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高超音速飞行器

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发表于 2020-5-16 10:08:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 小康人家 于 2020-5-16 10:10 编辑

  来源:科技网     日期:2012年08月10日

  2011年11月17日,美军透露成功试射了一枚至少能够以5倍音速飞行的“先进高超音速武器”。上午11时30分,飞行器从夏威夷考爱岛的太平洋导弹试射场发射,预定目标是陆军位于夏威夷西南约2500英里的马绍尔群岛夸贾林环礁上的里根试验场。该飞行器利用三级推进火箭发射,送入地球大气层预定轨道后开始超高音速滑翔,最终击中里根试验场的预定目标。


  如果美军将这种“先进高超音速武器”推广开来,意味着美军将不必依赖部署在外国领土上的导弹。


  此前,美国防部曾分别于2011年4月和8月试飞另一种射程更远、速度更快(能以20倍音速飞行)的高超音速无人飞行器“猎鹰HTV-2”,但两次试飞均以飞行器在太平洋上空失踪而宣告失败。


  基本原理


  科学家对高超音速(Hypersonic)的定义,是速度超过5马赫,也就是超过音速的5倍(每小时约6000公里)。弹道导弹和航天器等在飞出、飞入大气层的过程中,可以轻易超过这一速度乃至达到几十倍音速,但如何在大气层内实现高超音速飞行仍是前沿技术。


  为实现高速度、高升限、远巡航距离、强突防能力强等目标,高超音速飞行器需要采用高升阻比和强机动性的气动外形。可供选择的方案有升力体、翼身融合体、轴对称旋成体、乘波体等,美军X-51和“猎鹰”验证飞行器采用了乘波体。


  乘波体(Waverider)是指外形为流线形、所有前缘都具有附体激波的高速飞行器。通俗的讲,乘波体飞行时其前缘平面与激波的上表面重合,就象骑在激波的波面上,依靠激波的压力产生升力。如果把大气层边缘看作水面,乘波体飞行时就像是在水面上打水漂(但与打水漂不同,乘波体飞行很稳定)。乘波体飞行器不用机翼产生升力,而是靠压缩升力和激波升力飞行,像水面由快艇拖带的滑水板一样产生压缩升力。超音速飞行形成的激波不仅是阻力的源泉,也是飞行器“踩”在激波锋面的背后“冲浪”的载体。


  美军1998年提出的高超音速飞行器设计方案,使用火箭组合循环发动机推进。从普通跑道起飞,发动机加速到10马赫飞行,当爬升到40公里高度时关闭发动机,飞机依靠惯性滑行到60公里的高度开始机动飞行。在这个高度区间,地球大气层的压力、密度随高度增加而迅速衰减:在距地球表面15公里高度,大气压力与密度分别约为地面的12.3%和16.2%;在30公里高度,分别约为地面的1.2%和1.6%;在60公里高度,分别仅为地面的0.031‰和0.028‰,已接近真空状态。


  因此,30—60公里的高空“走廊”是高超音速飞行器长时间远距离飞行的理想空间,在这个“走廊”短暂启动发动机,推动飞行器再次爬升、回落、再爬升,如此周而复始,每两分多钟进行一次“跳跃”,每一跳约450公里,这样在两小时内可以到达全球任何地点。


  这种在稠密大气层上方如“打水漂”般跳跃飞行的方式,不仅节省燃料,而且大大减轻高超音速飞行的气动加热。飞行器可利用其高升阻比气动外形进行大范围滑翔机动,规避拦截火力,并在适合位置释放出携带的弹药,对目标进行精确打击。


  军事用途


  与弹道导弹相比,高超音速飞行器武器系统的最大优势是飞行弹道、落点难以预测,拦截武器系统的传感器即使探测到发射也难以连续跟踪,导致难以获得精确数据。同时,导弹防御系统的拦截能力恰恰对这种飞行器大部分飞行时间和轨道显得无能为力,因而高超音速武器系统对于弹道导弹防御系统有非常高的突防概率。其飞行末段高达10—20马赫的高超音速攻击,让距离远隔洲际的坚固建筑和深埋地下百米的目标也变得弱不禁风。


  美空军航天司令部发布的评估报告认为,如果使用“猎鹰”这样的武器系统,在接到作战命令后,两小时内只需从美国本土发射4架携带小直径炸弹或自主搜寻攻击弹药的高超音速飞行器,即可达到1986年动用海空军百余架战机突袭利比亚“黄金峡谷”作战行动的效果。


  军事专家相信,高超音速武器一旦成熟,它带给军事世界的冲击绝不会亚于当年的核武器。2010年4月6日,美俄在布拉格握手言欢,当全球正准备为核魔的即将远去欢呼时,美国已经走到了所有国家的前面,在一个“没有对手能和自己平起平坐”的常规领域建立了新的战略打击体系。这样,世界将会变得更加危险,因为有核的情况下世界或许还可处在“危险的均衡”中。但无核时代,“常规武器”由于技术的活跃而变得更加容易失控,这可能比核武器更危险。


  技术难点


  支撑超高超声速武器巨大作战效能的是不可思议的速度,飞行要跨越亚音速、跨音速、超音速阶段,才能进入高超音速。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研制带来巨大困难。超音速技术必须突破多个难题才能释放威力。


  首先是动力难题。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毫秒左右,每次工作窗口极其狭窄,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均匀、稳定地混合和燃烧十分困难。目前,即便对美军而言超燃冲压发动机也离实用化有一定距离。


  其次是气动加热难题。以速度可达20马赫的“猎鹰”为例,其飞行时与大气层的摩擦就会使外壳要承受近2000℃的高温,超过钢的熔点,其他部位的温度也将在600℃以上,必须综合利用多学科的计算、试验等手段解决真实飞行环境下的气动加热问题。


  结构材料也是个难题。高超音速飞行器要在尽可能地减轻结构重量情况下克服气动加热问题。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必须突破的关口,甚至会使用航天器的结构与材料。


  冷战后,美国于1990年代开始提出“全球快速打击计划”,目的是让美军能在1小时内用常规武器打击地球上的任何目标。目前,美国空军、陆军、海军都在发展各自的高超音速打击武器项目,其中最著名的是始于2002年的HTV-2“猎鹰”高超音速飞行器计划,据称每架造价达3.08亿美元。此外还有大名鼎鼎的X-37B空天验证机和X-51高超音速验证机等。


  X-37B是一种由助推火箭发射或飞机投放、可进入地球轨道高速飞行的无人驾驶空天飞机,长度和翼展只有航天飞机的四分之一。继2010年首次试飞成功后,第二架已于2011年3月再次进行为期9个月的轨道试验飞行。评论普遍认为,X-37B在技术成熟并量产后,可整合具备侦察、空中打击,以及反卫星、反导弹等太空作战功能,有望成为全世界第一种“空天战机”。


  X-51则为一种由B-52轰炸机在高空发射的乘波体验证机,设计时速可达6.5马赫。2010年5月,首架X-51只完成了143秒的飞行,随后飞行提前终止。2011年6月,X-51第二次试飞,但由于发动机问题,飞行过早终止,最终落在加利福尼亚沿海。


  尽管“猎鹰”项目在计划制造的两架试验机均试飞失败后面临终止,但自去年开始频繁试验的X-37B、X-51和HTV2,仍标志着美国战略打击能力转型已经进入实质性阶段。而美国在高超音速飞行器领域建立起的强大技术优势,很可能将进一步拉大美国相对其他国家的军力优势,并引发新一轮的军事科技革命甚至军备竞赛。


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