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曙光女神傳說 人類何時能造出6倍音速飛機

如果你是一個老軍事迷,應該會記得早些年網際網路上曾流傳一個美國"曙光女神"(又譯作"極光")偵察機的傳說。傳說是這樣說的,作為SR-71黑鳥的替代者,曙光女神研製於冷戰末期,最高速度達6倍音速,能在中國、俄羅斯領空來去自如……

曙光女神的傳說最早發源於美國航空界和軍事界,多年過去了,始終沒有人能提出確切證據證明她的存在。但最近幾年,高超音速飛行正逐步成為現實,人類距離擁有能以6倍音速飛行的飛機已不遠。

先要說明的是,《講武堂》前兩期所報導的,美國HTV-2、AHW和中國WU-14這三種高超音速飛行器實際是用一枚洲際飛彈搭載一個高超音競速滑冰翔體,其高超音競速滑冰翔體再入時的速度介於10倍至22倍音速之間。從現有技術概念來看,HTV-2、AHW及WU-14這些只能作為一次性使用的"飛彈"。我們接下來要說的"高超音速飛機",是指可重複使用的、能依靠自身動力從普通機場跑道起降、採用吸氣式發動機的高超音速飛機。當然,現在能評估的高超音速飛機技術前景,速度只能做到10倍音速以下,最大速度在6-7倍音速更為現實,航程方面也很難有HTV-2的"全球打擊"能力,能做到SR-71黑鳥的1900多公里的作戰半徑也已非常了不起。

對於高超音速飛機,還得從美國國防部先進研究計劃局(DARPA)的獵鷹計劃(FALCON)說起。2001年,美國遭遇了前所未有的9·11恐怖襲擊,美國很快發現應該為事件負責的恐怖大亨拉登及其基地組織盤踞在阿富汗山區,以躲避美國各種高科技武器。分析結論認為,如果美國的情報系統得知拉登及其同黨們正聚集到一個秘密地點開會,現役武器的射程和速度將無法完成快速打擊目標的任務。五角大樓由此提出了發展"全球敏捷打擊"能力,目的是在一個小時內打擊世界上的任何一個目標,這就是獵鷹計劃(FALCON,從美國本土發射和實施武力)。

獵鷹計劃包括HTV-1、HTV-2和HTV-3,其中HTV-1/2是高超音速"飛彈",HTV-3就是可復用的超高音速飛機,當時要求HTV-3最高飛行速度要達到10倍音速。後來,美國陷入嚴重的金融危機,基地組織活動也很快被壓制下來,HTV-3項目在09年被中止。HTV-1設計有嚴重缺陷放棄,HTV-2在2010、2011年進行過2次試射未獲成功,最終也陷入停滯。但是高超音速飛機有著令人興奮的應用前景,即便經濟上捉襟見肘,最大目標拉登也已被擊斃,美國軍方、國防企業也繼續著它的子系統技術研究。

在2013年10月,原來負責HTV-3項目開發的洛克希德·馬丁公司,其高級研發部門"臭鼬工廠"突然公布了SR-72高超音速飛機研發計劃的新細節。臭鼬工廠曾為美國空軍研製了U-2、SR-71偵察機,他們將SR-72視為SR-71超音速偵察機的後繼者。SR-72定位為一款經濟上可以承擔的,能執行情報、監視、偵察和打擊多種任務的飛機,其採用雙發設計,最大巡航速度為6倍音速。洛馬表示,SR-72的驗證機將在2018年進入工程研發,量產型能在2030年左右服役。接受採訪的洛·馬公司負責高超音速技術的部門經理布萊德·利蘭稱"到了承認SR-72存在的時候了"。

大致來說,研製一款6倍音速、可重複使用、能在普通機場常規起降的飛機,要攻克能兼顧0-6倍音速飛行的氣動設計難題、要有能抗高溫高壓的蒙皮,實際使用時還會遇到無線電"黑障"、高速下攝影、武器投放等問題。但目前看來,最困難的是研製一套能適應0-6倍音速範圍的動力系統。

之所以說"動力系統",是因為已知任何的發動機類型是沒辦法適應0-6倍音速這麼大的跨度,這又大概可歸結為"如何在颱風中點燃一根火柴"的問題。

現有的傳統渦噴、渦扇發動機能適應0-3倍音速飛行,但實際它們工作時要先進氣道、壓氣機將進氣速度降低至一個很低的速度,這樣油氣混合氣體才能在燃燒室中穩定燃燒,輸出動力。如果飛行速度超過3倍音速,儘管通過調節進氣道將進氣速度降低到可接受的程度,但又會付出過大的阻力代價。

