高超声飞行器技术的应用价值与前景

 

高超声速技术是近年来最重要的战略前沿技术之一。什么是高超声速技术?它对未来战争有何影响?它的发展前景如何?本文将对此进行介绍和分析。

一、什么是高超声速技术

高超声速流动是指马赫数大于5的流动。实际上,上世纪40年代,力学家就建立了的高超声速流动的基本理论,如钱学森在1946年提出了著名的《高超声速相似率》。60年代初,美国X-15用火箭发动机实现了首次高超音速飞行(飞行M数大于5.3)。在这以后,开始致力于实现利用空气中的氧气的吸气式发动机进行的高超音速飞行。美苏等国开展了超燃冲压发动机等关键技术的研究。由于难度太大,研究工作进展不大,在美国设计航天飞机时,仍决定采用较成熟的火箭发动机。

1986年,美国NASA决定上马单级入轨的空天飞机(NASP)计划, 人们称之谓“高超声速的复苏”。这个计划在花出30亿资金后,在1995年下马。失败的主要原因是方案过于先进;超燃冲压发动机技术还不成熟;所需资金过大而无法承担;过分依赖于计算流体力学(CFD)的计算,对地面试验和飞行试验重视不够等。在这之后,美国NASA认真吸取了教训,继续执行了一项规模较小的飞行演示验证的Hyper-X计划,其目的是扩展将来可以军民两用的高超声速技术基础。它的第一个无人高超声速验证机就是X-43A。

各国的空天飞机计划

使用氢燃料的X-43A的飞行试验虽然成功,但其飞行马赫数是固定不变的(7或10)。由于其技术水平仍与实现空天飞机有很大差距,NASA果断放弃了后续的以空天飞机为目标的X-43B和X-43C计划,转入了基础研究。

X-43A的飞行试验

2001年,NASA和美国国防部就联合提出了“国家航空航天倡议”(NAI)。在这个倡议中,重点讨论了采用吸气式发动机在大气层中进行高超声速巡航飞行的技术。该倡议建议美国发展吸气式高超声速飞行器分三步走:近期致力于高超声速巡航导弹;中期集中于发展高超声速轰炸机;远期瞄准重复使用的航天运载器。在这之后,由美国军方主导了碳氢燃料超燃冲压发动机的研发。

2008年2月,美国国防向美国国会递交了《国防部高超声速计划路线图》。在这个文件中,美军扩大了高超声速技术的定义。新的定义是:使大气层高超声速机动飞行成为可能的技术。由此计划发生了重大转折,计划不仅包括吸气式高超声速巡航飞行的技术,而且扩展到包括采用火箭发动机和组合发动机在大气层中进行高超声速机动飞行的技术,从而采取了“两边下注”的策略。

美国国防部高超声速计划路线图

《路线图》进一步明确了美军的高超声速计划的目的是为美军提供三项未来的作战能力:打击/持久作战能力;空中优势/防御能力;快速进入太空能力。这个路线图对上述的三个方面,都提出了由一系列技术产品支撑的路线图。这些技术产品包括:吸气式高超速飞行器如美国空军的X-51A,海军的HyFly 等;高超声速助推滑翔飞行器如HTV-2,陆军的AHW等,以及小型无人航天飞机X-37B等。

由上述高超声速技术发展的历史可见,学术界关于高超声速技术存在两种定义,一种是广义的,就是指实现高超声速飞行的技术,另一种狭义的,专指利用吸气式发动机实现高超声速飞行的技术。

研制高超音速飞行器,需要攻克一系列的关键技术。主要有推进技术、气动热力学、材料与结构、控制、热管理等。

二、高超声技术的军事价值

高超声速技术是近年来最重要的战略前沿技术之一。高超声速技术的发展将对未来战争产生深刻的影响。但是高超声速技术究竟如何影响未来的战争,文献中讨论较少,可以参考的是2015年9月15日美国空军正式发表的题为《美国空军2035年的核心使命》的《空军未来作战概念》报告。

这报告由美国空军部长黛博拉·李·詹姆斯和美国空军参谋长韦尔什上将联合签发,是美国空军用来指导未来20年空军组织、训练与装备的最新文件,旨在回答“美空军未来将走向何处”这一问题。文件主要是向美空军部队,解释如何将“敏捷性”适用于美空军作战人员。文件通过美空军2035年的五项核心使命,阐明了作战敏捷性的应用。这份文件大体描述了美国空军未来20年如何执行核心使命。鉴于可预测的战略与作战环境,或作为联合、跨部门或跨国部队的一部分,或独立支持美国国家安全目标,为美国提供快速响应及有效的全球警戒、全球到达和全球打击力量。

