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战争利器:高速临近空间飞行器

2016-01-26 10:00  来源: 战略前沿技术

高速临近空间飞行器是指飞行速度不小于Ma 3的一类临近空间飞行器,具有快速响应、超强突防、灵活机动等特点,是一种兼备战略威慑和实战应用能力的新概念武器,对于慑止强敌、控制危机和打赢战争具有重要作用,是美俄等军事大国竞相发展的利器。

根据有无动力以及动力的种类不同,高速临近空间飞行器可分为无动力型(无动力滑翔飞行器)、航空动力性(高空高速侦察机)、超燃冲压动力型(高超声速巡航飞行器)、火箭动力型(亚轨道飞行器)、组合循环动力型等几类。

 

高空高速战略侦察机

 

高空高速战略侦察机是以航空发动机或航空发动机与冲压发动机组合为动力的一类高速临近空间飞行器,它是迄今唯一投入使用的一类高速临近空间飞行器。主要包括美国有人驾驶的U-2“黑寡妇”侦察机和SR-71“黑鸟”战略侦察机,无人驾驶的D-21战略侦察机和SR-72高超声速侦察机。

 

美国SR-71“黑鸟”有人驾驶战略侦察机背负D-21无人侦察机。

 

U-2是美国空军一种采用涡喷式航空动力的单座高空侦察机,能在21km高空全天候执行战略或战术照相侦察和电子侦察任务,1955年完成首飞,1956年开始装备美国空军。U-2机载设备包括有8台能全天候工作的全自动照相机和4部雷达信号接收机、无线电通信接收机、辐射源方位测向机、电磁辐射源磁带记录机等。美国空军和中央情报局用U-2来侦察敌后方战略目标,几十年来曾侦察过苏联、古巴、朝鲜、中国和越南等国家,为美国决策者提供重要情报。U-2的改进型U-2R飞机最大巡航高度可达27km,最大航程8830km,曾参加过海湾战争,被用作战术侦察机。

SR-71是第一种成功突破“热障”的实用型喷气式飞机,能够以Ma 3.5的速度在25km高空飞行并能进行空中加油,续航时间很长。其机身采用轻质、高强度的钛合金作为结构材料;机翼等重要部位采用了能适应受热膨胀的设计,因为SR-71在高速飞行时,机体长度会因为热胀伸长30cm以上;油箱管道设计巧妙,采用了弹性的箱体,并利用油料的流动来带走高温部位的热量。由于维护费用过高,SR-71在20世纪80年代末退役,转给美国航空航天局作高空高速科学研究用,但在海湾战争中曾重新服役,于1998年最终退役。

 

X-43项目是美国探索超燃冲压发动机技术的先手,为美国抓紧抢占临近空间赢得了先机。

 

D-21是在20世纪60年代由美国洛克希德·马丁(洛马)公司“臭鼬工厂”在研制SR-71的同时研制的。美方对该机极为保密,直至1994年才公开该型号。该机是一种一次性使用的战略无人侦察机,巡航速度为Ma 3.25,实用升限29km,最大航程达5550km,用于对敌后方的各种军事设施进行高速战略摄影侦察。该机通常由B-52吊挂起飞,投放后由火箭助推器加速至Ma 3.28,其携载的冲压发动机开始工作,使飞机爬升至24~25km,在24km以上飞机保持Ma 3.4做长时间侦察飞行。侦察完成后返航至回收区,将特设舱用降落伞回收,飞机自毁。

SR-72是美国洛马公司于2007年提出的新型战略隐身多用途飞机概念,以“航空涡轮发动机+超燃冲压发动机”为动力,巡航速度可达Ma 6,最大飞行速度是SR-71“黑鸟”战略侦察机的近两倍,将成为人类制造的“最快飞机”。SR-72的最大优势是结合了速度与隐身,集情报搜集、侦查、监视和打击等多种作战能力于一体,可满足美军在2h内对全球任何目标进行侦察或打击的任务要求。美军计划2018年开始研制SR-72缩比验证机,2023年首飞,2030年服役。

