美国高超声速武器发展战略研究

美国高超声速武器发展战略研究

几十年来，世界各国都在努力高超速技术。20世纪90年代，美国、俄罗斯、法国、德国、日本、印度和澳大利亚等国家取得了巨大的技术创新，先后进行了地面和飞机试验。高超声速技术已经从概念和原理探索阶段进入了以高超声速巡航导弹、高超声速飞机、跨大气层飞行器和空天飞机等为应用背景的先期技术开发阶段。目前,美国、俄罗斯、法国、德国、日本和印度等经过多年研究已取得不少技术成果,尤其在航天、航空、导弹等方面实施多项高超音速研制计划,以期获得最大的军事效益。一、美国高超声速试验研究美国自20世纪50年代开始研究吸气式高超声速技术。20世纪80年代中期,美国实施了采用吸气式推进、单级入轨(马赫数25)的国家空天飞机计划(NASP),由于在技术、经费和管理方面遇到了一系列的困难,NASP计划于1995年停止。从1985年到1994年的10年间,美国国家空天飞机计划(NASP)大大推动了高超声速技术的发展。通过试验设备的大规模改造和一系列试验,仅美国航空航天局兰利中心就进行了包括乘波外形一体化和超燃发动机试验在内的近3200次试验。通过这些试验掌握了马赫数小于8的超燃发动机设计技术,并建立了大量的数据库,从而为实际飞行器的工程设计打下了牢固的技术基础。实际上,30多年来,兰利研究中心一直在进行这方面的研究,曾经在8ft.(2.44m)高温风洞中研制和试验过22个发动机。在此基础上,美国于1996年开始,针对高超声速导弹、高超声速飞机和空天飞机的研制工作调整高超声速技术的研究目标,提出了更为现实的全方位的高超声速武器和先进航天器研制计划。其中涉及的内容主要有:1.年—“可担负得起的快速反应导弹演示”计划由于高超声速技术难度很大,军方近期集中目标加速发展高超声速巡航导弹。美国国防高级研究计划局(DARPA)正在执行“可担负得起的快速反应导弹演示”(AffordableRapidResponseMissileDemonstrator,ARRMD)计划,2004年进入工程制造发展阶段,2010年开始装备军队。高升阻比的乘波外形的导弹在空中发射或由战舰、潜艇发射,发动机用碳氢燃料,飞行马赫数6~8,发射重量910~1030kg,航程740~1110km,命中精度9m,预测每发价格为20万美元。ARRMD导弹主要用于摧毁坚固深埋的有防护目标和地下指挥部。2.年—海、空军的高超声速导弹计划美海军正在执行“高速打击导弹”(HighSpeedStrikeMissile,HiSSM)计划,巡航马赫数7,航程1100km,战斗部可以侵彻5~11m的混凝土,2004~2008年进行工程研制,2010年达到初步作战能力。空军正在实施研制高超声速巡航导弹的HyTech计划。这种导弹的命中精度在9m以内,制导方式为惯性制导+全球定位系统(INS/GPS),发射平台为轰炸机、战斗机或舰载垂直发射系统,巡航飞行马赫数为8,飞行时间约12min,航程为1400km。2000~2003年在阿诺德试验中心完成全尺寸的地面试验,2007年完成样弹的飞行试验,2010年完成整个计划。3.高超声速机动机动美国在发展导弹的同时,也在研究高超声速飞机,尤其是高超声速轰炸机。美国正在积极开展用于全球快速反应的高超声速飞机的概念和方案研究。军方认为,高超声速轰炸机将能使空军在数小时之内对世界上任何地点的目标实施打击。这样既无需花费大量资金把轰炸机、作战人员和武器运送到外国基地,又可省去在海外驻军带来的外交问题。目前,波音公司、洛克希德·马丁公司和诺思罗普·格鲁曼公司正在进行马赫数5~10的高超声速飞机的研究。一种高超声速攻击型轰炸机的马赫数为10,长65m,宽24m,航程14000km,起飞重量225t,装载量5000kg,用于执行全球性的战略使命。4.第一次飞行试验为了发展高超声速飞机技术,美国航空航天局正在进行高超声速飞行(Hyper-X)试验计划,实际上就是小尺寸的高超声速飞行试验验证机(X-43)计划。小尺寸飞行器X-43的长度为3.6m,宽度为1.5m,准备进行飞行高度为29~36km,马赫数分别为5、7、10的4次飞行试验。