《美国空军2035年的核心使命》文件中提出了2035年的高超声速攻击作战设想。它假想了2035年9月17日,美国空军利用高超声速打击武器对敌方的一体化防空系统中的激光武器实施打击。在该设想中,由4艘母舰投放200架飞行马赫数为0.9的高亚声速小型无人飞行器。这些分布式无人机,通过快速组合形成不断变换的诱饵和干扰机阵列,同时其所搭载的网络化传感器为美军构建起对敌方一体化防空系统的态势感知。由于敌方的防空系统的探测和火力通道,被这些目标饱和,敌方未能及时发现美军发射的高超声速导弹。这些导弹首先摧毁了防空系统中的高能激光武器(它威胁到美军的低轨道卫星);其他高超声速武器,则摧毁了岸舰导弹系列和攻击艇的驻泊地。

美国空军提出的2035年的高超声速攻击作战设想

上述有关高超声速武器攻击的设想和美国空军在2014年发布的《美国空军:召唤未来》报告是一脉相承的。后一报告指出:美国空军有能力比其潜在对手更快地持续适应和响应环境的变化,是空军面对未来30年的最大挑战。这份报告将高超声速、和纳米技术、无人系统、自主和定向能并列为“改变游戏规则”的五大技术。

美军的高超声速计划的目的是为美军提供三项未来的作战能力:打击/持久作战能力;空中优势/防御能力;快速进入太空能力。关于高超声速武器在未来战争中的优势,可参见2016年3月美国空军联合会的米切尔空天研究所(Mitchell Institute for Aerospace Studies),发表的报告《高超声速武器与美国国家利益:21世纪的突破》。它由空军历史学家R. Halliontt和曾担任美国空军研究实验室主任的退休空军少将 C.Bedke 编写。报告认为,高超声速武器可在以下4个方面为美国及其全球盟友部队提供作战优势:(1)提供前所未有的快速到达,可缩短“发射器到目标”的时间,并能更有效地利用情报打击目标;(2)提供全球目标区域的进入,战区高超声速导弹可在不到17分钟内到达1000英里以外的目标,高超声速情报侦察(ISR)系统,以比卫星更快的速度,在一天内抵达目标区,并具有更高生存能力;(3)提供“第四维”才作战效应,压缩敌方的决策时间,使高超声速攻击方有效地干预敌方的指挥、控制与作战管理周期,进而增强美国的指挥与控制优势;(4)突破敌方防空系统,高超声速武器可使老旧的第四代战机,攻击严密防守地区的目标,并使武器在搜寻目标时确保自身存活。

美国当前正在发展的高超声速武器,包括空军的“高超声速打击武器(HSSW)”,美国空军和DAPRA合作的“高超声速吸气式武器概念(HAWC)”和“战术助推滑翔(TBG)”项目。这三个项目,波音、洛马、雷神等美国重要的军工企业都有参与。另外美国陆军的“先进高超声速武器(AHW)”项目,正在准备进行第三次飞行试验。除此之外,美国洛马公司正在积极研发高超声速ISR飞机SR-72。由此可见 ,美军在2035年可能装备的高超声速武器主要是两类:使用超燃冲压发动机的巡航导弹和高超声速助推滑翔飞行器。

美国空军对2035年的高超声速战争的预测,是否正确尚待实践来验验。作者认为,美国空军现在发表这种设想,更多的是对潜在对手的心理威慑,也是一种博弈的策略。但从以上美国空军的设想中,我们还是可以得到如下几点启示;

首先,由于高超声速武器在未来战争中的关键作用和巨大的打击能力,它将成为一种重要的军事威慑,即“高超声速威慑”。

其次,未来的战争仍然是体系和体系的对抗,单独的一种武器的性能虽然重要,但只有与体系中其它武器配合,才能发挥出它的优势。何况任何武器既有独特的优势,也有致命的弱点。在上述美国空军的2035年的设想中,若没有美军分布式无人机对敌方的饱和攻击,红外特征明显的高超声速武器就无法发挥其速度优势。从这个意义来看,美国空军会更加看重分布式无人机的发展。

