美国快速全球打击计划的终极目标美军高超武器乘波者X-51A的独特方案和技术透析

美国快速全球打击计划的终极目标美军高超武器乘波者X-51A的独特方案和技术透析

根据美国官方网站2009年12月11日的报道，波音公司开发的x-51a高超音速椭圆已经于2009年12月9日首次成功晋升。试验中x-51a的最高速度达到7倍的最快速度。一、sed-wr介绍X-51A是美国空军研究实验室(AFRL)与国防高级研究计划局(DARPA)联合主持研制的超燃冲压发动机验证机—乘波飞行器(SED-WR,ScramjetEngineDemonstrator-Waverider)。它由波音公司与普拉特·惠特尼(以下简称普惠)公司共同开发,由一台JP-7碳氢燃料超燃冲压发动机推动,设计飞行马赫数在6~6.5之间。这个计划的终极目标就是要发展一种比目前美国武器库中任何一种导弹的速度都要快5倍以上,可以在1小时内攻击地球任意位置目标的新武器。二、开发背景1.力量力量的建设“快速全球打击计划”提出于20世纪90年代,目的是让美军能在1小时内用常规武器打击地球上的任何目标。美国的“快速全球打击”计划将分阶段实施,近期实施海军“三叉戟”导弹的常规改装计划,中期实施海军的“潜射全球打击导弹”方案和空军的助推—滑翔式导弹方案,远期实施正在研究的“高超声速巡航导弹”等方案。见图2。该计划的关键在于“速度”,配套研制的各种飞行器都必须达到5倍以上的声速,其中最具代表性的就是X-51。2.x-97a与aflr公司的研究20世纪90年代中期,国家空天飞机(NASP)计划终止后,美国空军转而投资HyTech计划以延续其对高超声速技术的研究,HyTech后来衍变为HySet项目。这两项技术研究为X-51A的出台奠定了基础。2004年1月,AFRL选择波音公司与普惠公司共同制造SED-WR的验证机,由波音公司制造机身,普惠公司生产发动机。2005年9月,美国空军正式将该计划编号为X-51A。三、x-51a的独特方案1.试验目的及目X-51A计划的主要目的之一是对美国空军的HyTech超燃冲压发动机进行飞行试验。这种发动机使用吸热型碳氢燃料,能将飞行器的飞行马赫数从4.5提升到6.5。此外,还有以下目的:其一是获取超燃冲压发动机的地面及飞行试验数据,以加深对物理现象的理解以及开发可用于超燃冲压发动机设计的计算工具;其二是验证吸热式燃料超燃冲压发动机在实际飞行状态下的生存能力;其三是通过自由飞行试验来验证超燃冲压发动机能够产生足够的推力。虽然X-51A计划的主要部分是进行推进试验,但它不仅仅是一个对HyTech超燃冲压发动机的测试计划。发动机与飞行器的整合需要两方面研究过程的协调发展:高超声速推进飞行试验以及航空器的研发。另一方面,航空器的研发过程也具有同样重要的意义。2.首次开启发动机运营2007年6月,波音公司的X-51A骑波超燃冲压发动机验证机完成了关键设计评审(CDR)并首次点燃发动机,这是首次飞行所必须的两个项目里程碑。由美国空军、国防预先研究计划局、NASA、波音公司和普·惠公司罗克达因分公司组成的集团目标是,通过X-51A项目验证高超声速飞行能力。CDR评审让政府和工业界的官员评审和证实飞行器的设计、装配、一体化和飞行试验计划。3.燃料性能测试试验美国空军的HyTech计划已经为发动机系统完成了许多基础性的开发。HyTech部件的研发试验包括:燃烧室直连式试验、进气道/隔热装置模型实验、模拟燃烧室条件下热载荷热交换器子部件测试、燃料分配阀性能测试以及HyTech燃料系统与软件的闭环测试。