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    一項70年前的概念,現在還是航空科技的極限挑戰?

        10月8日,美國《防務新聞》周刊網站報道,美陸軍已經完成了對首批高超聲速武器裝備的接收工作。

        這一系統名為“暗鷹”(Dark Eagle),由洛馬公司研發并生產。該裝備包括武器組操作中心、4臺運輸-起豎-發射車以及卡車和掛車,它們構成陸軍遠程高超聲速武器(LRHW)的地面設備。據報道,“暗鷹”導彈的航程為2773千米(1723英里),最高速度可達馬赫數5。

        日前,美國、俄羅斯等全球航空強國都為研發、列裝高超聲速裝備投入了巨大的資源,對高超聲速裝備的追求已經形成了一股新的防務競爭態勢。

        相較于“超聲速”來說,速度快到什么程度才能算“高超聲速”?這個問題并沒有全球統一的標準。但目前業界的共識是高超聲速裝備的速度通常要達到或超過馬赫數5。

        雖然人類在70多年前就完成了對高超聲速的突破和有限利用,但是直到今天,大氣層內的高超聲速飛行依然是最尖端的極限挑戰。

    奠定航天基礎 高超聲速飛行的起始

        如果不附帶一些“奇奇怪怪”的要求,譬如必須長時間、長距離飛行等等,單純地突破馬赫數5以上的速度并沒有過多的困難——這是突破第一宇宙速度的必經之路。沒有突破高超聲速飛行的能力,就不會有如今人類的航天事業。

        1949年2月24日,美國進行了一次改裝試驗:在原德國V-2導彈的頂端,加裝了一枚名為“WAC下士”的細長火箭,打破了以往各國的設計慣例,形成了二級火箭結構。

        這枚被命名為“保險杠(Bumper)”的火箭,在5638千米/時速度、161千米高度時啟動了二級發動機,并最終實現了8288千米/時速度、393千米高度的紀錄。

    發射升空的“保險杠”,注意其頂部細長的二級火箭

        在在這個過程中,“保險杠”火箭的第二級成功突破了馬赫數5,成為了歷史上第一次進行高超聲速飛行的人造物體。在多級動力思路被成功驗證、并取得了巨大成功后,航天火箭在上世紀50年代迎來了爆發式發展。

        1961年4月12日,蘇聯的“東方1號”宇宙飛船在制動火箭的減速輔助下,以超過25倍聲速的速度進入大氣層,并在30分鐘后安全降落地面。這是人類歷史上第一次完成載人高超聲速飛行。

    加加林少校不僅是太空第一人,也是載人高超聲速飛行的第一人

        這兩次高超聲速飛行的實現,分別依賴于多級火箭設計和重返大氣層技術,而它們構成了整個人類航天能力的基礎。

    “大力出奇跡”載人高超聲速飛行

        上世紀50年代之后,全球航空領域被這樣新的靈感所啟發:既然火箭能實現高超聲速飛行,那么飛機一定也可以!正是在這樣的背景下,美國的X-15驗證機誕生了。

    X-15驗證機

        雖然被稱為“飛機”,但X-15的本質,其實是一架以單級動力、空基發射的載人火箭為主體、被添加了機翼和起落架(另其能夠在常規跑道著陸)的一個奇怪產品。

    X-15驗證機

        X-15先后使用過兩種液體火箭發動機:早期使用XLR11發動機,燒酒精和液氧;后期使用XLR99發動機,酒精被液態氨所替代。使用火箭發動機在當時是唯一的選擇——即便在今天,高速下的吸氣式動力系統依然是航空航天領域一個巨大的技術難題,人類對這一領域的研究至今都停留在非常初級的階段。

    著陸事故中損毀的X-15-2號機

        X-15創造了馬赫數6.72的載人飛行紀錄,并一直保持到現在。不過X-15的載人飛行與當時機載設備技術的局限性有關。

        而今,隨著機載設備技術的進步,大量試飛驗證任務可以實現自動化控制、并及時將各種數據發回后方,試飛驗證任務對載人的需求大大降低,更直接減少了人員傷亡風險。也因此,在眼下的高超聲速武器研發熱潮中,載人成為了毫無必要的功能。

