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空天大视野

高超声速“飞机”刍议

访问次数: 499 次    作者: 远望智库开源情报中心 等观    发布时间: 2023-10-27

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高超声速“飞机”突出一个“快”。入役战斗机中最快的当属苏联/俄罗斯米格-25战斗机(1969年入役,2013年正式退役),速度可达3.2马赫(与1998年退役的SR-71“黑鸟”战略侦察机相当)。目前在研的高超声速“飞机”有以下标的特征:巡航速度不低于马赫数5(约6125千米/小时),成本相对较低的可重复使用性、常规跑道水平起降(不依赖火箭发射场一类专用设施)、依靠自身动力(不需运载火箭或载机)爬升并加速到Ma≥5,在大气层内飞行(吸气而不需自带液氧燃料),可以在1小时内到达5000千米以外的战场(冲绳到北京距离约1900千米)。发展高超声速“飞机”的支持者声称,未来10-30年内,高超声速“飞机”将在军、民两个领域提供可重复使用的远程高超声速运载能力,在未来战争中作为全球快速到达的侦察/打击一体平台,成为大国竞争致胜的真正撒手锏。

中文“飞机”可同时指代英文中的aircraft与airplane,但aircraft可指代所有大气层内飞行的飞行器,airplane通常只用于固定翼飞机。从目前在研的高超声速“飞机”(hypersonic aircraft)看,高超声速“飞机”各方面都与传统意义上的“飞机”(固定翼飞机)大相径庭,其更像是一种可重复使用、灵活起降的高超声速“巡航弹”。在美西方不断推动“大国竞争”热战化的大背景下,在俄乌冲突已从精锐的多兵种突击的“特别军事行动”打成几十万动员兵堑壕鏖战的情形下,我们有必要反复审视高超声速“飞机”的效费比和战略价值,避免制定不切实际的产品目标和研制节点、一味追求科幻的模型和数字指标。

一、美国典型项目一瞥

美国在20世纪60年代提出了一系列高超声速飞行器发展计划,先后建造了一系列用于高超声速飞行试验的平台。进入21世纪后,美国在高超声速“飞机”领域不断调整技术路线和项目方案,从技术可实现性、成本可负担性两个维度定义从“不可用”到“可用”的技术拐点,从技术成熟度和可靠性两个维度对项目择优,总的看就是不断调低速度指标和技术难度,聚焦可行、可靠、可承受的目标产品。目前美国高超声速“飞机”研发实力较强的赫尔墨斯(Hermeus)公司和波音公司,均认为Ma=5的高超声速“飞机”最为可行。其一,现有材料可以承受Ma=5飞行时产生的高温,而超过5马赫后燃烧室的驻点温度、“飞机”前缘温度都将显著升高,极易超过现有高温合金的耐热极限。其二,大量地面试验证明,“高速涡轮+亚燃冲压发动机”组合(TBCC)是目前比较可行的动力方案,并且采用现有涡轮发动机作为涡轮基可提升可靠性。

2022年11月,赫尔墨斯公司在其TBCC发动机“奇美拉Ⅰ”的地面试验中成功实现了涡轮喷气发动机到冲压发动机的模式转换,其涡轮基采用了GE航空的J85-21涡喷发动机(配装美军三代战斗机和教练机)。“奇美拉”(Chimera)是“夸特马”(Quarterhorse)高超声速“飞机”的动力系统,设计可在零速度下启动并达到最高速度5马赫。“奇美拉”将于2023年底在“夸特马”上进行飞行验证。2023年6月1日,赫尔墨斯公司宣布已接收了首台普惠F100-229涡扇发动机(配装F-15、F-16战斗机),该发动机将成为“奇美拉Ⅱ”(尺寸比奇美拉Ⅰ更大)的涡轮基,将“夸特马”速度推至2.8马赫左右,随后转入冲压模态,据称采用现货F100-229发动机可节省数十亿美元研发成本、缩短数年研制周期。

2022年1月,波音公司展出了目标速度Ma=5的“女武神II”高超声速察打一体无人机模型(高亚声速无人僚机XQ-58A“女武神”的“换代版”)。目前波音公司仍在完善女武神II设计概念、开展高超声速技术攻关,并未真正开始制造该机。据猜测,可能需要10—20年时间才能生产出可交付军方的“女武神II”。