再次,为了能够实现有效的高超声速攻击,必须提高超声速武器的可靠性,使其达到现有导弹的可靠性水平,显然,这对于承受严重气动加热环境的高超声速武器来说,对其结构、材料和电子系统,都提出了苛刻的要求。

最后,在未来战争中,实现高超声速攻击必需装备具有一定数量的高超声速武器,因此,必需让这些武器的成本不要大大高于现有的超声速导弹的成本。未来的战争,不仅是武器性能的较量,也是一个国家经济实力的较量,

三、高超声速滑翔飞行器的应用前景

近年来,一种用弹道式导弹或火箭发射的高超声速滑翔飞行器,成为媒体上讨论的热点。其实,这种高超声速飞行器由来己久,其发展经历了许多变化。下面我们以美国为例,说明其发展过程、技术障碍和应用前景。

机动弹头的发展

美国在远程弹道式导弹的惯性再入弹头的技术成熟以后,一方面加速弹头的小型化和发展多弹头技术,另一方面,大力研制提高突防能力和打击精度的机动弹头。在机动弹头方面,美国主要发展了助推滑翔技术,即弹头与助推火箭分离后上升到高空,当它下降到较低高度时,进行轨道机动,并滑翔较长距离向目标腑冲。在上世纪60年代到80年代,美国空军研发了多种机动弹头。

其中主要有:

(1)助推滑翔弹头(BGRV)。它采用双锥外形,并用射流干扰进行机动。1967年,用宇宙神F火箭对重1362公斤重的弹头进行了两㳄飞行试验。试验结果证明射流控制方案是可行的。但这种方案滑翔时间较长,使敌方增加了拦截距离,同时落点误差也有所增加。

(2)机动弹道式弹头(MBRV)。它的重量为1400公斤,采用4个液圧机动的控制翼,最大机动过载可达100g,机动距离达500公里左右。1966年用阿特拉斯F火箭进行了4次飞行试验,前3次均失败,最后一次取得成功。但这个方案的尺寸和重量都较大,难于实用。

(3)高级机动弹头(AMaRV)。1976年美国开始研制,它采用双錐外形和控制翼,可改变配平攻角,落点精度较高。虽经过多次飞行试验,但并未装备部队。

(4)潘兴2机动弹头。美军在1974年开始研制潘兴2机动弹头。其外型是细长的双锥外形,在其尾部装有4�舵面。由于采用雷达末制导,落点精度较高。1978年先后进行了5次飞行试验,其精度达到25米。1983年美国在西欧部署潘兴2导弹,1988年在美苏两国在签署了中导条约后,美国开始从欧州撤出并销毁。这是美国唯一装备部队的中程机动弹头。

美国的一种机动弹头弹头方案

从美国发展机动弹头的历史经验可见,影响其发展的因素主要是军备控制和技术成熟度。

通用再入飞行器的设想

美国从20世纪90年代中期,开始关注非核打击和太空对地打击。美国航天司令部在1998年4月公布了《长期规划》,在这个长期规划中,首次提出了太空作战飞行器(SOV)系统的概念。太空作战飞行器系统是一个由多种军用航天飞行器灵活组合而成的系统。它由太空作战飞行器(SOV)和它的上面级组成。SOV是一种能够快速发射的重复使用的航天运载器(RLV),它可以将上面级送入近地球轨道,也可以只达到亚轨道速度。SOV系统的上面级有三种类型:

(1)太空机动飞行器(SMV)。它是一种多用途的轨道飞行器。它具有较强的轨道机动能力,并能返回地面并重复使用。它主要用于对地侦察和监视,对太空目标的监视和识别,也可作为反卫星的平台,还能对军用卫星进行在轨服务,它也可释放CAV而进行远程对地攻击。其试验样机就是后来的X-37B。。

(2)模块嵌入级(MIS)。它是一种一次性使用的上面级,主要是用于发射高地球轨道(HEO)和中地球轨道(MEO)的卫星。

(3)通用再入飞行器(CAV)。它是一种高超声速飞行器,它带有精确制导的非核战斗部,主要用于对远程对地攻击。与远程弹道式导弹相比,它的升阻比和机动范围要大得多,对地攻击的精度也要高得多。