第一次飞行试验于2000年6月进行,马赫数为7,试验目的是验证双模态超燃发动机、一体化防热结构和材料,以及重复使用技术。这是航空史上以吸气式发动机为动力的首次高超声速飞行器试验。2004年3月和11月,美国连续两次对X-43A超高速无人驾驶飞机进行了第二、三次试验。在第二次试验中,X-43A超高速飞机的时速达到了8500km,接近7倍音速,一举打破了喷气式飞机的飞行速度纪录。在第三次飞行试验中,X-43A又打破了这一纪录,最高时速竟高达12000km,接近10倍音速。X-43A的高超音速技术对于未来信息化战争具有特别重要意义,它既可用于高超音速导弹、高超音速飞机,又可用于可回收的单级或双级轨道运载火箭等武器装备的发展上。5.发射阶段20s为了发展先进空间飞行器,美国正在开展先进空间运输计划(ASTP),以研究单级入轨技术。该计划用先进的“火箭/冲压组合循环一体化发动机”,通过“基于火箭的组合循环”(Rocket-BasedCombinedCycle,RBCC)技术加速飞行器,并使之进入地球轨道。其中,管道火箭用于起飞和低速飞行阶段,冲压式喷气发动机用于马赫数2.4~6的飞行阶段,超声速燃烧冲压式喷气发动机用于马赫数6~8、飞行高度42km的飞行阶段,常规火箭用于马赫数大于8的高空飞行阶段。通过这一计划,到2025~2030年,将使低轨道发射的价格降低为原来的1/100,即达到100美元/磅,同时可靠性增加1000倍。该技术目前已取得重大进展,美国航空航天局2003年确定了具体的试飞方案,2005年进行飞行试验。一种方案是在D-21飞机上安装RBCC发动机。D-21飞机是超声速高空侦察机SR-71的前身,全长12.8m,翼展5.8m,重5t,巡航高度26~29km,巡航马赫数为3。飞行试验时,D-21飞机被B-52飞机投下后,RBCC开始工作直到马赫数4,然后滑翔着陆,从而考核管道火箭与冲压式喷气发动机之间转接的可靠性。二、高超声速技术试验推进情况俄罗斯在高超声速技术领域仍处于世界领先地位。俄罗斯的高超音速技术同美国比肩,目前也处于世界领先地位,它是在前苏联原有的冲压发动机技术基础上发展起来的。冲压发动机工作时不需要涡轮,也不需要压气机,完全依靠自身的向前运动使空气在进气口中形成高压高速气流,并导致燃料燃烧而产生推力,因此必须将其从静止状态助推到适当的高速才能工作,但其结构比涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机简单。据有关资料,早在20世纪80年代,前苏联就制定了名为“冷”的高超音速技术发展计划,计划中飞行器的动力系统是一个轴对称的自主系统,由携带氢燃料的亚燃/超燃冲压发动机,燃料监控/测量系统和遥测系统组成。在1991~1998年间进行了5次飞行试验,飞行器由SA-5地空导弹发射,而在1998年2月与美国合作进行的第5次试验中,速度达到6.5马赫。5次试验中,除第3、4次出现过电子、机械故障外,其余3次都十分成功。鉴于俄罗斯的经济现状,试验都与国外合作,第2、3次是俄法合作,第4、5次是俄美合作。目前,俄罗斯有多家机构致力于高超声速技术基础理论研究,在亚/超燃冲压发动机、C/H燃料、耐高温材料、CFD技术及一体化设计技术等方面取得了重大突破,并且已经进入了高超声速技术飞行验证阶段。1991~1998年,俄罗斯曾进行过5次轴对称超燃冲压发动机的验证性飞行试验,最大飞行速度达到6.5马赫。由于轴对称亚/超燃冲压发动机在工程应用上会带来较多问题,为了研究更接近于实际的飞行器布局,俄罗斯研制了先进的“彩虹”(RADUGA)高超声速试验飞行器(即D-2飞行器),其设计飞行速度为2.5~6马赫,飞行高度为15~30km。此外,俄罗斯还正在研制IGLA高超声速试验飞行器,飞行速度为6~14马赫,全长7.9m,翼展3.6m。氢燃料超燃冲压发动机由3个模块组成,总长1.9m,质量为200kg。IGLA飞行器已做了大量的地面试验和风洞吹风试验,但尚未进行飞行试验。为了研究更接近于实际的飞行器布局,俄罗斯研制了先进的“彩虹”(RADUGA)高超声速试验飞行器(即D-2飞行器),它是用长11.3m、直径0.9m、翼展3.6m的AS-4空地导弹改装的,射程为570km,飞行高度为15~30km。