小编采访

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【军武次位面】:风林火山

近来据美国媒体报道:我国再次成功进行高超音速飞翔器的测验,其最大飞翔速度达6马赫,最快于2020年就能执役。美国一方面大力烘托我国高超音速兵器的要挟,另一方面却在大力发展本国的高超音速兵器――HTV-2猎鹰和X-51驭波者,而现在X-51已进行屡次飞翔实验,那么这款助力美军全球冲击的高超音速导弹终究有多大的威力呢?高超音速飞翔器终究是怎样的兵器呢?

HTV-2猎鹰

X-51驭波者

超燃冲压发动机

冲压发动机原理十分简略(傻子都能看懂)

说起高超音速兵器就不得不提冲压发动机。冲压发动机的原理和技能并不杂乱,但因其燃料功率远低于涡轮喷气发动机,为此只在一些导弹上得到运用。迄今为止,有用的冲压发动机都是亚燃冲压发动机——所谓亚燃冲压,是指焚烧室气流速度为亚音速。但就高速飞翔而言,亚燃冲压却有着丧命缺点,因为需求依托正激波将迎面而来的超音速气流减速为亚音速气流,减速过程中气流压力和温度急剧上升,飞翔速度越高,亚音速气流的压力和温度就越高。8马赫时迎面气流空气动能高达3000千焦/千克,这个数字与典型碳氢燃料焚烧开释的热值适当,且高温下燃料还会分化,带来有用开释热值的下降,如5200K高温时,即使是简略的氢氧混合物也只能开释14%的能量用于加热。因而,亚燃冲压发动机一般作业在1-5马赫,超越5马赫功率就急剧下降。不仅如此,更高的飞翔速度所带来的高温高压,对焚烧室资料功能的要求也超出了人类资料技能的极限。

选用冲压发动机的黄铜骑士防空导弹

但高温的难题能够用气流超音速流过焚烧室来处理,这就形成了超燃冲压发动机。因为气流减速不多,因而进气增温加压的程度不太严峻,焚烧室能够运用现有资料完结,燃料高温分化的问题也能够得到缓解,可是超燃冲压发动机焚烧室气流速度太快,焚烧和安稳焚烧十分困难。对此,有这样一句闻名的比方,"超燃冲压发动机发生推力(包括焚烧和安稳焚烧)之难,不亚于在飓风中点着一根火柴并坚持不灭"。

超然冲压发动机另一个难题便是高温

自上世纪50年代开端超燃冲压研讨以来,相关技能难关迟迟未能打破,几十年间乃至没有发生过正推力。相比之下,超音速焚烧室低超音速下温度过低的问题,却是很好处理,在现在的实验阶段运用助推火箭直接加快到4.5马赫乃至更高速度,就避开了这个难题,此外还能够挑选燃点较低的燃料。究竟,超燃冲压发动机焚烧的难题,并不在于焚烧室温度低,而是气流速度太快。

虽然超燃冲压发动机存在种种技能妨碍,但关于超燃冲压发动机的研讨一直没有中止。早在1964年,美国开端超燃冲压发动机HRE的研讨,作为更庞大的单级入轨航天飞机的技能验证项目。1967年10月3日,运用X-15验证机带着轴对称超燃冲压发动机的HRE模型进行飞翔实验,飞翔速度到达6马赫以上,不过因为HRE悬挂于Ⅹ-15外,激波穿插搅扰下挂架呈现结构性损坏,带飞实验没有成功。1968年,X-15方案停止,HRE飞翔实验也随之撤销。之后,美国航空航天局和空军开端新的高超音速验证机方案,编号为X-24C,别离用于8至12马赫和3至9马赫的高超音速研讨。

高超音速兵器研讨还需求大型风洞(我国已树立)