在完成这些部件验证试验后,空军又启动了一系列更大也更为复杂的自由射流试验,包括2001年对性能测试发动机(PTE)进行的试验,2003年第一台碳氢燃料超燃冲压发动机———GDE-1(GroundDemonstrationEngine1)自由射流试验的完成,以及2006年GDE-2的测试。这些技术研究为X-51发动机的研发积累了很有价值的经验。4.x-2发动机X-1发动机的验证。2007年5月,在NASA兰利研究中心首次完成了X-1发动机的模拟飞行试验。在成功点燃X-1发动机验证机期间,工程师用全权数字电子发动机控制器(FADEC)来模拟马赫数5的空速,经历了大约40多次循环,马赫数从4.6逐渐增加到5.0,最后增加到6.5。据介绍,发动机的性能超过预期,这是该项目开始迈入实际应用的重要一步。X-2发动机的验证。在X-1发动机验证之后,又进行了多次验证。截止2008年9月1日,普惠·洛克达因公司设计的SJX61-2“飞行重量”超燃冲压发动机已经完成了第11次试验,该发动机简称X-2,代号为“放飞发动机”,是X-51A飞行器所采用的系列发动机的一种(该发动机项目之前称为HySET计划),它于2001年就已经开始地面试验。5.x-65b热喉道冲洗发动机据波音的项目经理介绍,波音公司同时还在设计X-51从B到H的不同型号。设想的X-51B将以一台Alliant技术系统公司的热喉道冲压发动机为动力装置,这是一种简单化的亚声速燃烧发动机,设计用来维持马赫数5的巡航飞行。波音已完成了“相当详细”的X-51B的安装计划,ATK正打算开始进行发动机的地面试验。四、x-51a的独特技术1.x-50发动机基础结构作为乘波者的X-51A,机体外形有一个扁平的头部、弹体中部设有4片可以偏转的小翼(襟翼),进气道在腹部。其设计原理主要是从一个给定的、有激波系的三维超声速流的解析解或数值解的流面中,沿着流线切割出一个尖顶三角外形的锥形体作为飞行器的外形,由此得到的乘波飞行器构型是一种在其所有的前缘都具有附体激波的声速、高超声速飞行器构型。乘波构型设计有助于X-51发动机的燃烧过程。乘波构型具有以下优点。(1)乘波构型的上表面与自由流平行,所以上表面的压差阻力较小,而下表面在设计马赫数下受到一个与常规外形一样的高压。(2)飞机下表面在激波后的高压不会绕过前缘泄漏到上表面,波后高压与上表面低压之间没有压力沟通,这使乘波构型和普通外形相比具有很高的升阻比。(3)来流经激波压缩后,沿着压缩面的流动被限制在前缘激波内,形成较均匀的沿下表面流场,可以消除发动机进口处的横向流动,利于提高吸气式发动机的进气效率,同时使得这一构型便于进行弹体/发动机/进气道一体化设计。(4)由于上下表面没有压力沟通,飞行器上表面和下表面的流场不存在干扰问题,上下表面可以分开处理,有效地简化了飞行器的初步设计和计算过程。乘波构型与超燃冲压发动机的一体化设计可以得到性能优越的高超声速乘波飞行器。2.高温下的飞行为了适应高超声速的飞行以及从空间直接再入大气层的飞行,飞机的表面要能承受高达4500℃的高温。为此,整个机体涂覆了一层耐热烧蚀材料,特别在验证机的腹部覆盖了与航天飞机一样的隔热瓦。3.重携带重载荷X-51A采用的是吸气式超燃冲压发动机,与采用火箭发动机相比,其效率更高、航程更远,所携载荷也更重。由于这种发动机从空中吸收氧气来保持推进,不需要像火箭发动机那样必须同时携带占据非常大发射重量的燃料和氧化剂。