上面级可以用太空作战飞行器发射,也可用一次性使用的运载火箭(ELV)发射,或用大型飞机进行空中发射(AL)。CAV也可用弹道式导弹(BM)发射。

根据美国空军在2003年4月公布的“美国空军转型路线图”的阐述, CAV作为一个快速响应和精确打击的系统,可在没有提前部署部队的情况下,于任何时间、任何地点攻击敌人。快速响应可以在冲突一开始,在远征部队之前,或辅助远征部队打击高价值、关键和严密设防的目标。CAV将使用抗干扰的GPS/惯性导航复合制导,该系统可精确地将CAV置于可有效分散其有效载荷的位置。CAV将速度和机动性结合起来,使得防御它变得十分困难。

设想的有效载荷包括:小直径炸弹;无人机;广域搜索自动攻击小型弹药(WASAAMM)或单一的无人战机。

“猎鹰(FALCON )”计划

2003年6月17日,美国空军和国防部高级研究计划局(DARPA)联合对“猎鹰(FALCON )”计划招标。它是一个技术开发和武器系统演示验证计划,涉及四个主要项目:通用再入飞行器(CAV)、增程型通用再入飞行器(ECAV)、小型运载火箭(SLV)和高超声速巡航飞行器(HCV)。“猎鹰”计划的主要目标是研制、试验和验证可以满足近期和长期全球瞬时打击任务能力的技术,同时还要演示验证可进行快速太空发射的能力。整个“猎鹰”计划的技术基础是要开发一套通用的技术和演示验证途径,既可以满足近期SLV/CAV具备初始瞬时全球打击能力的要求,又可以满足远期发展HCV目标的要求。这套通用的技术包括:高升阻比的气动外形、轻质耐高温材料、防热技术、目标修正和自动飞行控制等。这些技术将在进行首次飞行试验前逐步成熟,并设计成一个集成的武器系统,然后通过一系列的飞行试验对其进行验证。

美国猎鹰计划对CAV的设想

2004年美国国会审议猎鹰计划时,美国参议院极力要求取消CAV的预算,不过众议院则对CAV情有独钟,要求加大拨款。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。在这之后,CAV改名为高超声速技术飞行器(HTV)。HTV作为高超音速技术演示和验证计划的一部分,着眼于进行在较高的高空,验证与高超声速飞行相关的技术,如高超声速空气动力学、长时间高超声速飞行的防热技术、高超声飞行下的制导、导航与控制技术等。在计划的执行过程中,HTV-1 、HTV-3相继被撤消,只有由洛克希德马丁公司的臭鼬团队研制的HTV-2飞行器,进行了两次飞行试验。

技术障碍

HTV-2的飞行轨道

2010年4月,行了猎鹰HTV-2首次飞行试验,在发射9分钟后,与地面控制站就失去了联系,试验宣告失败。2010年末,DARPA公布了独立的工程审查委员会对HTV-2的调查结果,指出首飞失控最可能的原因是偏航超出预期,它同时伴耦合滚转,这些异常现象,超出了姿态控制系统的调节能力,触发了飞行器坠毁。2011年8月13日凌晨,又进行了HTV-2的第二次试飞,但HTV-2在升空大约半小时后,便与地面失去联系,试飞再次宣告失败。DARPA对事故分析后表示,高超声速飞行导致飞行器大部分外壳损毁。研制者推测,部分外壳因局部烧蚀损坏后,快速形成的损伤区在飞行器周围,产生了意料之外的强大激波,导致飞行器的飞行迅速终止。

由于高超声速飞行的时间较长,必须进行防热、气动和控制的一体化设计,其难度就远远高于一般的再入飞行器。高超声速飞行也意味着要求更快反应的控制,而困难在于目前还未全面掌握高超声速下实现空气动力控制的规律。在HTV-2第一次飞行试验失败后,其项目主管克里斯•舒尔兹(Chries Schulz)就表示:“在M数为20的飞行条件下,我们对飞行器的空气动力学现象还存在认识上的盲区。” 盲区之一就是高超声速边界层转捩。目前应用不同的地面试验和预测方法的边界层转捩结果,差异很大。