 

无动力滑翔飞行器

 

无动力滑翔飞行器可采用火箭从地面发射或机载发射,利用火箭动力加速到一定速度后与助推火箭分离,开始无动力再入滑翔,在滑翔过程中可依靠气动升力在中段进行横向机动,在末段进行俯冲机动,飞行轨迹具有很大的不确定性,难以有效拦截。主要包括美国“通用航空飞行器”和“高超声速技术飞行器”。

2003年6月,美国国防预研局(DARPA)和美国空军联合制定了“猎鹰”(FALCON) 计划,旨在发展从美国本土对全球快速响应和精确打击的能力。该计划中拟研制的“通用航空飞行器”(CAV)可由多种运载和发射平台携带,从空间轨道或亚轨道再入,主要在临近空间内作无动力的跳跃滑翔飞行,具有较大的航程和大范围的横向机动能力,可运载多种载荷,对地面和空中目标实施精确打击。CAV巡航高度一般在30km以上,可以不经他国许可飞越其上空,能减少美军海外部署基地的花费,有效提高打击系统的安全性。同时,CAV以其良好的升阻比气动特性,航程5560km(增程型CAV的航程增加到16700km)、横向机动距离1480km(增程型CAV的横向机动距离5560km),在迅速抵达目标位置后,还可随情况变化重新调整作战目标或停止打击。CAV可以装载454kg的弹药,弹药从高空高速下落,预计会产生约1200m/s的冲击速度,对加固和深掩目标极为有效,可攻击摧毁弹道导弹发射阵地、化学武器工厂、深埋地下的敌方指挥所和“斩首”行动对应的目标等。CAV还可携带情报、监视和侦察载荷,在相对卫星较低的高度上,既具有足够的覆盖面积,又能清晰、高效地提供所需信息。装备增程型CAV后,美军可不必兴师动众出兵海外,就可以在接到命令后的2h内,从本土向隐藏在地球任何角落里的对手发起进攻。

在2005年CAV研究被叫停后, DARPA和美国空军修改了“猎鹰”计划的内容,重点研制试验HTV验证飞行器。修改后的“猎鹰”计划原设想渐进发展HTV-1、HTV-2和HTV-3三种验证飞行器(其中HTV-1和HTV-2为无动力滑翔飞行器,HTV-3为有动力飞行器),后来HTV-1被取消、HTV-3被搁浅。2010年4月22日和2011年8月11日,HTV-2开展了两次飞行试验(最高飞行速度超过Ma 20),但均告失败,使“猎鹰”计划受到重大打击。此后,DARPA转而支持“一体化高超声速”(IH)计划,继续发展、完善和试验飞行速度超过Ma 20的高超声速机动飞行技术。

 

高超声速巡航飞行器

 

高超声速巡航飞行器是以超燃冲压发动机为动力、可在临近空间作巡航飞行的一类高速临近空间飞行器。目前,美、俄、英、法、德、日、印等世界主要航天大国都在加紧开展超燃冲压发动机技术攻关,为研发高超声速巡航飞行器提供动力,主要包括美国Hyper-X、HyFly、HyTech和俄罗斯“针”、“鹰-31”等计划。

Hyper-X计划是由美国航空航天局(NASA)于1997年开始实施,目标是通过一系列飞行试验,验证可用于高超声速飞机的超燃冲压发动机技术和一体化设计技术。整个计划包括研制X-43A、X-43B、X-43C、X-43D四种验证飞行器进行飞行演示。第一阶段主要进行X-43A的氢燃料超燃冲压发动机的地面和飞行试验,包括Ma 7和Ma 10两个速度目标。2001年6月,X-43A进行了第一次Ma 7的飞行试验,由于用于助推的“飞马座”火箭出现故障,试验失败。2004年3月27日,X-43A进行了第二次Ma 7的飞行试验,取得成功,在Ma 7的速度下飞行了8s,首次实现了超燃冲压发动机推动下的高超声速飞行器的自由飞行。2004年11月16日,X-43A又成功地进行了Ma 10的飞行试验。

