高超声速飞行器一般是指飞行速度超过 5倍音速的飞机、导弹、炮弹之类的有翼或无翼飞行器 , 具有较高的突防成功率和侦查效能, 能大大扩展战场空间。高超声速飞行器潜在的巨大军事和经济价值使得当前世界各军事大国纷纷投巨资到该领域 , 成为 21世纪世界航空航天事业发展的一个主要方向。近年来 , 各军事大国在推进技术、结构材料、空气动力和飞行控制等关键技术研究方面积累了丰富经验 , 对高超声速飞行器未来的发展奠定了基础。
1 高超声速飞行器基本概念
1.1 高超声速的产生和特点
高超声速飞行器具有飞行高度高、速度快、侧向机动性好的优点, 能在很短的时间内抵达地球上的任何一点, 迅速打击数千或上万公里外的各类军事目标。这主要是因为它具有高性能动力推进系统。超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机是高超声速飞行器的关键技术。目前 ,各国发展高超声速技术主要选用燃料可在高超声速内流中稳定燃烧的高超声速燃料 简 称超燃 冲压发动机。超燃冲压发动机的适用范围为马赫数 5 ～16,飞行时不需要自身携带氧化剂 , 直接从大气中吸收氧气 , 作为助燃剂。冲压发动机由进气道、燃烧室、推进喷管三部分组成。所谓冲压 , 就是迎面吸进的高速气流在进气道内被迅速扩张、减速、增压 的过程。当气压和温度升高后 , 气体进入燃烧室与 燃料混合燃烧 , 经膨胀加速 , 由喷口高速排出, 产生推力。这项技术的结构质量轻、飞行成本低 , 可 控能力强、安全性好 , 可长时间使用 , 是实现高超声速飞行的理想动力装置。脉冲爆震发动机适用于所有尺寸和所有速度的推进系统, 从发射到高空高超声速飞行甚至轨道机动都能使用 , 尽管在50 km 以上时需要使用氧化剂 , 但由于应用范围更广泛也更具革命性 , 因此也是各国发展高超声速飞行器的热点。
高超声速飞行器具有以下优点:
(1)飞行速度快 , 全球到达。未来的战争是高信息化、高智能化的战争, 未来的空中打击力量将主要依靠高度和速度取胜。这种高超声速飞行器能在大约两个小时之内攻击全球任何角落的目标。
(2)稍纵即逝 , 探测难度大。空中目标的运动速度直接决定其通过敌方防御体系作战空域的
时 间, 对突防概率影响极大。高超声速飞行器飞行速度快 , 回波积累数量少 , 雷达探测能力明显降低 ,探测高超声速空中目标难度加大。
uvlo电路(3)突防能力强, 拦截困难。高超声速飞行可有效缩短对目标的反应时间, 从目前的情况来看 ,现有的地面防空武器系统的方向转动机构的转动速度慢 , 不能有效瞄准 , 因此突防概率高。
(4)射程较远, 威力较大。目前国外正在研究的高超声速导弹射程都在几百千米、几千千米, 并且高 超声速飞行时动能大, 若设计与亚声速飞行器相当质量的战斗部, 高超声速飞行器战斗部威力更大。
1. 2 高超声速涉及的关键技术
(1)高超声速推进技术。要实现高超声速飞 行 , 首先必须具有适合的推进系统。目前的研究重点是: 动力装置总体方案; 冲压发动机进气道设计理论与试验; 燃烧室设计和燃烧室试验; 冲压发动 机喷管与利用飞行器后体补充膨胀; 先进控制和燃料供给系统; 冲压发动机燃料及热沉利用; 双模态超燃冲压发动机技术验证试验等。蛋托
(2)一体化设计技术。目前的研究重点是: 气 动设计一体化 , 要考虑减小阻力、增加升力 , 还要 考虑气动加热、热防护; 结构设计一体化 , 特别是 热结构及燃料供应与冷却系统设计一体化; 飞行器各子系统及各主要参数的动态与静态一体化; 发动机推力控制与飞行器飞行控制一体化等。
(3)高超声速空气动力学技术。当飞行器以 高超声速飞行时, 气动加热非常严重。为此 , 必须掌握与高超声速飞行器气动布局及与推进系统一体化设计相关的高超声速流动规律 , 解决在真实 飞行环境下所出现的气动力、气动热新课题。目 前 , 各国正积极发展与高超声速空气动力与热力 学相关的基础理论、建模计算及试验验证手段。