最近,美国国防部负责采购、技术和后勤的副部长办公室的武器系统主管斯普鲁•利科迪斯(Spiro Lekoudis)更加明确指出:在30到50公里飞行的高超声速飞行器,要经历非连续流动、层流、转捩、湍流流动,迎风面和背风面的压力有数量级的差别、压力中心移动很大,因此,其控制面临多重挑战。为此,必须将飞行器设计和控制系统设计紧紧耦合,要协调好稳定和不稳定的边界。由于这些边界可能被破坏,所以,控制系统对扰动的鲁棒性就十分关键。发展高超声速飞行器要研究新的空气动力控制技术、可能的机动和控制的方案。包括气动、推进或两 者的组合方案。此外,气动载荷的快速变化、材料在加热时的性能退化和气动外形的变化,也是这种飞行器面临的困难。由于地面设备无法复现全部的真实飞行条件,使得问题更加复杂。

另外,性能较低的美国陆军的先进高超声速武器(AHW)在2011年8月进行了首次的行试验,取得成功,但2014年8月的第二次飞行试验却宣告失败。2014年,美国空军和美国国防高级研究计划局(DAPRA)合作,启动了“战术助推滑翔(TBG)”项目。

应用前景

美国国防部副部长罗伯特·沃克在3月米切尔空天研究所纪念沙漠风暴行动的活动中说,高超音速武器是恢复美国技术优势的五角大楼的所谓第三次抵消战略的重要组成部分。美国怎样快速或缓慢地发展高超声速武器,将取决于今后几年在职权范围内所作出的战略抉择。另外,4月21日,美众议院武装力量委员会战略力量分委会通过一项《2017财年国防授权法案》修正条款,要求美陆军战术与条令司令部研究部署射程达500=5000千米的常规陆基导弹的潜在军事效益。而该类导弹部署仍为美苏1987年签订的《中导条约》所禁止。由此可见,美陆军的AHW项目可望再次进行飞行试验,而“战术助推滑翔”项目,估计也会继续推进。

对于任何一种武器应用前景的预测,主要基于三个因素即任务需求的迫切性、技术成熟度和经费的承受能力。根据对这三个因素的系统分析,可以预测在2020年或稍后,类似美国陆军AHW这样的高超声速战木助推滑翔武器可望列装。在2025年左右更高M数的高超声速滑翔弹头技术可以成熟,是否列装取决于当时的世界格局和军控的进展。至于美国空军设想的通用再入飞行器,则是一个更长期的发展设想。

四、超燃冲压发动机的应用前景

由于氢燃料密度低、沸点低,不大适用于武器,因此,各空天大国在21世纪以发展高超声速武器为背景发的高超声速技术计划,都重点发展碳氢燃料超燃冲压发动机。

各类发动机的比冲随马赫数的变化

碳氢燃料超燃冲压发动机

计划之一是美国海军的“高超声速飞行验证计划(HyFly)”,研制了双燃烧室冲压发动机,可惜连续三次飞行试验均告失败。另一个就是在2004年开始的X-51A计划。它由美国空军研究实验室(AFRL)与国防高级研究计划局(DARPA)联合主持,由波音公司与普惠公司共同制造。

X-51A由一台JP-7碳氢燃料的亚燃/超燃双模态冲压发动机推动,设计飞行马赫数6-6.5之间。这项计划的主要目在于:一是对空军的超燃冲压发动机进行飞行试验;二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;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。

X-51A的飞行试验

美军的高超声速试验飞行器X-51A先后进行了4次飞行试验。2013年5月1日进行了第四次试飞,当速度达到4.8马赫时,X-51A与固体火箭脱离,并点燃了自己的双模态亚燃/超燃冲压发动机。在240秒之内,发动机内的燃料就已耗尽,最大飞行马赫数达到5.1。然后,X-51A又滑行了几分钟,按照预定的计划坠毁在太平洋中。X-51A在这次飞行试验中的飞行距离超过了230海里,并获得了370秒的飞行数据。这次X-51A试验比前三次的结果虽好,但并未达到预期目标。X-51A的飞行试验原定的目标是飞行马赫数达到6-6.5,发动机工作时间达到300秒。X-51A的飞行试验结果表明,它在飞行终结时,使用的双模态冲压发动机还处于亚燃向超燃的过渡阶段。

