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时速6200公里超音速5倍 新一代飞行器呼之欲出

http://www.kexue.com 2013-09-11 09:39:20 自然与科技杂志  发表评论


高超音速飞行器的时速可以达到音速的5倍之多

  “高超音速”是个专业术语,指超过5倍音速的速度。5倍音速又被称为5马赫,相当于海平面每小时6200公里或高海拔每小时5300公里的速度(在高海拔位置,气温低、空气稀薄,声音传播速度也很慢)。

  与洲际导弹不同,这种高超音速飞行器完全不是基于火箭技术。火箭自身需要携带包括氧气在内的燃料,以便在真空空间燃烧燃料。由于燃料很重,所以火箭只能进行短时间的垂直飞行,以进入外层空间。因此,工程师们正在构想一种飞行器,它必须重量轻,能以空气为氧化剂,不需携带额外氧化剂,并且飞行方式和普通喷气飞机一样,速度可以和火箭匹敌——这就是构想中的高超音速飞行器。

  飞行器在大气层以高超音速飞行,会带来诸多好处。首先,它不受现存弹道导弹条约的限制;其次,可以躲避拦截,如果目标移动,它也能随之改变轨道;第三,利用高超音速飞行器,人们飞入大气层高端位置的成本也随之下降,这项技术有助于降低军用或民用设备进入外太空的成本。

  虽然有着种种好处,这种飞行器发动机的构造却与现有客机和战斗机使用的涡扇或涡轮喷气发动机非常不同。现有飞机的速度很少能超过2马赫(2倍音速),如果超过这个速度,喷气发动机的旋转叶片就不能将进气口的空气速度减慢至亚音速,这将使喷气发动机无法正常燃烧燃料。如果要进一步提升飞行器的速度,工程师只能设计一种没有运动部件的喷气发动机,于是,一种被称为冲压喷气发动机的新型发动机被设计了出来。冲压喷气发动机的进气口采用精心设计的形状,能将空气流在进气口处进行压缩,从而减缓空气流进入喷气发动机的速度。值得注意的是,法国的新型ASMPA 核导弹使用的就是冲压喷气发动机,法制飓风或幻影战斗机均能发射这种导弹。ASMPA 核导弹能以3马赫(每小时3700公里)的速度飞行500公里。

  技术难度远超火箭

  要将飞行器在大气层里的飞行速度提高至5马赫或更高,意味着冲压发动机必须利用超音速空气流来燃烧燃料。这种喷气发动机被称为超音速燃烧冲压喷气发动机。虽然超音速冲压喷气发动机进气口的特殊形状,能减缓吸入的空气流的速度,但无法将空气流的速度下降至亚音速。这种情况使工程师不得不面对一个大难题:让冲压发动机吸入超音速空气流,并且在超音速空气流里点燃燃料。拉塞尔·卡明斯是加州州立理工大学的超音速推进专家,他对此的描述为:“这种情况如同在在飓风里点燃一根火柴并保持其燃烧。”

  一个解决办法就是采取特殊的燃料喷嘴,使其能以特定的角度将燃料注入超音速空气流中。燃料导致空气流中产生微小震荡波,这种微小震荡波能将氧气和燃料充分混合;随后氧气-燃料混合物进入冲压喷气发动机燃烧室,燃烧室内更大的空气震荡波会将这种混合物点燃。此外,澳大利亚国防学院也发明了另一种冲压喷气发动机的点火方法:他们使用持续时间为几纳秒的激光脉冲来剥离燃料混合物的电子,从而在冲压喷气发动机燃烧室内产生大量的热等离子,燃料混合物被热等离子点燃。这种点火方式与汽油发动机的火花塞放电类似。

  按照工程师克林顿·格鲁斯的说法,超音速冲压喷气发动机的燃料必须与燃烧室的壁面保持一定距离,否则燃料会在形成合适的氧气-燃料混合物之前被提前点燃,产生的爆炸能将飞行器炸掉。格鲁斯是多伦多大学的工程师,现在在英国剑桥大学做研究工作(他同时还担任普惠发动机公司和劳斯莱斯发动机公司的顾问)。超音速冲压喷气发动机还有更加棘手的问题——如果以过快速度飞行,其机体内部的温度和空气压力很难用机械手段进行调节。因此,当超音速冲压喷气冲压发动机加速时,飞行器必须飞到大气层的更高处,那里的空气比较稀薄,在保持飞行速度的同时,能减少燃料的大量消耗和冲压发动机燃烧室爆炸的几率,从而降低冲压喷气发动机机体的温度和压力过快上升。

  也就是说,将超音速冲压喷气发动机点燃是一件十分困难的事情,而要使超音速冲压喷气发动机保持燃烧并且不发生爆炸也是一件困难的事情。此外,超音速冲压喷气发动机和普通冲压喷气发动机一样,自身不能起飞——冲压喷气发动机的启动必须以极高的速度来压缩空气,以便进行燃烧,这就要求使用冲压喷气发动机的飞行器必须另外配置涡轮或涡扇喷气发动机,或用火箭来进行初始阶段的加速飞行,然后才能启动超音速冲压喷气发动机。简而言之,工程师必须克服诸多困难,才能将配备超音速冲压喷气发动机的飞行器制造出来。因此,虽然高超音速飞行器的概念早在20世纪50年代就被提出,但直到20世纪90年代,这种飞行器才进行了飞行测试。那次的飞行测试是由俄罗斯研究人员与法国和美国科学家共同进行的,但有些专家怀疑那次测试是否真正达到了超音速燃烧的目的。