        從今天的角度來看,X-15奇跡般的性能,更多源于不計代價地增大火箭發動機推力實現,而在航程、載荷等能力方面卻乏善可陳;氣動外形等設計思路也不足以支撐此類飛行器的實用化。

    更高效、更持久 新一代高超飛行器

        而今,在如X-43這樣的新一代高超聲速飛行器設計中,類似X-15的設計已經很少見了。

        X-43體現了近年來典型的高超聲速設計思路:機身狹長扁平、僅有尾翼、帶有腹部進氣口。這種“機體/推進系統”一體化的設計思路也讓現在的高超聲速飛行器擁有了X-15所無法實現的高效率、持久遠距離飛行能力。

    飛機超聲速飛行產生的激波是高速阻力的主要來源

        在這類飛行器中,發動機被安裝在后機身下方。但實際上,完整意義上的“發動機”還同時包括了它所在前后的整個機身下表面:

    高超聲速飛行器普遍使用前機身作為壓縮面,氣流會在前機身和進氣道產生的激波中不斷減速,最后才參與燃燒。

        在高超聲速狀態下飛行時,氣流通過機頭時會形成非常強烈的激波。前機身下表面的激波一方面使迎面而來的高速氣流壓縮、減速,使它能被發動機所適應;另一方面,它形成的高壓力也提供了飛行器所需的的大部分升力——這就是這類飛行器通常沒有大面積的獨立機翼。

        而后機身的下表面,則實際上形成了一個虛擬的“噴管”結構;發動機排出的燃氣,主要的膨脹加速過程就在這段區域中實現——絕大部分推力,都是在這里形成的。

        很顯然,相較于X-15,X-43這樣的新一代飛行器在設計思想和技術運用上都要先進得多:吸氣式的發動機,使飛行器不再需要自備氧化劑,極大減少了對機身內容積和重量的占用。機身同時起到了機翼、進氣道、噴管的作用,極大地減少了飛行阻力和重量。

        當然,高超聲速飛行器的設計路線遠不只有X-43所代表的這一種。但從根本上講,只有效率更高、更能解放出空間和重量改善載荷航程能力的設計方向,才能使高超聲速飛行器發展到真正的實用化階段。這也是未來所有設計路線的共通目標。

    滑翔類飛行器先行 最先實用化的高超飛行器類型?

        隨著飛行速度的不斷提高,動力系統往往本身就會成為飛行器最大的阻力源頭。正如螺旋槳動力無法支持超聲速飛行一般,包括渦噴和渦扇發動機在內的渦輪發動機,也并不適合馬赫3以上的持續飛行。這種問題在今天依然困擾著高超聲速飛行器,并且一直是最大的核心難題。

        在主要飛行速度超過馬赫數2.5之后,飛行器通常會選擇沖壓發動機作為動力。在馬赫數3這個級別的速度上,飛行器還可以通過進氣道,讓迎面氣流進入燃燒室時的速度降低到亞聲速范圍;但是速度繼續提高,一旦到馬赫數5,這種亞聲速燃燒的設計就無法適用了。

        在高超聲速飛行器上,發動機必須采用超聲速燃燒設計。但火焰的生成和傳播也是有速度極限的,超聲速燃燒意味著在非常有限的空間內,燃燒過程必須要在幾毫秒甚至1毫秒的時間內完成。這種情況下要保證發動機的穩定工作,難度遠遠超出在龍卷風中點燃一根火柴,并讓它持續燒完。

        而從目前各國的實際進展看,超燃沖壓動力依然遠未發展成熟。

        從這個難點來看,也許未來首先進入實用階段的會是無動力滑翔設計的高超聲速飛行器——由于避開了吸氣動力這個最大的技術難點,而且存在極大的軍事性能需求,將成為最先付諸實用的一類產品。

        無動力滑翔設計的高超聲速飛行器能夠應用在中遠程彈道導彈上作為彈頭的載具形式時,具備極大的性能優勢——相較于傳統的彈頭,高超滑翔設計能形成差異極大、非常難以預料的飛行軌跡,能對現有的防空反導系統形成極其巨大的突破威脅。

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