发动机长度为6m,带二维进气道。D-2飞行器由马赫数1.7,飞行高度12km的飞机发射,然而用火箭加速。D-2飞行器的飞行马赫数为2.5~6,飞行高度为15~30km,用降落伞系统回收。虽然“冷”的高超音速发展计划已终结试验,但为高超音速吸气式冲压发动机的研究积累了数据,总结了经验教训。据外刊报道,目前俄罗斯还在研究一种飞行速度为6~14马赫的“鹰”高超音速试验飞行器,其试验计划是将试飞器安装在SS-19导弹的弹头位置,由SS-19运载系统垂直发射。根据设计要求,发动机模型飞行试验的飞行速度达12~14马赫,整个试验航程大约6000~8000km,但整个试验还需要投入大量的经费才能进行。因为每一种新的气动力学理论、新的结构方案、新的计算方法和新的试验方法都需要攻克许多技术上的难关。三、日本经济力量在美国经济强国的实施,主要有法国也小步快跑,已经把研制高超音速导弹作为高超音速计划应用的首选目标,计划中的高超音速导弹航程大于1000km,具有高升阻比外形,巡航速度为6~6.5马赫,使用双模态冲压发动机。自20世纪60年代以来,法国从未间断过高超声速技术研究。他们把航程大于1000km、高升阻比外形、巡航飞行马赫数6~6.5、使用双模态冲压发动机的高超声速导弹作为首选的应用目标。法国在这一技术领域中的重大进展包括:(1)1960~1964年期间,用两级火箭进行了10次飞行试验,煤油燃料冲压发动机重300kg、马赫数3~5、速度1230~1444m/s,高度13~19km;(2)1992年,在国防部等单位领导下,开始国家高超声速研究与技术计划(PREPHA);(3)1993年,法俄成功进行了马赫数6的联合飞行试验;(4)1994年进行了大流量氢燃料超燃试验,1997年进行了用于导弹的大流量(80kg/s)的煤油燃料超燃试验;(5)1997年,开始为期4年的德法联合研究计划,开发性能更先进的、马赫数2~12的双模态冲压式喷气发动机。1994年11月首次进行优化冲压式喷气发动机喷射性能的氢燃烧室试验(ChamberforOptimizationofScramjetInjection,CHAMOSI),马赫数6,时间为2min,气流总温为1800K,总压为8MPa,流量为80kg/s。在国防部等单位领导下,法国于1992年制定了国家高超声速研究与技术(PREPHA)计划。PREPHA计划历时6年,最后研制了Chamois超燃冲压发动机,并在6马赫的速度下进行了反复试验。此外,法国还研制了另一种超燃冲压发动机,并于1999年成功地进行速度为7.5马赫的地面试验。目前,法国正在实施的高超声速技术发展计划主要有两个,即高超声速技术综合演示与超燃冲压发动机计划和Promethee空射型高超声速巡航导弹计划。前者是法国宇航公司与俄罗斯合作的研究计划,目的是研制一个高超声速技术综合演示器(Edith)和1台速度可达12马赫的煤油/液氢双燃料超燃冲压发动机。Promethee高超声速巡航导弹是法国国防采购局资助的计划,由法国航空航天研究院(ONERA)和法国宇航——马特拉公司合作实施,目前已经对promethee的3个基础推进装置方案进行了评估。四、高超声速航天器日本的高超声速飞行器发展计划包括单级入轨和二级入轨的空天飞机和高超声速运输机。其单级入轨的动力装置是吸气式/火箭组合发动机,二级入轨的动力装置是以涡轮喷气/超燃冲压作为第一级,以火箭动力作为第二级,第一级飞行器加速到速度为6马赫时与第二级分离,高超音速运输机用涡扇/冲压组合循环发动机,速度为5马赫,高度为20km。1993年,日本航空宇宙研究所建成了一座超燃冲压发动机试验台,可进行马赫数4~8、流量40kg/s的工程性试验,从1994年至l998年共进行了150次大型氢燃料的工程性试验,掌握了点火、推力测量、燃料调节、发动机冷却等关键技术。日本正在实施的高超声速飞行器技术项目是两级入轨的航天运载器,第一级为高超声速运输机(HST),其飞行速度为6马赫。目前,日本正在研制HST的吸气式动力装置,并已进行了高超声速空气动力学设计。五、超声速冲洗发动机1998年,印度国防部启动了命名为AVATAR的小型可重复使用空天飞机计划。AVAR