二、“飞机”研制之难

高超声速“飞机”从常规跑道起飞、依靠自身动力爬升并加速到Ma≥5,在2000℃甚至更高温条件下巡航飞行,飞行高度跨度特别大、速域范围特别宽,飞行包线迥异于一般意义上的“飞机”,其研制主要面临三大挑战:1、高度一体化的气动外形。2、轻便的耐高温材料和结构。3、拥有特殊宽工作范围的推进系统,涉及尺寸控制、组合方案、模态转换、热平衡、总体集成等多项重大难关。

(一)气动设计之难

首先是升力机制的独特性。低速飞机主要靠机翼提供升力,机身主要提供内容空间,低速飞机的机翼升力约占全部升力的70%。而高超声速“飞机”的升力主要靠机身提供,机身的升力约占全机升力的65%。在高超声速飞行时,一般通过“乘波体构型” 机身实现迎风面压缩、并将弓形激波的高压区“骑”在机身下表面、同时背风面膨胀——产生压力差来提供升力,典型的有美国的X-43及其升级版X-51“乘波者”这两款高超声速“飞机”验证机。高超声速“飞机”这一独特的升力机制使得气动布局设计难以兼顾低速、高速气动要求(即同时达到最优)。高超声速“飞机”的气动设计必须权衡亚声速、跨声速、超声速、高超声速工作条件下的气动力、尺寸限制、质量限制、动力、载荷、防热、操作稳定性等诸多因素。

低速与高速飞行相互矛盾的需求使得气动布局设计不得不面对两大矛盾。其一,低速水平起降与高速巡航对机体的矛盾需求,前者如同一般固定翼飞机需要较大的机翼面积、机翼厚度和垂尾面积,而后者需求则截然相反。简言之,低速飞行要求飞行器更像飞机,高速飞行则要求飞行器更像导弹。其二,低阻力外形与大容积需求的矛盾。限于目前动力、材料等技术手段,高超声速“飞机”大多采用扁平化机身以尽量减少飞机横截面,从而大幅压缩机内空间;高超声速“飞机”机翼厚度本就小,加上高速飞行中产生的极高温,导致机翼无法装载燃油。另一方面,随着飞行速度攀升,飞机的升阻比、发动机比冲(单位质量的推进剂所能带来的冲量)大幅下降,迫使机内载油系数(燃料重量与起飞重量的比值)急剧升高。例如,已下马的波音公司“MANTA 2025高超声速作战飞机概念方案”,机内载油系数高达0.53,而常规超声速飞机仅0.25-0.35。高超声速“飞机”需要大容积来装载更多燃料、内埋导弹等机载武器,搭载传感器、天线和电子设备,这一“胖”的客观需要与外形“瘦身”相互矛盾。此外,高超声速飞行中,整机气动性能与发动机性能高度耦合;机身前体作为进气道的预压缩面对来流进行减速增压,机身后体作为尾喷管的膨胀面对尾喷流进行加速降压,这些特性使设计者必须综合考虑极为复杂的条件和需求,进行“飞机”的飞发一体化设计。

(二)动力系统研制之难

高超声速“飞机”的动力系统主要采用吸气式组合推进技术,目前TBCC为各国主攻方向。TBCC研制的主要难关包括:高速涡轮发动机推力不足、涡轮—冲压模态转换工况复杂、高速高空下运行极难稳定等。首先,以现有技术很难实现涡轮发动机与超燃冲压发动机的直接接续,人们对涡轮发动机现有材料、结构的使用和机理的掌握似乎已达到极限。另一方面,大尺寸超燃冲压发动机技术仍无法完全突破,目前可用的超燃冲压发动机主要用于导弹,尺寸小、速度范围窄、一次性使用,无法满足高超声速“飞机”宽速域、长航时、大载荷、重复使用的需求。此外还存在动力模态转换时剩余推力不足、难以调节匹配涡轮和冲压空气流量,以及燃油比冲、密度、存储性要求极高等诸多难题。

(三)减阻防热之难

高超声速飞行器飞行时会在前端产生较强的弓形激波,端头驻点温度可达2000℃以上,同时激波会极大增加飞行器的气动阻力,并随着马赫数的增加而急剧增加。高超声速“飞机”为了在长程飞行中保护机体结构和电子设备(且尽可能减少“装甲”的重量),必须采用相对轻质的防热外层;必须采用有效的减阻措施,以保证航程和运载能力。此外,“飞机”还要承受来自动力系统的高温加热,可谓“内外夹击”,热防护面临的环境条件极为特殊。目前发展的减阻防热方案分为被动热防护和主动(可控)减阻防热两种。被动热防护是给“飞机”加装耐热材料和烧蚀材料;主动减阻防热是给“飞机”设计特定的构型,或向高温区域加注冷却物质,从而改变流场结构以实现减阻和防热。

