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空军专家谈X-51A:高超声速试验缘何屡失败
华夏经纬网   2012-10-09 14:38:08   
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  当作战飞机突破“音障”后,飞行器的速度似乎已经没有了上限,美国不断创造并越来越习惯航空领域的“速度奇迹”,不断向10倍,甚至20倍音速的方向发展。但近期X-51A试飞失败,似乎将美国人对于高超声速的梦想拉回到现实。那么,美国高超声速飞行达到什么水平,又遇到了哪些阻碍呢?请看科技日报特约专稿——高超声速试验缘何屡遭失败

  由于速度对飞行器作战效能的极大提升作用,一直以来,“更快”就是美国航空领域不断追求的目标之一。

  当作战飞机突破“音障”后,飞行器的速度似乎已经没有了上限,F-15、F-22等战斗机早已可以完成Ma2(两倍音速)以上的飞行,D-21、SR-71可以实现Ma3以上的飞行,美国不断创造并越来越习惯航空领域的“速度奇迹”,不断向Ma6、Ma10,甚至Ma20的方向发展。但近期X-51A试飞失败,似乎将美国人对于高超声速的梦想拉回到现实。

  风口浪尖上的X-51A

  美国的X系列试验飞行器,以探索前沿的航空航天等领域先进技术而一直为世界关注,其取得的大量成果也在客观上推动了高科技军事装备的快速发展。X-51A就是一个典型的用于发展和验证高超声速飞行技术的项目,为未来Ma6以上空射武器提供技术支持,为美军实现全球快速打击战略能力铺路。

  X-51A项目的前身是美空军研究实验室2004年启动的“超燃冲压发动机验证机—驭波者”计划,由波音与普惠两家公司共同开发,目标就是要发展一种可在1小时内攻击地球任意位置目标的新型高速武器,2005年9月,美空军将“驭波者”命名为X-51A。

  X-51A由巡航飞行器和助推器组成,巡航飞行器头部扁平,尾部设4片襟翼,腹部进气,采用超燃冲压发动机,可提供200秒以上的动力冲压支持,助推器采用固体火箭燃料。组合体总长7.65米,巡航级长度4.23米,最大宽度0.58米,组合体总重1790千克,巡航级发射重量683千克,射程可达740千米,最大速度可达Ma6以上。其飞行过程为,X-51A由B-52H携带至12千米高空投放,用助推火箭加速到超声速,爬升至20千米左右后启动超燃冲压发动机进行高超声速飞行,动力飞行240秒左右,超燃冲压发动机关机,开始约500秒的无动力飞行和下滑。

  据相关报道,X-51A迄今为止已经进行了3次试飞。2010年5月26日晚,X-51A进行了首次飞行试验。B-52从爱德华空军基地起飞,在飞行至穆谷海军航空作战中心领海范围内,从15千米左右的高空投放X-51A。当超燃冲压发动机工作到140秒左右时,喷管与机体连接处密封失效,燃气泄漏,造成推力不足和发动机舱温度上升,X-51A启动了安控程序并自毁。此次飞行试验并未完全成功,但验证了包括飞行器与助推器的级间分离、超燃冲压发动机的起动和点火和飞行器控制等许多高超声速关键技术。2011年6月13日第二次试飞中,由于超燃冲压发动机的进气道未启动,试验失败。2012年8月16日,X-51A进行了第三次试飞,在15千米高空自B-52轰炸机下分离,助推点火后仅飞行16秒,就由于平衡尾翼出现的问题导致冲压发动机点火失败,继续飞行15秒后失去控制,并坠入太平洋。

  鸡蛋没有放在一个篮子里

  作为高超声速飞行最具代表性的项目之一,X-51连续3次试飞失败,对于美国探索高超音速飞行无疑是个重创,但是美国并非只有X-51这一个高超声速飞行项目。

  从上世纪八十年代开始,美国开展了NASP计划、HyTech计划(后来衍变为HySet项目)、HyFly项目、X-51A项目、FALCON项目等一系列直接或间接发展高超声速飞行器技术的计划或项目。这些计划或项目,有些虽然由于经费等原因被取消,但有些进行了整合并正在开展,具有很好的继承性和连续性。目前重点项目除X-51A外,还包括FALCON、HyFly等项目。

  HyFly计划是由美国国防高级研究计划局和海军研究中心联合实施的高超声速飞行演示试验,其目的是通过飞行试验验证以液体碳氢燃料超燃冲压发动机为动力、最大巡航马赫数6.0、射程1100千米的高超声速导弹方案。该计划2001年开始实施,采用双燃烧室超燃冲压发动机方案。HyFly项目是距离工程化最为接近的高超声速飞行验证项目,前后经历了十多年的发展。从2005到2010年,HyFly项目共进行了5次飞行试验,2次成功, 2007、2008和2010年进行的3次动力飞行试验都没有完全成功。2007年9月25日进行了首次动力飞行,由于燃油控制系统出现故障,未能达到预期的Ma5目标。2008年1月16日,第二次动力飞行试验,由于超燃冲压发动机没有按照预定程序工作,试验再次失败。2010年7月29日,最后一次动力飞行试验,由于投放后助推器未能点火,仍以失败告终。

