高超音速飛行器

高超音速飛行器

物體的速度超過5倍音速以上的飛行器
高超音速,指物體的速度超過5倍音速(約合每小時移動6000公裡)以上。[1]高超音速飛行器主要包括3類:高超音速巡航導彈、高超音速飛機以及航天飛機。它們采用的超音速沖壓發動機被認為是繼螺旋槳和噴氣推進之後的“第三次動力革命”。
    中文名:高超音速飛行器 外文名: 别名: 英文名:Hypersonic unmanned vehicle 其他外文名:Hypersonic UAV 定義:物體的速度超過5倍音速以上

概述

高超音速飛行器(HTV-2A)是據美國聖瑪麗亞時報4月24日報道的、美國軍方美國當地時間周5承認的、以軍事目的而由“牛頭怪4”固體運載火箭發射升空試驗的高超音速無人飛行器。

美國國防部先進研究項目局(DARPA)美國當地時間周四下午4點在範登堡空軍基地将其研制的第二代“獵鷹”高超音速飛行器(HTV-2A)成功發生升空。

周五晚上,DARPA出面證實,根據技術數據顯示,雖然HTV-2成功的與火箭實現了分離,但在進入飛行試驗9分鐘後,遙測站與HTV-2失去了聯系,一隻技術團隊正在根據已知的數據對此進行分析。

DARPA透露,HTV-2是一種無人操縱的高超音速飛行器,飛行速度可以超過20倍音速。

在與火箭分離後,HTV-2使用自動駕駛系統來進行飛行。原計劃進行三項驗證飛行機動:中等仰角飛行對飛行器進行減速;實現小幅度俯仰,滾轉和偏航以驗證氣動控制系統;最終以13000英裡的時速落入太平洋以驗證再入大氣層能力。

按原計劃,這次試驗是兩次HTV-2飛行任務中的首次,下一次試驗安排在2011年。兩次試驗耗資3.08億美元。

周四的發射,也是“牛頭怪4”火箭的首次亮相,“牛頭怪4”火箭使用退役的“和平衛士”洲際導彈改裝而來。

簡介

高超音速飛行器被視為下一代飛行技術,根據俄亥俄州空軍研究實驗室高速系統分部的負責人羅伯特·梅謝爾(Robert Mercier)介紹:“我們取得對高超音速飛行技術的掌握,就如同從螺旋槳式的飛行時代過渡到噴氣式飛行時代,自萊特兄弟(Wright brothers)以來,我們一直在研究如何使飛行變得更好、更快。高超音速飛行技術就是航空界潛在的前沿領域之一,我相信我們在等待着進入這個舞台。”

型号

X43

X-43X-43系列高超音速飛機是美國航空航天總署秘密研制的無人駕駛飛機,看上去很像一塊漂亮的沖浪闆。1996年開始研制。2004年第二次試飛成功,并突破7倍音速。

美國航天局在加利福尼亞當地時間11月16日,成功地進行了無人駕駛的高超音速試驗飛機X-43A飛行試驗。X-43A試驗飛機飛上了太平洋上空,飛行速度為每小時1萬多公裡,此時飛行馬赫數為9.6,即飛行速度為音速的9.6倍,從而打破了一架同樣型号的X-43A試驗飛機創造的馬赫數為7的紀錄,再次創造了飛機飛行最高飛行速度紀錄。

X-43A試驗飛機在加利福尼亞州洛杉矶北部沙漠中愛德華空軍基地被一架改型的B-52飛機運載到1.2萬米的高空,在這個高度它脫離母機,啟動自己的沖壓發動機,加速到每小時1萬多公裡的速度,沖到3.35萬米高空。美國航天局的X-43A計劃目标是制造能到達地球大氣層邊緣的飛機,計劃的研制周期為8年,研究預算為2.3億美元。

計劃中的主要研制目标就是沖壓發動機,科學家認為這是為實現研制出能接近地球大氣層邊緣的飛機這一目的最安全和便宜的飛機發動機,因為這種發動機能将空氣中的氧氣吸進發動機中,而一般的航空發動機需要自帶氧化劑,從而增加燃料重量。

X51

X-51X-51A是美國空軍研究實驗室(AFRL)與國防高級研究計劃局(DARPA)聯合主持研制的超燃沖壓發動機驗證機——乘波飛行器(SED-WR,Scramjet Engine Demonstrator-Waverider)。它由波音公司與普拉特·惠特尼(簡稱普惠)公司共同開發,由一台JP-7碳氫燃料超燃沖壓發動機推動,設計飛行馬赫數在6~6.5之間。這個計劃的終極目标就是要發展一種比美國原武器庫中任何一種導彈的速度都要快5倍以上,可以在1小時内攻擊地球任意位置目标的新武器。