技术障碍

亚燃/超燃双模态冲压发动机

一般的涡轮喷气发动机在M数稍大于3时,涡轮叶片就会受热而损坏。此时,冲压发动机利用迎面气流进入发动机后减速,使空气静压增高,就不必使用压气机而仍有较高比冲。但当马赫数大于5时,这种亚燃冲压发动机,由于气流由高超声速滞止到亚声速,带来的进气损失引起发动机性能的急剧下降。气流滞止还会导致气体温度过高,超过燃烧室的耐热极限,而高温引起的气体离解,亦消耗很大一部分化学反应热,使得燃烧生成的能量受限。所以,此时就要采用超声速燃烧冲压发动机。飞行器的头部产生的斜激波和飞行器前体,将适当压缩来流气体,使其速度降低,温度升高,但到达燃烧室后仍为超声速流动。

这样,超燃冲压发动机避免了气流温度过高的问题,但也带来了许多难题。发展超燃冲压发动机的技术障碍主要有:

1.燃料的混合、点火和维持稳定燃烧问题。由于空气在发动机中的滞留时间极短,仅仅有千分之几秒的时间,所以这样的燃烧,比在龙卷风中点燃一根火柴还要难,并还要让它在这样的环境下持续稳定地燃烧。因此,在燃烧室中使气流和燃料进行充分混合、成功点火并进行稳定燃烧,是首要的关键。当前,国外已经提出了许多方案。

2.从亚燃向超燃的模态转换问题。为此,设想过双燃烧室和变几何的方案,但这些方案都会大大增加技术的复杂程度和发动机重量。目前研究最多的是亚燃/超燃双模态冲压发动机。它在进气道和燃烧室之间增加了一个隔离段。利用控制燃烧室中的释热分布,当隔离段内形成热喉道和激波串时可以保持亚燃状态,当隔离段内热喉道和激波串完全消失时可以达到超燃状态。由于流场过于复杂,对于外边的扰动又很敏感,这种双模态转换技术目前还未取得全部成功。

3.再生冷却问题。超燃冲压发动机的燃烧室在工作时,将承受气动加热和燃烧释热的双重加热,燃烧室燃烧室内温度很高,例如在Ma6时温度高达2700K。目前对燃烧室的防热都采用燃料的再生冷却技术。为此,对燃料的选择、了解复杂的传热机理和材料工艺,都提出了很高的要求。

X-51A第一次飞行试验结果

4.发动机的推力问题。在发动机燃烧后产生的推力,能否大于在燃烧室中产生的阻力加上飞行器的外部阻力,成为超燃冲压发动机能否取得 成功应用的关键。虽然采用乘波外形和机体和发动机的一体化设计,可以大大减少飞行器的外部阻力。但由于采用碳氢燃料,其燃烧热值要比氢燃料低2.8倍,加上目前可能采用的增加混合和点火的方法,以及增加隔离段等都会增加燃烧室的内部阻力。当速度增加时,若阻力系数不变或稍有下降,阻力就会随速度的平方增加,而此时的推力却只随速度的一次方增加。因此,推力可能不够,或推力的富裕量很小。

5.缺乏能正确模拟超燃冲压发动机的地面试验设备,以及缺乏能将地面试验数据外推到真实飞行条件的方法。

应用前景

2014年7月美国空军科学顾问委员会(SAB)评估指出,目前美国应用超燃冲压发动机的高超声速飞行器多项关键技术的技术成熟度只达到5+水平。美国《国家利益》网站2016年4月27日刊发题为《美国空军首席科学家说高超音速武器将在本世纪20年代就绪》的署名文章。文章称,尽管空军和五角大楼的科学家迄今已经取得相当大的进展,但在高超声速飞机和武器做好参加实战的技术准备之前,仍有很多工作要做。空军首席科学家格雷格·扎卡里亚斯在接受采访时说: “现在我们正把注意力集中在完善技术上,涉及所有零部件、导航控制、材料学、弹药、传热以及其他所有问题。” 近年来,美国空军一直致力于构筑高超声速武器的技术基础。美国国防部在其2017财年国防预算申请中,首次在国防部核心试验与鉴定设施投资计划(CTEIP)下为专门高超声速飞行器试验设施建设编列了1600万美元预算经费,美国空军研究实验室(AFRL)通过美国联邦商机网站发布了“经济可承受的常规高超声速试验”(HyRAX)项目招标预告。HyRAX项目旨在通过研制一种可重复使用的高超声速试飞平台,提升包括气动、自主控制、材料、推进、结构和机载系统在内的高超声速技术成熟度。