虽然上世纪70年代高超音速验证机功败垂成,超燃冲压技能研讨堕入低谷,兰利研讨中心仍新建了超燃发动机的实验设备,进行了2种超燃冲压发动机的风洞实验,这些成功的实验验证了超燃冲压发动机的功能、操纵性、控制系统和结构方案。1986年,美航空航天局、国防部和工业界联合进行NASP(国家空天飞机)项目。这个雄心壮志的项目,要发展出一种以超燃冲压发动机为根底的单级入轨航天器,但因为技能妨碍及规划过程中功能方针不断下降,预算和分量不断添加,原方案运用超燃冲压发动机到达25马赫完结直接入轨的方针,到第二阶段研制过程中,动力约束理论最高速度只能到达20马赫,并且考虑到防热结构问题,速度要约束在17马赫。

在暗斗完毕和苏联崩溃的时代背景下,美国不愿意继续支撑费用昂扬的NASP项目,在1995年头撤销该项目。NASP的研制过程中,美国进行了数量可观的超燃冲压技能实验,得到了很多名贵数据,不过直到项目撤销,附面层气流紊乱与超燃冲压发动机无法发生正推力的问题,仍未得到处理。直到1995年,澳大利亚昆士兰大学才运用超燃冲压发动机在风洞中第一次在真实意义上完结了正推力。

X-51由B-52搭载

同年,美国空军开端高超音速技能方案,方针是验证4-8马赫范围内,射程1000公里左右的碳氢燃料超燃冲压发动机技能。2003年,世界上第一台燃料冷却的碳氢燃料超燃冲压发动机的地上测验,宣告完结。地上实验发动机(GDE-1)进行了4.5和6.5马赫的实验。2006年,在兰利研讨中心进行了GDE-2的地上风洞实验,模仿马赫飞翔,发动机焚烧时刻超越300秒,这为X-51A的发动机研制积累了丰厚的经历。跟着2006年完结GDE-2发动机的测验,在兰利研讨中心24米的风洞里进行了X-51A第一台实验发动机的测验作业,实验于2007年7月完结,验证了4.6、5.0和6.5马赫的模仿飞翔环境。2008年10月,第二台发动机进行了地上测验,在4.6和5马赫环境下,屡次作业累计达114分钟。

该发动机依然选用燃料冷却技能,运用JP-7燃料冷却焚烧室,这意味着理论上只需燃料供给正常,发动机就能继续作业,第一次飞翔实验的300秒作业时刻,实际上是遭到燃料带着量而不是散热的约束。X-51A的首飞时刻几经延迟,迟至2010年5月26日才正式进行。当地时刻上午10点,X-51A由B-52H载机开释,速度约0.8马赫,高度约1.5万米,固体助推器通过大约60秒的焚烧,将其加快到4.8马赫后在1.98万米高度别离。在超燃冲压发动机作业前,受空气阻力速度暂时下降到4.73赫,发动机发动后开端加快并爬高到2.1万米。但加快度最高只要0.15g,远低于原方案的0.22g。X-51A速度超越5马赫后,开端减速,详细原因不知道。超燃冲压发动机作业140秒后失去了X-51A的遥测信号,安全官员决议停止这次飞翔实验并发动自毁程序,此次试飞的速度也只到达了5马赫。虽然存在原因不知道的加快减慢和焚烧时刻缩短的问题,但长达140秒的超燃发动机作业时刻,依然是历史性的打破。

未来远景

美国一小时全球冲击方案

关于战术高超音速冲击来说,运用固体火箭助推器、超燃冲压发动机推力小和作业时刻短都不是妨碍,X-51A的发动机已经在模仿飞翔环境的地上测验中到达了300秒的作业时刻,初次试飞虽未能到达300秒作业时刻的方针但后继几回实验,完结这个方针并不是太大问题。以6马赫速度300秒时刻而言,仅仅是超燃冲压动力段的飞翔间隔就到达了600公里,加上火箭助推和高空滑翔的间隔,足以满意10分钟内1000公里冲击的方针。由此,战术高超音速冲击才能关于美军而言好像触手可及。

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