省錢是主要訴求

“1小時打遍全球”是美國空軍的夢想,現有技術已經賦予這種夢想走進現實的可能。不過,美國人作為天生的經濟動物,幹什麼都要先核算成本。當前,雖然洲際導彈能夠實現這方面的目标(編注:美國陸基洲際導彈由空軍管轄),可成本太高,用來對付常規目标完全不劃算;租用海外基地同樣價格不菲,并且受外交因素限制,終歸不如從本土發動進攻來得方便。因此,一種成本低廉、速度夠快的運載工具就有了存在的理由。

同樣希望“花小錢辦大事”的還有美國宇航局(NASA)。從人類擺脫地球引力的那天起,美國人就開始構想如何利用太空掙錢。1967年,休閑業大亨巴倫·希爾頓感慨:“如果(飛船)運送每噸貨物的成本降低到1000美元以下,我索性把希爾頓飯店搬上月球!”為了壓縮航天發射的成本,NASA于1969年啟動了“可重複使用航天器”計劃,成果就是衆所周知的航天飛機。

可事與願違,航天飛機每次出動的實際成本竟高于3億美元,比起先前的一次性飛船來更不劃算。2001年,美國富翁丹尼斯·蒂托在支付了2000萬美元後,選擇乘坐俄羅斯“聯盟”飛船進行史上第一次太空旅遊;美國航天飛機卻意外頻發,不得不提前“退隐江湖”。這麼一來,擺在NASA面前的除了尴尬,便隻有另尋出路。

美軍的摯愛

屢試屢敗的X-51高超音速飛行器,究竟是省錢利器還是吞金猛獸?包括其東家美國空軍在内,人們至今找不到明确的答案。

被美國空軍寄予厚望的X-51高超音速飛行器再度亮相,由B-52轟炸機在太平洋上空投放後進行測試。然而,由于一片尾舵突發故障,通體細長的X-51僅堅持了16秒便失控墜海,不知所蹤,它的第三次飛行試驗隻得草草收場。

按照美軍的官方說法,X-51是為驗證超燃沖壓發動機技術而生。後者能讓飛行器以5倍以上音速飛行,甚至有可能達到25倍音速并突破大氣層。雖然X-51尚未武器化,五角大樓的興趣不單緣于其罕有敵手的速度,還在于對廉價全球打擊方案的向往。

三大優勢無以倫比

由于需求高度一緻,美國空軍和NASA,就發展理論上具備極高經濟效益的超燃沖壓發動機技術一拍即合。2004年,NASA率先推出X-43試驗飛行器,第二次試飛即突破7倍音速,一舉刷新大氣層内飛行速度的記錄。此後不久,滿懷希望的美國空軍全面接手研制工作,以NASA的成果為基礎,啟動了更複雜的X-51項目。按照美國空軍的描述,以X-51為代表的高超音速飛行器,至少具備三大“省錢秘笈”——節約作戰兵力。

以往,美軍發動空襲總要興師動衆:戰鬥機護航、電子幹擾機開路、預警機指揮、加油機保障……才能順利地把炸彈扔下去。反觀高超音速飛行器,憑借無與倫比的速度和高度優勢,它能單槍匹馬越過敵方防線,無須奪取制空權也可摧毀地面目标。僅裝備少量就足夠維持全球打擊能力,如此誘惑,怎能不讓人心動?

資源消耗少。以往的高超音速飛行器多以火箭為動力,但火箭的“肚量”實在吓人,以美國“大力神”火箭為例,向近地軌道運送13噸載荷,竟要消耗燃料600噸以上,氧化劑占了其中大頭。X-51使用的超燃沖壓發動機和普通飛機類似,吸入空氣充當氧化劑,飛行器本身僅攜帶航空燃料,稱得上“勤儉持家”。

同時,由于X-51飛行高度達6萬米,這個高度的空氣密度低,飛行阻力隻有傳統飛行器的幾十分之一,加之該飛行器本身采用低阻力系數外形,用不着多麼誇張的動力就能維持高速飛行,自然不會耗費太多燃料。

簡單可靠。超燃沖壓發動機的工藝相對簡單,總體結構類似一個帶擾流闆的腔體,甚至不需要多少活動部件。相對于傳統噴氣發動機動辄幾十上百個渦輪葉片的複雜結構,超燃沖壓發動機便于大規模制造,也不愛鬧毛病,顯然更容易壓縮成本,讓五角大樓省錢。

