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一项70年前的概念,现在还是航空科技的极限挑战?

    10月8日,美国《防务新闻》周刊网站报道,美陆军已经完成了对首批高超声速武器装备的接收工作。

    这一系统名为“暗鹰”(Dark Eagle),由洛马公司研发并生产。该装备包括武器组操作中心、4台运输-起竖-发射车以及卡车和挂车,它们构成陆军远程高超声速武器(LRHW)的地面设备。据报道,“暗鹰”导弹的航程为2773千米(1723英里),最高速度可达马赫数5。

    日前,美国、俄罗斯等全球航空强国都为研发、列装高超声速装备投入了巨大的资源,对高超声速装备的追求已经形成了一股新的防务竞争态势。

    相较于“超声速”来说,速度快到什么程度才能算“高超声速”?这个问题并没有全球统一的标准。但目前业界的共识是高超声速装备的速度通常要达到或超过马赫数5。

    虽然人类在70多年前就完成了对高超声速的突破和有限利用,但是直到今天,大气层内的高超声速飞行依然是最尖端的极限挑战。

奠定航天基础 高超声速飞行的起始

    如果不附带一些“奇奇怪怪”的要求,譬如必须长时间、长距离飞行等等,单纯地突破马赫数5以上的速度并没有过多的困难——这是突破第一宇宙速度的必经之路。没有突破高超声速飞行的能力,就不会有如今人类的航天事业。

    1949年2月24日,美国进行了一次改装试验:在原德国V-2导弹的顶端,加装了一枚名为“WAC下士”的细长火箭,打破了以往各国的设计惯例,形成了二级火箭结构。

    这枚被命名为“保险杠(Bumper)”的火箭,在5638千米/时速度、161千米高度时启动了二级发动机,并最终实现了8288千米/时速度、393千米高度的纪录。

发射升空的“保险杠”,注意其顶部细长的二级火箭

    在在这个过程中,“保险杠”火箭的第二级成功突破了马赫数5,成为了历史上第一次进行高超声速飞行的人造物体。在多级动力思路被成功验证、并取得了巨大成功后,航天火箭在上世纪50年代迎来了爆发式发展。

    1961年4月12日,苏联的“东方1号”宇宙飞船在制动火箭的减速辅助下,以超过25倍声速的速度进入大气层,并在30分钟后安全降落地面。这是人类历史上第一次完成载人高超声速飞行。

加加林少校不仅是太空第一人,也是载人高超声速飞行的第一人

    这两次高超声速飞行的实现,分别依赖于多级火箭设计和重返大气层技术,而它们构成了整个人类航天能力的基础。

“大力出奇迹”载人高超声速飞行

    上世纪50年代之后,全球航空领域被这样新的灵感所启发:既然火箭能实现高超声速飞行,那么飞机一定也可以!正是在这样的背景下,美国的X-15验证机诞生了。

X-15验证机

    虽然被称为“飞机”,但X-15的本质,其实是一架以单级动力、空基发射的载人火箭为主体、被添加了机翼和起落架(另其能够在常规跑道着陆)的一个奇怪产品。

X-15验证机

    X-15先后使用过两种液体火箭发动机:早期使用XLR11发动机,烧酒精和液氧;后期使用XLR99发动机,酒精被液态氨所替代。使用火箭发动机在当时是唯一的选择——即便在今天,高速下的吸气式动力系统依然是航空航天领域一个巨大的技术难题,人类对这一领域的研究至今都停留在非常初级的阶段。

着陆事故中损毁的X-15-2号机

    X-15创造了马赫数6.72的载人飞行纪录,并一直保持到现在。不过X-15的载人飞行与当时机载设备技术的局限性有关。

    而今,随着机载设备技术的进步,大量试飞验证任务可以实现自动化控制、并及时将各种数据发回后方,试飞验证任务对载人的需求大大降低,更直接减少了人员伤亡风险。也因此,在眼下的高超声速武器研发热潮中,载人成为了毫无必要的功能。