估计在2020年前,飞行马赫数稍大于5的碳氢燃料超燃冲压发动机技术难于完全成熟,这种发动机在用于武器系统时,还要和其它的低速发动机组合起来,加上它对攻角和侧滑角的变化都很敏感,因此,它能否用于实战,仍存在不确定性。

五、强预冷吸气式发动机的应用前景

正当各空天大国投入巨资研发超燃冲压发动机而技术仍未成熟之际,英国反应发动机公司(Reaction Engines Limit,REL)的“协同吸气式火箭发动机”(Synergistic Air- Breathing Rocket Engine, SABRE,简称“佩刀”),在地面试验台上,完成的100多次试验,证明它能在百分之一秒内,将气流从1000摄氏度冷却到零下150摄氏度,不会造成霜冻堵塞,从而为高超声速推进系统的发展,开辟了一条全新的途径,改变了这个领域的“游戏规则(Game Change)”。

从“佩刀”到“弯刀”

“佩刀”发动机的诞生可以追溯到上世纪80年中期。那时许多国家,为了降低天地往返运输的费用,纷纷提出了多种水平起降的空天飞机的方案,其中最著名的是英国采用预冷式吸气火箭的“霍托尔(HOTOL)”、美国采用超燃冲压发动机的“东方快车(NASP)”和德国采用涡轮冲压组合发动机的“桑格尔(Sanger)”。在这些方案中,最关键的是其推进系统各不相同。到了90年代,这三国的空天飞机相继下马,但英国曾参与“霍托尔”研制的三名主力仍然坚持前行,于1989年成立了英国反应发动机公司,并自筹资金,低调实施 “云霄塔(Skylon)”空天飞机计划,进行了大量的技术创新,特别是在发展“佩刀”发动机方面,取得了重大进展。

“佩刀”发动机的方案

“佩刀”发动机具有两种工作模式。在火箭模式下,发动机以闭循环液氧/液氢高比冲火箭发动机工作;在吸气模式下(从起飞阶段到Ma大于5),液氧气流被大气中空气所代替,使发动机比冲增加了3-6倍。此时,空气流被吸入发动机,并在压缩之前被冷却至很低的温度。氢燃料在进入燃烧室之前作为闭循环氦回路的冷却剂,而冷却的氦气则用于冷却空气。“佩刀”发动机的关键组成部分是预冷热交换系统,该系统能冷却进气口吸入的空气。热交换系统由许多螺旋形缠绕的细小管道组成,空气通过热交换器时被管中流动的氦气冷却。反应发动机公司为此攻克了两个关键技术,其一是制造技术,他们采用了铬镍铁718合金管,孔径为0.98mm,厚度为40µm,它能确保良好的热交换性能而没有物理强度的降低。其二是霜冻堵塞的控制技术。若“佩刀”发动机研制成功,就可在其基础上发展两级入轨的空天飞机,进而发展单级入轨的“云霄塔”空天飞机。

LAPCAT超声速客机的方案

反应发动机公司已经设计了一个源于“佩刀”的“弯刀”(SCIMITAR)液氢预冷发动机。“弯刀”发动可以用于欧盟的“远期先进推进概念和技术计划(Long Term Advanced Propulsion Concepts and Technology, LAPCAT)”的超声速客机,开启了客机Ma5时代。LAPCAT的飞行速度可达6437公里/时,大约是协和式超音速客机最高速度的2.5倍。乘客从伦敦飞到纽约将只需要2小时。此外,LAPCAT可以在28千米的高空飞行。当然,“弯刀”发动机也可用于军用飞机。

强预冷吸气式发动机的特点

众所周知,涡轮喷气发动机在Ma5小于3时比冲最高、技术最成熟,但在更髙马赫数下,其性能急剧恶化,而此时冲压发动机具有优势,因此提出了将两种发动机组合起来的方案,即所谓“基于涡轮的组合循环(Turbine Based Combine d Cycle,TBCC)”的组合发动机。但是这种发动机存在模态转換时的推力缝隙、背死重和防热难等一系列问题,至今并未得到实际应用。另一种组合发动机是“基于火箭的组合循环(Rocket Based Combined Cycle,RBCC)”的组合发动机, 即火箭发动机和冲压发动机的组合,由于其低速性地能较TBCC发动机低,存在两种发动机的流动通道的协调问题,也沒有达到实用阶段。