  2004年,美国空军和国防高级研究计划局联合启动FALCON计划(又称“猎鹰”计划),2006年,命名为“高超声速技术飞行器”(HTV),旨在发展一种全球到达的高超声速巡航飞行器,巡航速度Ma10,可在2小时内打击16000千米外的目标。该项目按照技术特点不同发展了三种演示验证飞行器,HTV-1、HTV-2和HTV-3。HTV-1是采用当前技术水平,一次性使用的火箭助推无动力滑翔试验飞行器,由于出现技术问题无法克服,加上HTV-2进展较快,目前已被取消。HTV-3是未来的高超声速巡航飞行器的缩小型,计划实现常规跑道上起降,2小时内从美国本土飞到全球任何地方。2008年4月完成初步设计后,因拨款不足而暂停。目前仍在进行的是HTV-2,它也是一次性使用的火箭助推无动力滑翔试验飞行器,但性能水平较HTV-1有大幅提高。飞行器重约900千克,最高飞行速度可达Ma20以上,目标是实现最大航程大于8000千米,无动力滑翔飞行时间3000秒以上。2010年4月22日, HTV-2进行了首次飞行试验,虽然HTV-2与火箭成功地实现了分离,但在飞行9分钟后,与遥测站失去了联系,飞行试验失败。2011年8月11日进行第二次飞行试验,与火箭成功分离后,进入滑翔阶段,约26分钟后失去联系,结论为飞行模式异常。

  高超音速究竟难在何处

  从上述的演示飞行结果来看,大多数高超声速飞行都没有完全成功。虽然技术探索本身就是尝试,失败从另一方面也是一种积累,但上述情况,充分说明了美国在高超声速飞行的多个项目上都遇到了严重的技术阻碍,那么,高超声速飞行都需要攻克哪些关键技术呢?

  第一,支持高超声速飞行的动力技术。Ma6以上的高超声速飞行,常规的吸气式动力装置已经难以支持,X-51A和Hyfly项目的动力装置都采用了冲压发动机。与火箭发动机相比,冲压发动机具有效率更高、航程更远,可携载荷更重等优势,主要是由于无需携带占据很大发射重量的燃料和氧化剂。但冲压发动机技术难度很大,尤其是维持高超声速条件下的稳定燃烧十分困难,美国已开展了多年的冲压发动机技术攻关工作并取得了大量成果,但在高超音速飞行中仍会出现许多问题,如Hyfly项目。对于要发展由机场起降、可重复使用的高超声速飞行器,如HTV-3,则需要发展技术更为复杂的组合发动机,如涡轮基组合循环推进系统,实现大速度跨度(从0至Ma6以上)飞行,但由于技术难度和经费需求都很大,目前美国尚处于探索阶段。

  第二,先进乘波体气动布局设计技术。乘波体是一种全新的设计理念,其主要利用超声速飞行时前缘附体激波,通过激波压力来产生升力进行飞行,因此乘波体气动布局非常关键,其外形决定了激波模式,激波模式与航程密切相关。X-51A就采用了乘波体设计技术。这种设计技术目前仍然需要飞行试验验证以进一步成熟。

  第三,高超声速飞行器综合设计与精确控制技术。当飞行器以高超音速飞行时,会产生强烈的激波,激波与附面层之间产生相互干扰,在高超音速气流驻点附近产生极高的温度,能使附近的气体分解和电离,形成相当复杂的混合气体,使得高超声速气流的研究成为非常复杂的问题。这不仅对飞行器平台的综合设计提出了挑战,也给高超声速条件下的精确控制带来了困难,X-51A最近一次验证飞行失败就是这个原因造成的。

  第四,防热结构与材料技术。高超音速飞行还有一个巨大的难题需要面对,就是高速条件下产生的“热问题”。以高超音速在入大气层内飞行时,气动加热会使其表面达到极高的温度,当飞行器在Ma6以上飞行时,表面多个部件温度将达到500℃以上,对于结构和材料的热防护提出了严峻挑战,X-51A首次试飞失败,喷管与机体连接处密封失效,气动热就是重要的原因之一。

  除此之外,高超声速飞行器未来要形成作战能力,还要在全系统发挥作战效能等问题上解决一系列问题,包括超高声速条件下的武器末制导技术等。

  综合来看,高超音速飞行项目近期问题的集中爆发,充分说明了其巨大的技术难度,但由于潜在的巨大军事效益,此项目一定还会继续发展。预计美国类似X-51A的中等射程高超声速巡航弹要到2020年才能投入使用,射程更远的空基或地/海基高超声速巡航弹要到2020年后,至于机场起降、可重复使用的高超声速飞行器,则更为遥远。(科技日报 空军装备研究院 王治 牛文博 马光军)

 

责任编辑:胡光曲

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