  2002年7月,昆士兰大学的研究人员成功地进行了世界上第二次高超音速飞行器测试。他们的“海肖纳”超音速冲压喷气发动机以7.6马赫的速度飞行了6秒,但这架飞行器却不是在可控状态下进行测试的。这架飞行器搭载在火箭上,由火箭将其带入外太空,随即该飞行器的超音速冲压喷气发动机被启动,头朝地面飞行——高超音速的速度就是这么达到的。

  最近的两次高超音速飞行器测试是由美国国家航空航天局进行的,这表明美国在这方面的研究取得了一些进展。被测试的两架飞行器全部由运输机带到空中,在空中被释放后,首先由火箭助推器进行加速,然后再启动超音速冲压喷气发动机进行飞行。在2004年11月,用于测试的X-43A型无人高超音速飞行器以氢为燃料,飞行最大加速度达到了10马赫。虽然飞行时间只有区区10秒,但这是人类第一次进行完全可控的高超音速飞行。

  美国国家航空航天局现在将精力集中到了另一种高超音速飞行器——X-51A“波行者”。在2010年5月的第一次测试中,“波行者”的飞行速度虽然没有达到预期的6马赫,但也到达了5马赫,并以此速度飞行了大约200秒。但“波行者”在随后的两次测试中都以失败而告终。三年后,“波行者”在2013年5月1日的测试中以5.1马赫的速度飞行了4分钟,创下了高超音速飞行器的最长飞行时间记录。

  无尽苍穹,试问谁主翱翔

  2010年,美国太平洋司令部的海军上将罗伯特·威拉德声称中国正计划通过将核弹道导弹的核战斗部改装为常规战斗部的方法来获取打击美国航母的能力,并且已经“初步形成战斗力”。被改装的导弹被称为“东风-21D”,按照罗伯特·威拉德的说法,该导弹的战斗部以高超音速从外太空进入大气层,对美国西太平洋的舰艇进行攻击。埃里克·麦利凯是前美国海军少将和现在的东亚安全顾问,他对此评论道:尽管“东风-21D”制导系统的精度还不为人所知,这种导弹实际上改变了它射程之内的国家力量对比。

  由于发展X-51A飞行器后续型还需数年时间,为了抵消东风-21D所导致的“核模糊”,美国已经开始探索另一种获取高超音速飞行器的办法。美国空军和美国国防部高级研究计划局对美国武装力量进行了研究,研究出了一种“高超音速推进”的飞行器,该飞行器由改装过的洲际弹道导弹将飞行器带到高空,随后该飞行器以高超音速从高空飞向地面目标。这项研究是作为所谓“猎鹰”项目的一部分来开展的。

  该研究中的“高超音速巡航飞行器”首先由洲际弹道导弹将其带入近地轨道,与导弹分离后,不再继续沿着弧形的弹道飞行,而是以超过每小时2万公里的速度滑翔进入地球。在2010年4月进行的第一次测试中,“高超音速巡航飞行器”成功地与洲际弹道导弹分离,但9分钟之后,地面控制人员与飞行器的联系中断。布莱恩·维顿是前美国空军上尉和蒙大拿州的核导弹发射人员,他告诉记者:“在最初阶段,他们取得了很多良好数据,但不久,该飞行器的外皮脱落,飞行器爆炸了。”值得注意的是美国在2011年的同类实验也失败了。

  虽然受到了不少的挫折,美国却仍然坚持对高超音速武器进行研究。制造飞行速度为16马赫的飞行器虽然十分困难,但也绝非完全不可能。美国的航天飞机重回大气层的速度达到了25马赫,在这种速度下,航天飞机与空气分子摩擦产生的等离子层将航天飞机包裹起来,连无线电信号都无法感知。桑卡·桑姆巴斯曼是应用薄膜公司的老板,该公司设在伊利诺伊州,为美国军方提供军用飞机部件。桑卡声称他们公司的陶瓷基复合材料有良好的热绝缘性能。

  同时,测试设备也有了很大的进步。肯·安德森是澳大利亚国防科学与技术组织的领导人,他表示:温度和压力感应器,甚至摄像头都可以安装到飞行器机体里,测试人员可以在飞行器飞行时,以前所未有的“精度和保真度”来收集相关数据。风洞技术的进步也有助于工程师设计更好的高超音速飞行器。比利时的冯·卡门研究所用于流体研究的风洞能产生短时间14马赫的空气流。冯·卡门研究所是通过对测试室进行冷却,减低音速来提升空气驱动活塞的马赫数的。

  去年,美国美国国防部高级研究计划局在一份报告中指出:随着其他国家隐身技术和反隐身技术的发展,美国逐渐在隐身技术方面丧失了“战略优势”。正因如此,美国国防部高级研究计划局建议美国政府将高超音速飞行器作为一种新型隐身技术进行研究。俄罗斯副总理德米特里·罗戈津在去年也公开声称,俄罗斯将设计高超音速导弹作为俄罗斯的重点项目。无须讳言,发展高超音速飞行器将是十分困难的工作,但没有人会放弃它。

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