另外一种高超声速发动机的发展途径是预冷,即将高马赫数飞行时的高温空气冷却到发动机的正常温度。为此,美国捉出了射流冷却方荣,日本、俄罗斯提出了冷却器方案,均因技术复杂而并未进入研制阶段,只有英国提出的强预冷器加闭合循环的方案 ,得到了认可,成功进进入了研制阶段。预冷对高超声速发动机带来诸多好处:首先,降低了发动机的进口气流温度,提高了飞行器的飞行马赫数,缓解了各工作部件的热环境。其次,降低进口气流的温度,可以提高气体的密度而增加流量,从而增加推力。而预冷技术的关键是设计紧湊髙效的预冷器。其核心技术是选择換热介质和设计制造微型換热单元。在这方面,英国的“佩刀”和“弯刀”发动机方案取得了重大突破。

强预冷的“佩刀”发动机,与前述的TBCC和RBCC等组合发动机比,其优点是:飞行速度的范围大,飞行Ma数从0直到20以上;推重比和比冲具有优势,在整个飞行马赫数范围内比冲都高于组合发动机,推重比也最高,Ma 2时推重比为9~14;Ma 5时推重比为6,它比TBCC 组合发动机在所有的飞行马赫数范围可以降低耗油率18-23%;它用单一发动机即可实现多种发动机(或组合循环发动机)才能完成的工作,从而大大降低起飞总重;和亚燃和超燃双模态冲压发动机相比,它避免了目前难于成熟的十分复杂的流动和燃烧的控制,从而提高了可靠性。另一方面,“佩刀”和“弯刀”都采用氢为燃料,虽然氢的燃烧热值是碳氢燃料的2.8倍,保障了发动机有足够的推力,但氢的价格较贵,由于存在“氢脆”现象,对材料也提出了更高的要求。

应用前景

据英国广大《每日邮报》7月12 日报道,英国反应发发动机公司宣称它已募集到的资金达到了1.7亿美元,包括欧洲航天局(ESA)已签署合同的1110万美元;英国航天局承诺的6620万美元;英国BAE系统公司入股投资的2650万美元;公司创办时募集到的私人投资约6620万美元。该公司称其资金足够支撑在2020年前完成“佩刀”发动机缩比验证机的地面试验。该公司与美国空军签订了有关“佩刀”发动机技术的合作协议,后者正在开展这种发动机的潜在应用和发展等研究。因此,反应发动机公司正在美国科罗拉多州建立美国子公司,以加强与美国政府部门和工业伙伴的联系。

国际上对这种强预冷技术以很高的评价,认为这是一种发动机领域颠覆性技术,是继喷气技术发明以后的第二次革命。芵国大学与科学部认为这项技术将彻底改变人类在空中和太空中的旅行。美空军研究实验室(AFRL)认为“佩刀”发动机是一个有吸引力的技术,它在技术上可行,并可能会更早地在两级入轨空天飞机或国防中应用。北航陈懋章院士的航空发动机气动热力国家实验室团队认为,这是一项意义非凡的重大技术穾破,将改变整个航空发动机的面貌,有望成为未来最适用的高超声速动力技术。

六、结束语

1.综上所述,高超声速技术是改变未来战争“游戏规则”的一项颠覆性技术。高超声武器的应用将大大提高军队的作战能力:打击/持久作战能力;空中优势/防御能力;快速进入太空能力;它将成为一种军事威慑力量。未来的战争是体系和体系的对抗,高超声武器只有与体系中其它武器配合,才能发挥出它的优势。

2. 根据任务需求的迫切性、技术成熟度和经费的承受能力,目前高超声武器发展的重点是研制适用于中程打击的助推滑翔弹头和飞行马赫数为5或稍高的导弹。

3.高超声技术的发展,必将推动军民两用的新一代航天飞机、重复使用航天运载器、高超声速飞机和空天飞机的发展,促进空天一体化。

4.发展高超声速技术要大力创新。从英国“佩刀”发动机的创新实践可知,高超声速技术的创新必须从基本的科学规律出发,坚持不懈,并取得各方面的支持,才能取得成功。

高超声速流动理论的创始人钱学森先生在1993年7月23日给我的信中说,“21世纪的中国人一定要在空定天飞机上显一显身手,一件国家大事。”中国的高超声速技术,基础较好,发展迅速,一定会在21世纪大显身手!

 

 

摘自:

远望智库研究员,黄志澄