10分钟就能打遍全球？难怪美军如此看重这款超级武器

【军武次位面】：风林火山

近日据美国媒体报道:中国再次成功进行高超音速飞行器的测试，其最大飞行速度达6马赫，最快于2020年就能服役。美国一方面大力渲染中国高超音速武器的威胁，另一方面却在大力发展本国的高超音速武器――HTV-2猎鹰和X-51驭波者，而目前X-51已进行多次飞行试验，那么这款助力美军全球打击的高超音速导弹究竟有多大的威力呢？高超音速飞行器究竟是怎样的武器呢？

▲HTV-2猎鹰

▲X-51驭波者

超燃冲压发动机

▲冲压发动机原理非常简单（傻子都能看懂）

说起高超音速武器就不得不提冲压发动机。冲压发动机的原理和技术并不复杂,但因其燃料效率远低于涡轮喷气发动机,为此只在一些导弹上得到应用。迄今为止,实用的冲压发动机都是亚燃冲压发动机——所谓亚燃冲压,是指燃烧室气流速度为亚音速。但就高速飞行而言,亚燃冲压却有着致命缺陷,由于需要依靠正激波将迎面而来的超音速气流减速为亚音速气流,减速过程中气流压力和温度急剧上升,飞行速度越高,亚音速气流的压力和温度就越高。8马赫时迎面气流空气动能高达3000千焦/千克,这个数字与典型碳氢燃料燃烧释放的热值相当,且高温下燃料还会分解,带来有效释放热值的降低,如5200K高温时,即使是简单的氢氧混合物也只能释放14%的能量用于加热。因此,亚燃冲压发动机一般工作在1-5马赫,超过5马赫效率就急剧下降。不仅如此,更高的飞行速度所带来的高温高压,对燃烧室材料性能的要求也超出了人类材料技术的极限。

▲采用冲压发动机的黄铜骑士防空导弹

但高温的难题可以用气流超音速流过燃烧室来解决,这就形成了超燃冲压发动机。由于气流减速不多,因此进气增温加压的程度不太严重,燃烧室可以使用现有材料实现,燃料高温分解的问题也可以得到缓解,但是超燃冲压发动机燃烧室气流速度太快,点火和稳定燃烧非常困难。对此,有这样一句著名的比喻,"超燃冲压发动机产生推力(包含点火和稳定燃烧)之难,不亚于在飓风中点燃一根火柴并保持不灭"。

▲超然冲压发动机另一个难题就是高温

自上世纪50年代开始超燃冲压研究以来,相关技术难关迟迟未能突破,几十年间甚至没有产生过正推力。相比之下,超音速燃烧室低超音速下温度过低的问题,倒是很好解决,在目前的试验阶段使用助推火箭直接加速到4.5马赫甚至更高速度,就避开了这个难题,此外还可以选择燃点较低的燃料。毕竟,超燃冲压发动机点火的难题,并不在于燃烧室温度低,而是气流速度太快。

尽管超燃冲压发动机存在种种技术障碍,但对于超燃冲压发动机的研究始终没有停止。早在1964年,美国开始超燃冲压发动机HRE的研究,作为更宏大的单级入轨航天飞机的技术验证项目。1967年10月3日,使用X-15验证机携带轴对称超燃冲压发动机的HRE模型进行飞行试验,飞行速度达到6马赫以上,不过由于HRE悬挂于Ⅹ-15外,激波交叉干扰下挂架出现结构性损坏,带飞实验没有成功。1968年,X-15计划终止,HRE飞行试验也随之取消。之后,美国航空航天局和空军开始新的高超音速验证机计划,编号为X-24C,分别用于8至12马赫和3至9马赫的高超音速研究。

