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空軍專家談X-51A:高超聲速試驗緣何屢失敗
華夏經緯網   2012-10-09 14:38:08   
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  當作戰飛機突破“音障”後,飛行器的速度似乎已經沒有了上限,美國不斷創造並越來越習慣航空領域的“速度奇跡”,不斷向10倍,甚至20倍音速的方向發展。但近期X-51A試飛失敗,似乎將美國人對於高超聲速的夢想拉回到現實。那麼,美國高超聲速飛行達到什麼水準,又遇到了哪些阻礙呢?請看科技日報特約專稿——高超聲速試驗緣何屢遭失敗

  由於速度對飛行器作戰效能的極大提升作用,一直以來,“更快”就是美國航空領域不斷追求的目標之一。

  當作戰飛機突破“音障”後,飛行器的速度似乎已經沒有了上限,F-15、F-22等戰鬥機早已可以完成Ma2(兩倍音速)以上的飛行,D-21、SR-71可以實現Ma3以上的飛行,美國不斷創造並越來越習慣航空領域的“速度奇跡”,不斷向Ma6、Ma10,甚至Ma20的方向發展。但近期X-51A試飛失敗,似乎將美國人對於高超聲速的夢想拉回到現實。

  風口浪尖上的X-51A

  美國的X系列試驗飛行器,以探索前沿的航空航太等領域先進技術而一直為世界關注,其取得的大量成果也在客觀上推動了高科技軍事裝備的快速發展。X-51A就是一個典型的用於發展和驗證高超聲速飛行技術的項目,為未來Ma6以上空射武器提供技術支援,為美軍實現全球快速打擊戰略能力鋪路。

  X-51A項目的前身是美空軍研究實驗室2004年啟動的“超燃衝壓發動機驗證機—馭波者”計劃,由波音與普惠兩家公司共同開發,目標就是要發展一種可在1小時內攻擊地球任意位置目標的新型高速武器,2005年9月,美空軍將“馭波者”命名為X-51A。

  X-51A由巡航飛行器和助推器組成,巡航飛行器頭部扁平,尾部設4片襟翼,腹部進氣,採用超燃衝壓發動機,可提供200秒以上的動力衝壓支援,助推器採用固體火箭燃料。組合體總長7.65米,巡航級長度4.23米,最大寬度0.58米,組合體總重1790千克,巡航級發射重量683千克,射程可達740千米,最大速度可達Ma6以上。其飛行過程為,X-51A由B-52H攜帶至12千米高空投放,用助推火箭加速到超聲速,爬升至20千米左右後啟動超燃衝壓發動機進行高超聲速飛行,動力飛行240秒左右,超燃衝壓發動機關機,開始約500秒的無動力飛行和下滑。

  據相關報道,X-51A迄今為止已經進行了3次試飛。2010年5月26日晚,X-51A進行了首次飛行試驗。B-52從愛德華空軍基地起飛,在飛行至穆谷海軍航空作戰中心領海範圍內,從15千米左右的高空投放X-51A。當超燃衝壓發動機工作到140秒左右時,噴管與機體連接處密封失效,燃氣泄漏,造成推力不足和發動機艙溫度上升,X-51A啟動了安控程式並自毀。此次飛行試驗並未完全成功,但驗證了包括飛行器與助推器的級間分離、超燃衝壓發動機的起動和點火和飛行器控制等許多高超聲速關鍵技術。2011年6月13日第二次試飛中,由於超燃衝壓發動機的進氣道未啟動,試驗失敗。2012年8月16日,X-51A進行了第三次試飛,在15千米高空自B-52轟炸機下分離,助推點火後僅飛行16秒,就由於平衡尾翼出現的問題導致衝壓發動機點火失敗,繼續飛行15秒後失去控制,並墜入太平洋。

  雞蛋沒有放在一個籃子

  作為高超聲速飛行最具代表性的項目之一,X-51連續3次試飛失敗,對於美國探索高超音速飛行無疑是個重創,但是美國並非只有X-51這一個高超聲速飛行項目。

  從上世紀八十年代開始,美國開展了NASP計劃、HyTech計劃(後來衍變為HySet項目)、HyFly項目、X-51A項目、FALCON項目等一系列直接或間接發展高超聲速飛行器技術的計劃或項目。這些計劃或項目,有些雖然由於經費等原因被取消,但有些進行了整合併正在開展,具有很好的繼承性和連續性。目前重點項目除X-51A外,還包括FALCON、HyFly等項目。

  HyFly計劃是由美國國防高級研究計劃局和海軍研究中心聯合實施的高超聲速飛行演示試驗,其目的是通過飛行試驗驗證以液體碳氫燃料超燃衝壓發動機為動力、最大巡航馬赫數6.0、射程1100千米的高超聲速導彈方案。該計劃2001年開始實施,採用雙燃燒室超燃衝壓發動機方案。HyFly項目是距離工程化最為接近的高超聲速飛行驗證項目,前後經歷了十多年的發展。從2005到2010年,HyFly項目共進行了5次飛行試驗,2次成功, 2007、2008和2010年進行的3次動力飛行試驗都沒有完全成功。2007年9月25日進行了首次動力飛行,由於燃油控制系統出現故障,未能達到預期的Ma5目標。2008年1月16日,第二次動力飛行試驗,由於超燃衝壓發動機沒有按照預定程式工作,試驗再次失敗。2010年7月29日,最後一次動力飛行試驗,由於投放後助推器未能點火,仍以失敗告終。