(4)结构材料技术。超声速飞行器要求尽可能地减轻结构质量 , 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声速飞行器是非常关键的。主 要涉及的结构材料技术是轻质、高强度、耐高温材 料和热防护技术。
2 各种高超声速飞行器
随着科学技术的不断发展 , 高超声速技术已 从概念和原理探索阶段进入了以高超声速、高超声速飞机和空天飞机等为应用背景的先期技术开发阶段。
1.1远程电源管理 高超声速导弹
测量温度表(1)高超声速高超声速已成为远程精确打击的主力 , 目前正在向高速度、高精度、隐形化的方向发展。高超声速装有多燃料仓超 燃烧冲压喷气发动机推进系统,采用易存储的液态碳氢燃料,甚至是纯液态氢,能在 24 km 以上高空、以马赫数 4～8 的速度机动飞行,并能在 6 h 内环绕地球一周,迅速打击地球上任意地点的目标 , 精度小于 1m , 可穿透 11m 厚的钢筋混凝土,执行攻击、侦察、监视和情报搜集任务,特别是能从防 区外发射 , 攻击严密设防的活动目标、时间敏感目 标、加固目标和地下目标。高超声速集高速度、高精度和远射程的优点于一身, 更能适应未来高节奏作战的需要。
美国正在研制 X - 51“乘波者 ” 高超声速 , 可以从 B - 52轰炸机上发射 , 由助推火箭加速到超声速 , 再利用冲压发动机使其达到高超声速。X - 51导弹头部扁平 , 弹体采用镍合金 材料 , 长约 3. 5 m , 中部还设置有可折叠的舱门。其射程约 1 000 km , 设计飞行马赫数为 5, 能够在10 m in 内精确打击目标。终极目标就是要发展成一种可以在 1 h 内攻击地球任意位置目标的新武器。
法国的航空航天研究院 ONERA 和宇航 - 马特拉公司正在开展 “普罗米修斯 Promethee ”计划 目的是研究碳氢燃料双模态超燃冲压发动 机推进的高超声速空地导弹。该空射型导弹采用 的是半椭圆外形的 “南瓜子型 ”无翼乘波体方案 ,弹长 6m , 总发射质量为 1 700 kg 含固体助推器 , 航程大于 1 000 km , 最大速度马赫数可达 8。
印度正在研制一种可重复使用的高超声速系统, 其飞行高度为 30 ～40 km , 巡航速度马赫数为 7。除水平发射外, 该导弹还设计成可垂直发射。冲压发动机先工作在亚燃模态 , 速度马赫数达到 3, 然后转入超燃模态 , 加速到马赫数 7。
德国高超声速导弹的主要性能指标为:飞行马赫数 6. 5, 采用高能、高密度的吸热型碳氢燃料超燃冲压发动机 , 惯性加全球定位系统复合制导, 射程为 1 000 km 左右 , 命中精度在 15 m 以内, 可从空中、水面或水下发射。
(2) 其余高超声速导弹
二氯烟酸
除上述的高超声速外, 高超声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声速多用途导弹也正在研制之中。如俄罗斯的“彩虹 D2 ”高超声速飞行器由A S -
4远程战略空对地导弹改装而成 , 设计射程 570 km , 飞行高度 15～30 km , 最大飞行速度马赫数 6, 最大飞行 速度的持续时间为 70 s。另外, 俄罗斯的 “GLL - 31”高超声速飞行器使用氢气和碳氢高超声速冲压空气喷气发动机 , 长 7 m , 起飞重量 3 500 kg, 发动机工作时间 30～60 s, 起动速度马赫数 2, 高超音速马赫数范围 5～10, 飞行高度 20～40 km。
2. 2 高超声速飞机
( 1)高超声速侦察机