又一頭吞金猛獸

盡管上述優勢十分誘人,X-51項目從2010年至今的3次試驗卻無一完全成功,預示着其前景或許不似原先想象得美妙。有分析稱,由于沒有任何設施能夠“人造”高超音速氣流,X-51無法進行地面模拟試驗,導緻未知因素過多,隻能通過實踐摸索;其次,高超音速飛行器對材料工藝和加工精度實際要求極高;另外,超燃沖壓發動機的工作條件相當苛刻,隻能采取由轟炸機挂載到高空再投放的試飛方式,短時間内尚無法開發出自主起降能力。

以上缺陷極大地限制了X-51的進一步發展,迅速投入實戰更是無從談起。盡管美國空軍發言人信誓旦旦地宣稱“沖擊更高飛行速度的腳步不會停下”,潑冷水者亦不在少數。曾任俄羅斯航天司令部戰役局局長的維克托·斯塔魯欣少将就此評論:“美國的高超聲速飛行器,從技術觀點看是不大可信的,從軍事經濟觀點看則是不适宜的。”

即便X-51擺脫了屢試屢敗的魔咒,其現實效益也很難在短期内得到體現。和其他許多成本控制失靈的尖端武器項目類似,美國空軍從NASA手中接過的,或許是又一頭吞金猛獸。

系統特點

2014年1月16日文章稱,美國擔心中國具有“一小時打遍全球”的高超音速導彈,擔心可突破其反導系統。國防部15日就高超音速飛行器試驗響應媒體詢問時表示,“我們在境内按計劃進行的科研試驗是正常的,這些試驗不針對任何國家和特定目标。”

2014年1月9日中國軍方在境内首次試驗了10倍音速的高超音速導彈,意在突破美國的導彈防禦體系。不願意透露姓名的官員稱,五角大樓已将中國的這一試驗性武器取名為WU-14。

專家稱美先打破戰略平衡

香港《大公報》16日文章援引北京航空航天大學高級研究員劉江平觀點表示,高超音速飛行器除了速度優勢外,還具有軌迹複雜的特點,令攔截更加困難。彈道導彈軌迹相對固定,雖然可以變軌,但在末段和中段還是有可能實施攔截;高超音速飛行器又被稱為“馭波武器”,是多段軌道,現階段中段偵聽技術還沒法攔截。若隻有美國掌握這項技術将對别國構成安全威脅,打破戰略平衡,因此中國有必要發展這類武器加以反制,與威脅抗衡。

劉江平認為高超音速飛行器沖壓發動機技術複雜,同時對氣動外形的要求非常高,若中國首次試驗就達到十倍音速,參考美國此前取得過的成果,還有進一步提高的空間。

高超音速是指物體移動的速度超過5倍音速(馬赫),按照這個速度計算,如果從烏魯木齊飛到上海,隻需30分鐘甚至更短時間。

美忌憚中國高超音速導彈

美國對中國進行高超音速飛行器試驗表現出高度敏感,此前美國曾進行過兩次同類試驗均告失敗,如果中國試驗成功,無疑将走在世界前列。因此,美國擔心中國具有“一小時打遍全球”的高超音速導彈,擔心可突破其反導系統。

一位内地軍事專家直言:“美國一貫是于己有利就大肆宣揚,于己不利便抹黑對手。”20倍音速的高超音速武器美軍都試驗過,戰略平衡早被打破,隻是美國不情願别國也加入“全球快速打擊俱樂部”而已。

高超音速飛行器據美國專家透露,高超音速巡航導彈技術先進,開發研制一直面臨許多難題,如推進技術、一體化設計、材料工藝等,美國的研究成果可圈可點,而許多國家研制多年卻一直未有成果。

動力系統可移植巡航導彈

《大公報》文章稱,如果高超音速導彈研制成功,可以将此動力系統移植到巡航導彈上,大大提高它的機動速度,使導彈的戰鬥力顯著提高。

高超音速巡航導彈較現有的巡航導彈主要有以下優勢:

一、反應速度快,亞音速巡航導彈打擊1000公裡外的目标需要1個多小時,高超聲速巡航導彈不需要10分鐘。

二、突防能力強,現有巡航導彈主要依靠超低空飛行與隐身技術突破防禦,由于速度相對較慢,暴露後很容易被攔截,對于在高空飛行的高超音速巡航導彈來說,現有的防空武器基本無計可施。

三、破壞能力大,高超音速武器具有驚人的動能,對鋼筋混凝土的侵襲深度可達十幾米,特别适合打擊深埋地下的指揮中心等堅固目标。

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