  2004年,美國空軍和國防高級研究計劃局聯合啟動FALCON計劃(又稱“獵鷹”計劃),2006年,命名為“高超聲速技術飛行器”(HTV),旨在發展一種全球到達的高超聲速巡航飛行器,巡航速度Ma10,可在2小時內打擊16000千米外的目標。該項目按照技術特點不同發展了三種演示驗證飛行器,HTV-1、HTV-2和HTV-3。HTV-1是採用當前技術水準,一次性使用的火箭助推無動力滑翔試驗飛行器,由於出現技術問題無法克服,加上HTV-2進展較快,目前已被取消。HTV-3是未來的高超聲速巡航飛行器的縮小型,計劃實現常規跑道上起降,2小時內從美國本土飛到全球任何地方。2008年4月完成初步設計後,因撥款不足而暫停。目前仍在進行的是HTV-2,它也是一次性使用的火箭助推無動力滑翔試驗飛行器,但性能水準較HTV-1有大幅提高。飛行器重約900千克,最高飛行速度可達Ma20以上,目標是實現最大航程大於8000千米,無動力滑翔飛行時間3000秒以上。2010年4月22日, HTV-2進行了首次飛行試驗,雖然HTV-2與火箭成功地實現了分離,但在飛行9分鐘後,與遙測站失去了聯繫,飛行試驗失敗。2011年8月11日進行第二次飛行試驗,與火箭成功分離後,進入滑翔階段,約26分鐘後失去聯繫,結論為飛行模式異常。

  高超音速究竟難在何處

  從上述的演示飛行結果來看,大多數高超聲速飛行都沒有完全成功。雖然技術探索本身就是嘗試,失敗從另一方面也是一種積累,但上述情況,充分說明瞭美國在高超聲速飛行的多個項目上都遇到了嚴重的技術阻礙,那麼,高超聲速飛行都需要攻克哪些關鍵技術呢?

  第一,支援高超聲速飛行的動力技術。Ma6以上的高超聲速飛行,常規的吸氣式動力裝置已經難以支援,X-51A和Hyfly項目的動力裝置都採用了衝壓發動機。與火箭發動機相比,衝壓發動機具有效率更高、航程更遠,可攜載荷更重等優勢,主要是由於無需攜帶佔據很大發射重量的燃料和氧化劑。但衝壓發動機技術難度很大,尤其是維持高超聲速條件下的穩定燃燒十分困難,美國已開展了多年的衝壓發動機技術攻關工作並取得了大量成果,但在高超音速飛行中仍會出現許多問題,如Hyfly項目。對於要發展由機場起降、可重復使用的高超聲速飛行器,如HTV-3,則需要發展技術更為複雜的組合發動機,如渦輪基組合迴圈推進系統,實現大速度跨度(從0至Ma6以上)飛行,但由於技術難度和經費需求都很大,目前美國尚處於探索階段。

  第二,先進乘波體氣動佈局設計技術。乘波體是一種全新的設計理念,其主要利用超聲速飛行時前緣附體激波,通過激波壓力來產生升力進行飛行,因此乘波體氣動佈局非常關鍵,其外形決定了激波模式,激波模式與航程密切相關。X-51A就採用了乘波體設計技術。這種設計技術目前仍然需要飛行試驗驗證以進一步成熟。

  第三,高超聲速飛行器綜合設計與精確控制技術。當飛行器以高超音速飛行時,會產生強烈的激波,激波與附面層之間產生相互干擾,在高超音速氣流駐點附近產生極高的溫度,能使附近的氣體分解和電離,形成相當複雜的混合氣體,使得高超聲速氣流的研究成為非常複雜的問題。這不僅對飛行器平臺的綜合設計提出了挑戰,也給高超聲速條件下的精確控制帶來了困難,X-51A最近一次驗證飛行失敗就是這個原因造成的。

  第四,防熱結構與材料技術。高超音速飛行還有一個巨大的難題需要面對,就是高速條件下產生的“熱問題”。以高超音速在入大氣層內飛行時,氣動加熱會使其表面達到極高的溫度,當飛行器在Ma6以上飛行時,表面多個部件溫度將達到500℃以上,對於結構和材料的熱防護提出了嚴峻挑戰,X-51A首次試飛失敗,噴管與機體連接處密封失效,氣動熱就是重要的原因之一。

  除此之外,高超聲速飛行器未來要形成作戰能力,還要在全系統發揮作戰效能等問題上解決一系列問題,包括超高聲速條件下的武器末制導技術等。

  綜合來看,高超音速飛行項目近期問題的集中爆發,充分說明瞭其巨大的技術難度,但由於潛在的巨大軍事效益,此項目一定還會繼續發展。預計美國類似X-51A的中等射程高超聲速巡航彈要到2020年才能投入使用,射程更遠的空基或地/海基高超聲速巡航彈要到2020年後,至於機場起降、可重復使用的高超聲速飛行器,則更為遙遠。(科技日報 空軍裝備研究院 王治 牛文博 馬光軍)

 

責任編輯:胡光曲

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