被动热防护方面,烧蚀材料过于脆弱需其他材料做“基底”,而且作为“耗材”很难坚持完成一次飞行,经济性也不佳,而钨和铬镍铁合金等高温高密度金属质量又太大。在现有技术手段和“内外夹击”的双重限制下,单纯采用耐热隔热材料被动防热已无法满足需要,还需采用(兼用)主动减阻防热技术,需要发展多样化、组合式新型热防护机制,通过主动控制流体、利用环境/材料的耦合作用等,主动调控环境加热量和表面散热量。目前一些团队在开展逆向射流减阻防热等主动减阻防热技术,但距离真正工程应用还很远。而且鉴于高超声速“飞机”的载荷和空间都极为“珍贵”,主动控制设备(如射流发生器)必须实现轻量化、小型化,并确保自身在极端环境下的可靠性。

三、结束语

美军制定了以吸气式动力为主线的三步走路线:先发展高超声速巡航弹,再发展高超声速“飞机”,最后发展空天飞机。对于第一步和第二步,即便以美国的技术实力和雄厚资源,也难免一波三折,多个项目半途下马,硕果仅存的若干项目也面临很大研制风险。从2001年《国家航空航天倡议(NAI)》提出发展Ma=7高超声速“飞机”,到2014年后提出先发展短寿命验证机,在21世纪30年代实现有限可重复使用察打一体高超声速“飞机”技术成熟度达TRL6以上,继而在21世纪40年代实现可重复使用/持久型高超声速“飞机”技术成熟度达TRL6以上——与其说美军主动降低预期、“降价”发展高超声速飞行器以促成可用产品,毋宁说美军(包括工业部门)对高超声速飞行器、特别是高超声速“飞机”的认识和期望已更加遵从自然规律本身了——成本可控的技术研发和积累比急功近利的型号“黑洞”更符合国家利益、社会效益和企业自身利益。

近日《华尔街日报》称,在连续拦截6枚俄军Kh-47M2“匕首”空射弹道导弹的防空行动中,乌克兰军队的“爱国者”防空系统在200公里外发现目标并发射防空导弹,最近拦截距离为14公里。俄罗斯官方曾称“匕首”是世界上首款实用型空射高超音速武器,飞行速度高达10马赫,现役的防空系统均无法拦截。“匕首”的折戟沉沙甚至令外界开始怀疑“锆石”导弹等其他俄制高超声速武器的真正效能。上月有媒体报道,“匕首”首席研究员Anatoliy Maslov在内的多名科研人员因“叛国罪”被捕,而不是较轻的“泄密罪”,前者最高可终身监禁。

综合各方面因素,我们极有必要不断审视高超声速“飞机”的真正价值:

1、参照陷入胶着的俄乌冲突,未来大国对抗中,从火炮炮弹到五代机都可能成为高强度对抗的消耗品。这种情形下,高空中三两架“一闪而过”的察打一体“飞机”又能有多高的战术和战略价值?“察”如何优于遍布游弋的长航时无人机和侦察卫星,而“打”如何优于弹道导弹、空射/舰载防区外武器和隐身轰炸机携带的低成本制导炸弹?

2、从各方面看,高超声速“飞机”都不应称作“飞机”,其更像一种能重复使用的“弹”(巡航导弹),其本身就是各种矛盾的集合体,研发过程可谓是“用自然规律对抗自然规律”。这种客观条件下,高超声速“飞机”项目更应视作——以有限投资为未来高速飞行器(及其动力系统)探求机理、储备技术的试验平台,而不能真正当作认准某些性能指标“持续砸钱、大力出奇迹”的潜在型号。

3、2021年,美军披露了一个名为“火箭货运先锋”的实验性军事项目,该项目“设计能够快速装货、卸货的火箭货船仓”并“利用火箭货船空降货物”。据猜测,SpaceX公司的猎鹰9号、重型猎鹰、甚至未来的星舰,都可能成为“火箭货运”的载具,为美军提供一种可重复使用、低成本的全球快速到达运载能力。众所周知,SpaceX的火箭并非采用最尖端的技术和材料,相反其最注重经济性、可靠性和快速工程迭代。如果运载火箭在技术成熟度、飞行速度、运行经济性、部署灵活性和载荷方面均超过高超声速“飞机”,那么发展后者的意义何在?


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