个飞行器的设计方案。

X-51A计划的主要目的之一是对美国空军的HyTech超燃冲压发动机进行飞行试验,这种发动机使用吸热型碳氢燃料,能将飞行器的速度从4.5马赫提升到6.5马赫。此外,还有以下目的:一是获取超燃冲压发动机的地面及飞行试验数据,以加深对物理现象的理解并开发可用于超燃冲压发动机设计的计算工具;二是验证吸热式燃料超燃冲压发动机在实际飞行状态下的生存能力;三是通过自由飞行试验来验证超燃冲压发动机能否产生足够的推力。

就这样,经过多年的探索,美国确定了以超燃冲压发动机为技术突破点的技术路线;在平台方面,没有像以往那样一上来就花巨资开发技术难度更大的高超声速飞机,而是采用了成本可承受、风险较低、易于形成装备的巡航导弹方案。这是一个痛苦的选择,也是一个明智的选择。

试验:一波四折终获成功

按计划,X-51A一共进行了四次飞行试验。

2010年5月26日,X-51A在美国南加州太平洋海岸附近完成了首次飞行试验,使用了由普惠洛克达因公司制造的吸气式超燃冲压发动机。这是一种全新的发动机技术,可与二战后由螺旋桨推进向喷气推进的飞跃相提并论。试验中,该发动机创纪录地工作了140秒,并且把飞行器加速到了5倍音速。

2011年6月13日,X-51A进行了第二次飞行试验。当天,B-52战略轰炸机携带X-51A飞行器飞至发射点后,火箭推进器成功地将X-51A推进至5倍音速。以乙烯为初始燃料的超燃冲压发动机成功点火,但在随后转而使用JP-7常规燃料时,进气道未能启动。之后,工作人员重启、恢复最佳条件的努力失败,导致第二次飞行过早终止。

2012年8月14日,X-51A在加州的美国海军空战中心海上靶场进行了第三次飞行试验。飞行器成功从B-52上分离,但飞行16秒后出现了错误,此时X-51A还没有与助推火箭分离。15秒后,X-51A从助推火箭上分离下来时,控制翼出现故障,飞行器失去控制,坠入大海。

最近的一次是2013年5月1日。此次试验中,X-51A持续飞行了300秒,随后在500秒左右开始无动力滑行下降,最后坠落在加州西部太平洋试验场的海域中。如果相关数据被确认,将意味着持续吸气式高超声速飞行创造了新纪录。

本次试验采用的是波音公司制造的四架飞行器中的最后一架,动力采用了普惠洛克达因的SJX61双模态亚燃/超燃冲压发动机。发动机根据前三次飞行试验的经验和教训进行了改进:在发动机流道截面采用了更好的密封,防止重蹈首次飞行时燃气侵入飞行器内部而导致飞行过早结束的覆辙;针对第二次试飞进气道未启动的故障进行了软硬件改进;针对第三次试飞时飞行器控制翼面故障进行了改进。

目标:高超声速飞机

虽然当前美国研究高超声速技术的目标在于发展导弹武器,但就未来看,超燃冲压发动机技术应用到高超声速飞机的价值更大。

一来,军用高超声速飞机可在2小时内飞抵全球任何地区,可执行实时侦察、远程快速部署和精确打击任务。其突防能力强、被拦截概率小,若再配挂高超声速防区外攻击武器,将大大提高作战效能。

二来,如果高超声速技术在洲际飞机上得到应用,以5~6马赫的速度飞行,航程达到数万公里,那么它在民用方面将拥有很大的潜在市场。

事实上,美国一直没有放弃对高超声速飞机的追逐。1996年NASP计划终止后,美国国家航空航天局(NASA)依然在继续实施着高超声速-X(Hyper-X)计划,研究内容主要是X-43系列飞行演示器的机体结构、材料以及热防护系统,其目的是将高超声速吸气式推进系统及其相关技术从实验室推广至飞行环境中,等等。

截至目前,X-43A已经进行了数次试飞,并达到了最快近10倍音速的飞行速度。

NASA本打算推动X-43A的后续型X-43C的发展,后者采用了许多在Hyper-X计划中已经验证的系统,包括助推器、级分离、飞行管理和数据系统等。但2003年,NASA与DARPA协调后取消了X-43C项目,随后,由DARPA和美国空军联合实施的FALCON(武力运用与本土发射)计划出炉。

该计划的目标是研制可重复使用、能进行快速打击的高超声速武器系统,主要包括三个内容:

一是通用航空器(CAV)——无动力、机动式、高超声速滑翔的飞行器,能将约454公斤的弹药投放于5560公里之外的目标。

二是可将载荷发射至轨道或发射高超声速武器载荷的小型发射飞行器(SLV)——低成本的、常规的、带助推器的火箭,用来发射CAV。该小型发射飞行器的成本约为500万美元,能将约454公斤的有效载荷投放到低地球轨道上。

三是可携带载荷的高超声速巡航飞行器(HCV)——一种无人驾驶飞机,能够从常规跑道起飞,可重复使用,可携带5400公斤载荷在两个小时之内对16650公里外的目标实施打击。由于难度巨大,HCV预计不会在2025年前装备。

由FALCON计划可以推测知,美军的真正目标是拥有类似HCV这样的水平起降、可重复使用、能发射武器的高超声速飞机,并伺机向技术难度更大的空天飞机往返系统进军。(中国航空工业发展研究中心装备体系与战法研究所副所长 郑江安)

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