此外,因为超燃冲压发动机只有很少的活动部件,所以,即使在非常苛刻的工作环境内,它们的工作至少与涡轮发动机一样可靠。4.和盐-7喷气燃料混合点火燃烧燃气X-51A的超燃冲压发动机在飞行过程中的点火是很复杂的,首先通过进气道的压缩空气在经过一个隔离段后,将气流调节到适合于燃烧室工作需要的稳定压力,随后和雾化了的JP-7喷气燃料混合点火燃烧。由于当流入燃烧室的气流速度在马赫数4.0或更高时,JP7燃油将无法依靠自身点燃,所以还必须掺混乙烯液体,点火首先从机载容器内的少量容易燃烧的乙烯的点燃开始,并将乙烯注入到燃烧室内与JP7燃料二者混合后,导致燃料的燃烧。5.碳氢燃料pwrX-51A验证机采用的是碳氢燃料,这与SR-71“黑鸟”高空侦察机所采用的J58涡轮冲压喷气发动机使用完全一样的JP7航空燃料。这种碳氢燃料是一种现成的燃料品种,不易点燃、不易挥发,可以较容易地储存。PWR公司X-51A项目的经理解释说,碳氢燃料要从发动机结构中吸收一定的热量,因此可以让燃料流过一个热交换器来冷却发动机结构,然后提供给燃烧室。据介绍,这种热交换器是一种直接加工在发动机壳体壁面内的沟槽,这不仅用于冷却1650℃以上的燃烧室,还可以通过对燃料的预先处理,将其转变为一种热燃气状态,与其处于液体形态下相比,可以多增加10%以上的能量。五、高超声速飞行X-51A采用“乘波体”技术,这是一种新颖的飞行机制,和通常飞机采用机翼产生升力的机制迥然不同,特别适宜于在大气层边缘以高超声速飞行,一个多小时就可以从西雅图飞到北京,具有不可估量的军事威慑力。亚轨道高超声速飞行器的飞行轨迹像飞机一样不可预测,而且没有反复绕地球的事情,可供拦截的窗口也稍纵即逝,拦截难度大大提高。然而,像X-51A这样的亚轨道高超声速飞行器也存在自身难题。1.发射条件:主导力量+超声速燃烧冲压发动机第一是飞行器离不开母机挂载。亚轨道高超声速飞行器不仅有亚轨道高超声速飞行段,还有在低空低速起飞、着陆和机动的飞行段,气动设计必须综合考虑各方面的要求。现在的航空航天技术还没有解决这一问题,X-51A还是靠B-52携带升空,取得一定的速度和高度后再靠自身动力加速到亚轨道飞行的。航天飞机没有完全实现水平起飞、水平着陆和加油后就可再次起飞的初衷。第二是超燃冲压发动机还未取得突破性进展。X-51A动力系统的技术关键在于超燃冲压发动机,这是航空发动机的技术前沿。所以,第二大问题是动力。超声速燃烧冲压发动机的工作窗口极其狭窄,错过一点点,超声速燃烧就不能维持。在另一方面,温度升高使声速升高,不及时补偿的话,也会破坏超声速燃烧的条件。目前美国的X-51A代表超声速燃烧冲压发动机的最高水平,但飞行的持续时间只有300秒,离实用化还差距很远。X-51A的火箭助推是实验性的,实用中可能用冲压发动机将飞行器加速到5倍声速以上,超声速燃烧冲压发动机才能开始工作。2.高超声速武器的研发设计基本要求为X-51A代表了航空技术的最前沿,一旦投入使用,它将实现快速全球打击计划的目标“两小时到达世界任何地方”,虽然目前X-51A离实战化还有很远的距离,但我们必须对高超声速飞行器加以足够的重视,必须将发展高超声速武器纳入武器装备发展的长远目标。具体而言,可从以下方面入手。(1)高超声速技术的研究试验计划是一项复杂的系统工程,必须做好顶层设计和加强总体协调工作,进行关键技术攻关,在决定研制实用飞行器系统前,还需要进行全尺寸、与机体综合的发动机飞行演示验证;(2)必须进行深入的设计及需求论证以确立对高超声速武器系统的作战需求,并确定具体的设计目标;(3)不要低估费用