 

美国的临近空间高超声速飞行器发展的落脚点最终仍是快速打击武器。

 

HyFly计划是由DARPA和美国海军研究实验室联合开展的为期4年(2002—2006年)的研究项目,目的是通过飞行试验验证以液体碳氢燃料超燃冲压发动机为动力、在27km高度巡航、飞行速度为Ma 6.5、射程为1100km的高超声速导弹方案。2003年,HyFly进行了多种速度(Ma 3.5/4.1/6.5)和重要状态的超燃冲压发动机自由射流地面试验,2005年12月10日首次实现了碳氢燃料超燃冲压发动机飞行试验。

HyTech计划是美国空军于1995年提出的,由美国空军研究实验室(AFRL)实施,目标在于对Ma 4~8的碳氢燃料超燃冲压发动机的可控性、性能和结构耐用性进行地面试验,进而为高超声速巡航导弹提供动力技术。2013年5月1日,HyTech计划资助的X-51A验证机在经历了三次飞行试验失败后,第四次飞行试验获得成功,飞行了200多秒,超燃发动机将飞行器从Ma 4.8加速到Ma 5.1。X-51A的成功将为AFRL的“高速打击武器项目”(HSSW)提供助力。

在美国“猎鹰”计划中设想的高超声速巡航飞行器(HCV)使用吸气式超燃冲压发动机,在40~60km高空以类似正弦波的轨迹在大气层边缘飞行。飞行时的工作过程为:利用超燃冲压发动机,先上升到40km高度,然后关闭发动机,利用惯性继续爬升到60km的顶点,尔后变成下降滑行;当高度降到35km左右时,发动机再次工作,重新爬升。美国空军计划在2025年研制成功具备在1h内打击16000km以外目标的HCV,并为未来进一步发展空天飞机奠定基础。

“针”计划是由俄罗斯中央航空动力研究院和中央空气流体力学研究院共同承担的超燃冲压发动机飞行试验计划,试验飞行器采用升力体布局,在机体下方配置矩形三模块氢燃料超燃冲压发动机,可在Ma 6~14、高度25~50km的工作范围内进行飞行验证。试验飞行器拟由洲际弹道导弹改装的助推器加速到预定速度后分离,然后在超燃冲压发动机推进下自主完成飞行试验。

“鹰-31”计划的试验飞行器由俄罗斯SA-10地空导弹改装而成,挂载在米格-31飞机腹部发射架上。在试验飞行器外侧,对称安装两台超燃冲压发动机。米格-31在15km高空以大于Ma 2.5的速度发射试验飞行器,试验飞行器可进行Ma 2~10、高度15~40km范围内的飞行验证,超燃冲压发动机试验时间可达40s。

 

亚轨道飞行器

 

亚轨道飞行器是采用火箭发动机加速、可在临近空间高层(亚轨道)飞行的一类高速临近空间飞行器,可用作亚轨道商业旅游观光平台,或作为两级部分重复使用航天运输系统的第一级或远程打击投送平台,能像飞机一样返回地面,可重复使用。目前主要包括美国“太空船一号”、XS-1和俄罗斯的C-21。

2004年6月21日,“太空船一号”由一架名为“白骑士”的喷气式飞机搭载升空,在高空释放后,火箭发动机点火,将“太空船一号”加速至Ma 3左右,垂直攀升至约50km高空,在火箭发动机关闭后,“太空船一号”凭惯性再向上冲到离地面约103km的高空,并在这个高度停留数分钟后,开始自由下落。当“太空船一号”下落至约60km高度时,它的机翼后半部和两个尾翼均向上旋转,直至跟船身成直角,以帮助船体减速;重新进入低空后,尾翼将旋转回原来位置,飞行员驾驶着没有任何动力的太空船滑翔后,像普通飞机一样降落。这种亚轨道飞行除用于近太空商业旅游外,在军事上可用于对地侦察、监视和精确打击。