    从今天的角度来看,X-15奇迹般的性能,更多源于不计代价地增大火箭发动机推力实现,而在航程、载荷等能力方面却乏善可陈;气动外形等设计思路也不足以支撑此类飞行器的实用化。

更高效、更持久 新一代高超飞行器

    而今,在如X-43这样的新一代高超声速飞行器设计中,类似X-15的设计已经很少见了。

    X-43体现了近年来典型的高超声速设计思路:机身狭长扁平、仅有尾翼、带有腹部进气口。这种“机体/推进系统”一体化的设计思路也让现在的高超声速飞行器拥有了X-15所无法实现的高效率、持久远距离飞行能力。

飞机超声速飞行产生的激波是高速阻力的主要来源

    在这类飞行器中,发动机被安装在后机身下方。但实际上,完整意义上的“发动机”还同时包括了它所在前后的整个机身下表面:

高超声速飞行器普遍使用前机身作为压缩面,气流会在前机身和进气道产生的激波中不断减速,最后才参与燃烧。

    在高超声速状态下飞行时,气流通过机头时会形成非常强烈的激波。前机身下表面的激波一方面使迎面而来的高速气流压缩、减速,使它能被发动机所适应;另一方面,它形成的高压力也提供了飞行器所需的的大部分升力——这就是这类飞行器通常没有大面积的独立机翼。

    而后机身的下表面,则实际上形成了一个虚拟的“喷管”结构;发动机排出的燃气,主要的膨胀加速过程就在这段区域中实现——绝大部分推力,都是在这里形成的。

    很显然,相较于X-15,X-43这样的新一代飞行器在设计思想和技术运用上都要先进得多:吸气式的发动机,使飞行器不再需要自备氧化剂,极大减少了对机身内容积和重量的占用。机身同时起到了机翼、进气道、喷管的作用,极大地减少了飞行阻力和重量。

    当然,高超声速飞行器的设计路线远不只有X-43所代表的这一种。但从根本上讲,只有效率更高、更能解放出空间和重量改善载荷航程能力的设计方向,才能使高超声速飞行器发展到真正的实用化阶段。这也是未来所有设计路线的共通目标。

滑翔类飞行器先行 最先实用化的高超飞行器类型?

    随着飞行速度的不断提高,动力系统往往本身就会成为飞行器最大的阻力源头。正如螺旋桨动力无法支持超声速飞行一般,包括涡喷和涡扇发动机在内的涡轮发动机,也并不适合马赫3以上的持续飞行。这种问题在今天依然困扰着高超声速飞行器,并且一直是最大的核心难题。

    在主要飞行速度超过马赫数2.5之后,飞行器通常会选择冲压发动机作为动力。在马赫数3这个级别的速度上,飞行器还可以通过进气道,让迎面气流进入燃烧室时的速度降低到亚声速范围;但是速度继续提高,一旦到马赫数5,这种亚声速燃烧的设计就无法适用了。

    在高超声速飞行器上,发动机必须采用超声速燃烧设计。但火焰的生成和传播也是有速度极限的,超声速燃烧意味着在非常有限的空间内,燃烧过程必须要在几毫秒甚至1毫秒的时间内完成。这种情况下要保证发动机的稳定工作,难度远远超出在龙卷风中点燃一根火柴,并让它持续烧完。

    而从目前各国的实际进展看,超燃冲压动力依然远未发展成熟。

    从这个难点来看,也许未来首先进入实用阶段的会是无动力滑翔设计的高超声速飞行器——由于避开了吸气动力这个最大的技术难点,而且存在极大的军事性能需求,将成为最先付诸实用的一类产品。

    无动力滑翔设计的高超声速飞行器能够应用在中远程弹道导弹上作为弹头的载具形式时,具备极大的性能优势——相较于传统的弹头,高超滑翔设计能形成差异极大、非常难以预料的飞行轨迹,能对现有的防空反导系统形成极其巨大的突破威胁。