美国高超声速研究动态

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图1 F -22猛禽战斗机与RATTLRS 高速导弹组合是一种设想的远程打击方案

美国高超声速研究动态

美国对高超声速的研究并未停滞不前,而是朝着不同的方向发展。军方对远程打击的需求进一步推动了对高速飞机和导弹的研究,不过,研究人员对美国下一代轰炸机到底应该飞多快一直存在争议。

2004年11月,X-43A H y -per -X 验证器创造了M a =9.7的速度记录,但此后不久,美国航空航天局(NASA )终止了吸气式可重复使用运载火箭的研究,而是把重点转向用于太空探索的低风险火箭推进式分离舱上。

美国始终保持着若干项高超声速研究计划,并且怀有明显的军事意图,NASA 也在寻求今后几十年的航天飞机后继型号。今天,研究已取得一定进展,可能会在近期内获得实际应用。1 高速度的潜在应用

目前在研的潜在飞行器包括高速导弹、远程打击飞机和快速反应运载火箭,不过,在防御规划人员确定高超声速飞行器是可行的选择方案之前(可能发生在今后20年内的任何时间),还需要进行大量的飞行试验。波音公司先进系统分部经理乔治#米勒认为,关键问题是技术成熟度。目前的技术准备等级(TRL)与X-30计划终止时并没有明显的差别。X -30计划曾经是一项雄心勃勃的计划,当时试图研制一种马赫数达25的单级入轨空天飞机,但由于种种原因,该计划于1993年下马,后来在X -30基础上按比例缩小研制了X-43A 。

目前正在实施的研究计划旨在通过飞行试验使高超声速技术达到6级技术准备等级。目前认为,在相关环境中验证机达到6级技术准备等级,就是达到了以可接受的风险进入工程研制所需的最低技术成熟度等级。

美国空军希望在2018年实现新的远程打击能力,这就意味着高超声速技术已经成熟或者接近成熟。届时,涡轮发动机和冲

压发动机推进的高速导弹可能成为候选方案,但是更长远地看,到2025年甚至2035年,采用超燃冲压发动机或者涡轮/超燃冲压组合循环发动机的高超声速飞行器可能会成为新一轮竞争方案。

2007年,美国将对两种高速打击武器进行飞行试验。根据美国海军研究局领导的时敏目标远程打击创新方案(RATTLRS)计划,洛马公司正在研制涡轮发动机推进的高马赫数导弹;而波音公司正在为海军研究局和国防高级研究计划局研制双燃烧室冲压发动机推进的H yFly 高超声速导弹验证器。

RATTLRS 计划的目的是在飞行试验中检验飞行器能否以涡轮发动机为动力,从亚声速加速

图2 挂在F-15E 战斗机下的H yF l y

到超声速巡航速度,然后以M a =3+

的速度巡航飞行至少5m in 。而计划的最终目标是使巡航飞行时间超过15m i n ,射程接近1000km 。洛马公司臭鼬工厂RATTLRS 项目主管克雷格#约翰斯顿认为,巡航飞行时间达到5m i n 足以验证相关的射程,如果巡航飞行时间能达到15m in ,也就进入了目前巡航导弹的等级。

海军研究局项目主管劳伦斯#阿什认为,对于验证联合战术武器系统的追踪能力来说,RAT -TLRS 最能反映出多平台发射(战斗机、轰炸机、舰艇和潜艇)900kg 级巡航导弹的特征。我们希望该计划能尽快从科学技术研究阶段进入工程研制和采办阶段。

2 涡喷发动机

阿什表示,对于RATTLRS 导弹和其它一些高速方案来说,关键技术是能够持续工作到M a =3~4的涡轮发动机,因为这一速度已超出涡轮发动机M a =2.5的标准极限。RATTLRS 导弹采用Y J102R 涡喷发动机,它由罗罗公司的自由工厂研制,其比推力是SR-71黑鸟侦察机J58发动机(由普惠公司研制)的6倍。SR -71属于巡航飞行器,而RATTLRS 则是加速飞行器。RATTLRS 导弹的质量、直径和长度分别是SR-71黑鸟侦察机的6%,25%和20%,而且无需借助加力燃烧室加速并巡航。RATTLRS 的外形和尺寸与SR-71黑鸟侦察机的发动机短舱极为相似,但其Y J102R 涡喷发动机却小得多,直径只有330mm 。虽然黑鸟侦察机的J58发动机的尺寸是YJ102R 的4倍,但干推力却只有Y J102R 的两倍。尽管外形很相似,但Y J102R 发动机的流路却非常简单,其性能即使在今天也难以超越。SR-71的发动机的流路则相当复杂,而且采用20世纪60年代的控制系统。当然,今天我们已拥有非常现代化的空气动力学和控制软件。

Y J102R 涡喷发动机的秘密之处在于罗罗公司研制的一种称作La m illoy 的材料,它由薄片层状穿孔金属构成,压缩机放气通过它们排出,使燃烧室和涡轮部件得以蒸发冷却。La m illoy 材料能够耐受极高的温度,因此,空气转变成推力亦不会冷却。按计划,Y J102R 涡喷发动机的飞行试验将于2007年下半年开始,届时将在加州穆古角太平洋靶场由NC -130F 飞机发射导弹。第一次飞行试验的成功,也就意味着达到6级技术准备等级。

由于RATTLRS 导弹的速度

是普通巡航导弹的三倍,因此作战武器可以在5m i n ~10m in 内命中目标。导弹在21km 高空巡航飞行,以M a =4的速度向目标俯冲,可穿透地下9m ~15m;或者以亚声速或超声速布撒子弹药。在执行时间敏感目标远程打击任务时,可以搜索各种目标,而且可以装备各种类型的战斗部,并非仅仅依靠导弹的动能。

波音公司H yFly 项目主管约翰#福克斯称,H yFly 是RAT -TLRS 的一个竞争者,H yFly 是动力装置验证器,而不是真正的导弹研制计划。其目的是利用碳氢燃料亚燃/超燃组合冲压发动机达到M a =6的速度,射程达到740km ;验证用于多平台(飞机、军舰或潜艇)发射的侵彻导弹的技术。

H yF l y 由波音公司的F -15E 战斗机发射,由火箭助推器推进到M a =3.5的速度,然后由双燃烧室冲压发动机加速到M a =6的速度。双燃烧室冲压发动机由约翰#霍普金斯大学应用物理实验室和航空喷气发动机公司联合研制,它有一个冲压发