所以人們在超過2倍音速,2-4倍音速飛行時,開始轉向選擇衝壓發動機,這還是亞燃衝壓發動機,即還是要通過進氣道將進氣速度降低到亞音速,以保證油氣混合氣體在燃燒室持續燃燒。4倍音速以上,就要一種全新的超燃衝壓發動機出馬了,所謂"超燃",就是這種發動機可以保證油氣混合氣體能在超音速狀態下持續燃燒。

要適應寬速度跨度,就要將這些發動機組合起來,例如SR-71黑鳥的J-58發動機就是一款渦噴+亞燃衝壓的組合循環發動機,在低速飛行時,發動機壓氣機的旁路活門關閉,以渦噴發動機的狀態工作;超過2倍音速時,活門打開,發動機以亞燃衝壓發動機狀態工作,能支持黑鳥以3.2倍以上音速巡航。

而要適應0-6倍音速,首先要將亞燃和超燃衝壓發動機組合起來,物理上做成一台亞/超燃雙模衝壓發動機,這個發動機能適應3-7倍或4-8倍音速的飛行速度。而要從地面起飛加速至3倍音速,還需要增加一台高速渦噴發動機,這種新型渦噴發動機比傳統渦噴能適應的速度範圍增加1倍音速,即0-4倍音速。SR-72就是計劃用一台0-4倍音速的高速渦噴與一台3-7倍音速的雙模衝壓發動機組合,先用高速渦噴從地面起飛、加速至3倍音速以上後開始啟動雙模衝壓發動機,最終加速至6倍音速以上,進行高超音速巡航。

"在颱風中點燃一根火柴"是如此的複雜,但從這幾年披露的信息來看,美國軍方已經基本完成技術儲備。

首先是能適應0-4倍音速的高速渦噴發動機。大約2004年,美國海軍推出一款名為RATTLRS(時敏遠程打擊)超音速巡航飛彈,該飛彈能以接近4倍音速巡航5分鐘,射程超過500公里。儘管RATTLRS飛彈最終也因為經費、需求不足而下馬,但通過它,美國軍方獲得了YJ-102R高速渦噴發動機技術。

在超燃衝壓發動機方面,前幾年進行飛行試驗的X-51A乘波體飛行器實際上是普惠公司SJX61-2超燃衝壓發動機的測試平台。通過X-51A,SJX61-2完成了上百次試驗,模擬速度在M4.5~6.5之間,累計超過12分鐘的高馬赫數試驗,實現了非常可靠的點火燃燒。美國已有很好的亞燃衝壓發動機技術,下一步是將亞燃和超燃衝壓發動機進行一體化組合。

估計洛馬的臭鼬工廠會以YJ-102R高速渦噴、SJX61-2後續的雙模衝壓發動機為基礎,先作出一款能自行從地面起飛、以最大6倍音速巡航的小型技術驗證機。這個驗證機可能是一款比飛彈大不了多少的無人機,用於攻克6倍音速飛行所要面對的全部難題,之後再正式開始研製SR-72高超音速偵察機。可以說,在經濟上可接受的6倍音速偵察機已不是夢想,如果現在是冷戰時期,估計技術驗證機早已推出,若現在大幅增加投入的話,SR-72在2020年出現也不是什麼值得大驚小怪的事情。

能以6倍音速巡航的SR-72,其軍事價值是顯而易見的,若採用有人駕駛、配備電子對抗設備,不會有任何防空飛彈能夠擊落它,只能寄希望於迄今仍未現曙光的大型雷射武器。事實上,按近年逐漸披露的信息,SR-71以3倍音速巡航、配合電子偵測設備的使用,已不懼大部分防空飛彈系統。這也是美軍高層對高超音速飛機會如此堅持不懈的原因。

最後需要說的是,SR-72的研製難度可能還要高於HTV-2、AHW和WU-14等高超音速"飛彈",因為它是要重複使用的飛機,重複使用對動力系統、抗高溫高壓外殼的研製提出了更高的挑戰,儘管它的速度還不到10倍音速。特別是對我國來說,當年出於戰略急需,選擇了先發展航天、再發展航空的路線,吸氣式發動機技術儲備薄弱,要研製一款高超音速飛機,所面臨的挑戰會更加大。

阿波羅網責任編輯:zhongkang

來源:騰訊

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