▲高超音速武器研究还需要大型风洞（中国已建立）

尽管上世纪70年代高超音速验证机半途而废,超燃冲压技术研究陷入低谷,兰利研究中心仍新建了超燃发动机的实验设备,进行了2种超燃冲压发动机的风洞试验,这些成功的试验验证了超燃冲压发动机的性能、操纵性、控制系统和结构方案。1986年,美航空航天局、国防部和工业界联合进行NASP(国家空天飞机)项目。这个雄心勃勃的项目,要发展出一种以超燃冲压发动机为基础的单级入轨航天器,但由于技术障碍及设计过程中性能指标不断降低,预算和重量不断增加,原计划使用超燃冲压发动机达到25马赫实现直接入轨的目标,到第二阶段研制过程中,动力限制理论最高速度只能达到20马赫,而且考虑到防热结构问题,速度要限制在17马赫。

在冷战结束和苏联解体的时代背景下,美国不愿意继续支持费用高昂的NASP项目,在1995年初取消该项目。NASP的研制过程中,美国进行了数量可观的超燃冲压技术试验,得到了大量宝贵数据,不过直到项目取消,附面层气流紊乱与超燃冲压发动机无法产生正推力的问题,仍未得到解决。直到1995年,澳大利亚昆士兰大学才使用超燃冲压发动机在风洞中第一次在真正意义上实现了正推力。

▲X-51由B-52搭载

同年,美国空军开始高超音速技术计划,目标是验证4-8马赫范围内,射程1000公里左右的碳氢燃料超燃冲压发动机技术。2003年,世界上第一台燃料冷却的碳氢燃料超燃冲压发动机的地面测试,宣告完成。地面试验发动机(GDE-1)进行了4.5和6.5马赫的试验。2006年,在兰利研究中心进行了GDE-2的地面风洞试验,模拟马赫飞行,发动机燃烧时间超过300秒,这为X-51A的发动机研发积累了丰富的经验。随着2006年完成GDE-2发动机的测试,在兰利研究中心24米的风洞里进行了X-51A第一台试验发动机的测试工作,试验于2007年7月完成,验证了4.6、5.0和6.5马赫的模拟飞行环境。2008年10月,第二台发动机进行了地面测试,在4.6和5马赫环境下,多次工作累计达114分钟。

该发动机仍然采用燃料冷却技术,使用JP-7燃料冷却燃烧室,这意味着理论上只要燃料供应正常,发动机就能持续工作,第一次飞行试验的300秒工作时间,实际上是受到燃料携带量而不是散热的限制。X-51A的首飞时间几经拖延,迟至2010年5月26日才正式进行。当地时间上午10点,X-51A由B-52H载机释放,速度约0.8马赫,高度约1.5万米,固体助推器经过大约60秒的燃烧,将其加速到4.8马赫后在1.98万米高度分离。在超燃冲压发动机工作前,受空气阻力速度暂时降低到4.73赫,发动机启动后开始加速并爬高到2.1万米。但加速度最高只有0.15g,远低于原计划的0.22g。X-51A速度超过5马赫后,开始减速,具体原因未知。超燃冲压发动机工作140秒后失去了X-51A的遥测信号,安全官员决定终止这次飞行试验并启动自毁程序,此次试飞的速度也只达到了5马赫。尽管存在原因未知的加速减慢和燃烧时间缩短的问题,但长达140秒的超燃发动机工作时间,仍然是历史性的突破。

未来前景

▲美国一小时全球打击计划

对于战术高超音速打击来说,使用固体火箭助推器、超燃冲压发动机推力小和工作时间短都不是障碍,X-51A的发动机已经在模拟飞行环境的地面测试中达到了300秒的工作时间,首次试飞虽未能达到300秒工作时间的指标但后继几次试验,实现这个目标并不是太大问题。以6马赫速度300秒时间而言,仅仅是超燃冲压动力段的飞行距离就达到了600公里,加上火箭助推和高空滑翔的距离,足以满足10分钟内1000公里打击的目标。由此,战术高超音速打击能力对于美军而言似乎触手可及。

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