这种侦察机速度可达马赫数 5 ～9, 航程超过1 800km , 装有超燃冲压发动机 , 有人或无人驾驶。主要用于侦察敌方对空防御系统阵地情况,还能 执行电子情报搜集等多种任务。据悉, 法国正在研制HAHV 高超声速无人侦察机,其速度将达 6 ～8 马赫,航程超过2 000 km , 飞行高度为 30 km , 隐身能力很强。美国的 “曙光女神 ”高超声速侦察机
(Aurora) , 又名 “极光 ”, 是 SR - 71“黑鸟 ”战略侦察机之后新一代战略侦察机。据推测 , “曙光女神”侦察机全机长为32 m , 高为 7 m , 全载重为 83吨, 其中三分之二以上是燃料 , 具有超大功率发动机和流线型机身, 飞行高度 40 km 以上 ,飞行速度马赫数6, 甚至更快。
美国的高超声速侦察机 “黑燕 ”如战斗机般大小,动力系统由使用氢燃料的一台涡轮喷气发动 机和一台冲压式喷气发动机组合而成。首先涡轮喷气发动机把飞机的速度提升到 3倍音速 , 冲压式喷气发动机开始工作 , 并将巡航速度提升到 6倍音速。组合循环发动机取代火箭助推器提供动力,因此它可以像飞机一样起降。“黑燕 ”将是一种集很强的隐形、速度和高度于一身的无人侦察机。
(2) 高超声速轰炸机
计划研制中的高超声速轰炸机能把投到地球上任何地点并返回到原起飞点,能精确投掷 高爆或动能武器来实施打击,下一步将配 载高能激光武器或粒子束武器攻击目标 ,不需中途加油和在国外设置前进基地,飞行高度高、速度快、侧向机动性好 ,目前的防空武器很难打到它。“B - 3 ”是美国第一种高超声速 “B ”式隐形战 略轰炸机是近年来开始研制的可带核弹、5倍音速的新一代远程隐形战略轰炸机。其在性能指标上 , 要求隐形、高超声速、远程飞行等能力更强,飞行高度大于 30 km ,速度达到马赫数 5 ～6, 航程大于 11 100 km ,载弹量要达到或超过 B - 52的水平。B - 3采用了一系列新技术和新设备, 具有跟踪地形及抗核能力的机载雷达 , 并可在高超声速情况下使用远程导弹或激光波束武器。
(3) 高超声速验证机
从 1997年 3月起 , 美国波音公司开始研制 X - 43验证机。X - 43验证机有 A、B、C、D 系列型号。X - 43A 高超声速验证机是为探索航空航天领号。X - 43A 高超声速验证机是为探索航空航天领改装的飞行器。机身长 3. 6 m , 翼展 1. 5m , 重量约 1吨。安装在 “飞马 ”空射型火箭上 , 机头使用了钨 , 机翼用耐热合金 , 外表面覆盖了耐热陶瓷瓦片, 机翼和垂尾前缘使用了碳材料。发动机采用与飞行器结构集成的超声速燃烧冲压喷气发动机 ,燃料为气态氢。2004年 11月 16 日, X - 43A 进行试飞并取得成功 , 飞行马赫数10, 加速时间10 s, 是目前最快飞机速度的 3倍。X -51A 超燃冲压发动机验证器SED 计划也是高速打击要求的产物。X - 51A 验证机采用了SJX61 - 2 简称 X - 2 超燃冲压发动机 , 用于验证吸气式高超声速推进技术的可行性。该机采用了 楔形头部、升力体机身和腹部进气道 , 后部采用了4个控制面 , 长度为 4. 26 m , 空重约 635 kg,采用了乘波构型, 通过专门设计的尖锐头部 , 精确组织和分布所需的激波系, 所产生的压力直接作用于 机体下方 , 从而提供升力。头部采用了钨材料 , 外部覆盖了二氧化硅隔热层 , 以承受高温载荷。2009 年 10月 27 日, X - 51A 乘波体巡航飞行器在同一领域创造了新的飞行记录 , 它在超燃冲压发动机推进下飞行 5 m in, 飞行马赫数从 4. 7加速到超过6,验证了持续高超声速飞行是可行的。
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