2013年美DARPA发布XS-1试验性飞行器招标公告,目标是以液氧煤油火箭发动机为动力,能够进入临近空间以Ma 10的速度飞行,并可将1800kg有效载荷送入低地球轨道,单次发射成本不超过500万美元,可在10天内完成10次发射任务。波音、诺斯罗普·格鲁门和马斯腾航天三家公司均在2014年7月和2015年8月获得DARPA的资助,用于开发XS-1计划1B阶段的概念方案。预计XS-1的首次轨道发射任务将于2020年进行。

C-21是俄罗斯在已研制成功的M-55型高空飞机的基础上开发的亚轨道飞行器。M-55飞机飞行高度可达21km,目前主要用于高空大气探测。C-21位于高空飞机的“背”部,当高空飞机背着C-21加速飞至距地面17~19km的高空时,C-21与高空飞机分离,然后点燃火箭发动机,将C-21送到100km飞行高度。C-21的用途与美国“太空船一号”相似。

 

技术挑战

 

总体上看,目前国外高速临近空间飞行器及其动力系统的发展已从实验室研究阶段进入飞行验证阶段,但真正投入使用的装备还很少。这是由于高速临近空间飞行器的飞行环境十分严苛,不仅需要在飞行器总体设计概念上要有所创新,而且在先进推进技术、热防护技术、导航制导与控制技术等方面也要取得重大突破。

高速临近空间飞行器特别是高超声速巡航飞行器,作为航空技术与航天技术相结合的产物,兼具航空飞行器和航天运载器的某些特征,同时又与二者有着显著区别。由于高超声速飞行器飞行包线、推进方式和性能要求与传统的航空器和航天器均有明显的不同,致使该类飞行器的总体设计也面临着前所未有的挑战。高超声速飞行器飞行速度范围大,总体设计上多采用发动机/机体一体化设计,涉及多门相互耦合的学科,且设计变量灵敏度高,可行裕度小,设计空间又高度非线性,这些特性都导致高超声速飞行器总体设计面临困难和挑战。

先进推进技术是支撑高速临近空间飞行器实现长时间巡航、远程快速到达和对地精确打击的核心技术。其技术挑战主要表现在火箭发动机必须能长时间点火和可重复使用,吸气式发动机必须长时间可靠工作,组合式发动机必须一体化设计。虽然先进推进技术目前已取得重大进展,但要真正工程应用还有相当大的差距。

高速临近空间飞行器要跨越亚声速、跨声速、超声速甚至高超声速四个阶段,即使在稀薄大气层,气动加热也非常严重。为了保持高的升阻比和良好的气动外形,飞行器外表面各个部件均不允许产生明显烧蚀,否则将直接影响飞行距离和打击精度,这对耐久性热防护和热结构设计提出了苛刻要求。同时,飞行器长时间(可达2h)巡航会带来总加热量大的问题,轻质高效隔热材料成为热防护最为关键的技术之一。从目前来看,轻质高效热防护技术已成为发展高速临近空间飞行器难以逾越的技术瓶颈。

导航、制导与控制(GNC)系统是高速临近空间飞行器稳定飞行、准确命中、顺利完成任务的关键。大范围机动能力、恶劣的飞行环境和特殊的作战应用模式,给高速临近空间飞行器GNC系统提出了更高的要求。主要技术难题包括长时间大机动自主导航、对气动干扰等造成的各种误差具有鲁棒性的新型在线任务规划与精确制导、高动态姿态控制等。

高速临近空间飞行器具有速度快、航程远、突防能力和精确打击能力强等显著特点,备受军事大国的青睐,各种研究和发展计划层出不穷。目前高速临近空间飞行器正向飞行速度更快、飞行距离更远、机动能力更强的方向发展,但必须攻克总体设计、先进推进、热防护、飞行控制等技术难题。可以预见,高速临近空间装备有可能在未来10~15年陆续投入使用,必将成为军事大国打破战略平衡、把握战略主动、打赢高技术战争的新型杀手锏。

 

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作者:   [责任编辑: 吕芮光]

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