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一周军情:“冯如奖”透露了中国高超声速飞行器的什么大秘密?
关键字: 高超声速侦察机载人无人机本周最为重大的军事事件莫过于俄罗斯在打击在叙利亚的“伊斯兰国”武装时,动用了里海分舰队发动巡航导弹攻击。(观察者网特约作者席亚洲对此发表了见解 ,本期军评不再赘述)而在军事科技领域,媒体本周关注到的中国第三届冯如航空科技精英奖事迹介绍则更是一个十足的“大新闻”。不同于颁奖后高度保密的国家科技奖国防工业部分,冯如航空科技精英奖虽然报道低调,却是公开渠道中少有对中国航空工业近年来成果的全景展现。在今年的冯如奖中获奖的高超声速飞行器和以往有什么不同呢?与此同时,朝鲜人民军规模盛大的阅兵上又有哪些新武器,值得我们进一步关注?
又一种新的高超声速飞行器?
随着中国近几年来多次试验高超声速飞行器,“高超声速”这个词也从美国独家的黑科技走向大众化:美国国会议员们动不动就用高超声速飞行器试验来渲染“中国威胁论”;俄罗斯的几家设计局则刨出了自己设计后没钱试验的概念来宣布本国科技同样先进;印度军方也开始在自己的“将”新闻里提出自己的高超声速飞行器计划;各路军事媒体更是开始畅想着用wu-14这样的高超声速飞行器“打航母、打海外基地、突破反导防御”等等,而这其中,有关中国高超声速飞行器的进展最为引人关注。
网友彩虹熊根据美国公开的中国DF-ZF无人机卫星照片绘制的想象图
本次冯如航空科技精英奖上曝光的是中国防科技大学王振国教授带领团队研制的国家重大专项的××高超声速飞行器,在介绍这种已经完成飞行试验的飞行器时,报道使用了“使我国成为继美国之后第二个实现以超燃冲压发动机为动力的高超声速飞行器自主飞行的国家”。根据王振国教授的其他事迹和研究领域,基本可以确定这款高超声速使用我国自行研制的航空煤油再生冷却超燃冲压发动机,飞行速度至少在5马赫以上。
超燃冲压发动机是冲压发动机的一种,即利用进气道对来流空气减速加压,在燃烧室内与燃料混合燃烧后从喷管喷出,对飞行器产生推力。不过普通冲压发动机或者一般的喷气式发动机都需要将空气减速到亚音速以下才能顺利燃烧,而超燃冲压发动机的燃烧室内气流速度则可以超过音速。这一性能特性对于高速飞行器十分重要,为了保持气流在进入燃烧室时速度降到音速以下,进气道必须经过各种复杂设计,当飞行器速度越来越大,达到数倍音速之时,发动机吸入的气流速度也迅速增加,给气流减速的难度也就骤然上升。很多冲压发动机推动的飞行器飞行速度之所以无法进一步提高,其中重要的原因就是更高速度下对于气流的减速难度就会急剧增大,这时候,能接纳超音速气流进入燃烧室并且稳定燃烧的超燃冲压发动机就显出其重要意义。
超燃冲压发动机原理早在20世纪50年代就提出了,但至今尚未实用化,原因很简单,超燃冲压发动机的气流在燃烧室停留时间仅为毫秒级,要让如此高速的气流和燃料混合并且点燃,形同“在龙卷风中点燃一根火柴”,作为发动机,同时还要实现稳定的燃烧并产生可观的推力,技术难度可想而知。
美国X-51A飞行器采用火箭助推器助推达到高速,然后使用超燃冲压发动机推进,然而事实上由于它的超燃冲压发动机推力很小,基本上只能验证超燃冲压发动机是否能够正常启动,并非真正依靠超燃冲压发动机飞行
为了取得较好的试验效果、降低研制难度并增大推力,美苏最早研制的超燃冲压发动机都使用比冲大、燃烧性能好的液氢燃料,理论上可达到的最大飞行速度为25马赫。但一旦涉及实用,尤其是将超燃冲压发动机用于各类军用飞行器时,需要低温贮存、补充困难且成本较高的液氢就显得不太使用,因此美国后来又开始研制使用碳氢燃料的超燃冲压发动机——所谓碳氢燃料,就是添加了各种添加剂的航空煤油。这种发动机的推力性能较差,理论上最大速度只能达到8马赫,但胜在实用。
这一领域最早的突破者是苏联/俄罗斯,其在90年代和21世纪初研制过多款使用液氢的超燃冲压发动机试验飞行器并进行过次数有限的飞行试验,并且有一款实用碳氢燃料的GLL-AP-02高超声速飞行器——后者在2013年莫斯科航展上出现过,但没有消息指出其进行过飞行试验。美国则是目前在这一领域的领先者。在介绍王振国的研究项目时,另一个被提及的外国型号便是美国的X-51A高超音速飞行器。作为世界上第一种以超燃冲压发动机为动力的高超声速飞行器,它的性能对于判断中国相关型号有着标杆作用。X-51A先后进行过四次试验,2010年5月26日,X-51A首次飞行试验取得成功,速度达到4.88马赫,超燃冲压发动机工作时间140秒。但接下来2011年6月和2012年8月的两次飞行测试都失败了。2013年5月1日,X-51A第四次飞行试验取得成功,最大速度达到5.1马赫,飞行高度18.3 km,超燃冲压发动机工作时间达到210秒,飞行距离426 km,创造了高超声速飞行器的飞行距离纪录。由于其最大飞行速度刚刚突破了高超音速5马赫的门槛,因此有理由相信,同样具备高超音速飞行能力的国产超燃冲压发动机飞行器的速度至少和X-51A相当,并且很有可能超过前者。
美国X-15A2,该机采用多个火箭助推器,是第一种载人在大气层内平飞的高超声速飞行器
我国最早的超声速燃烧研究可以追溯到1987-1992年863计划“天地往返运输系统”论证中对空天飞机的研究,上世纪90年代,在921工程和863计划的推动下,国内多家单位开始了超燃冲压发动机预研,在超声速燃料点火、稳定燃烧、高超声速进气道设计、高超飞行器气动、材料、发动机/飞行器一体化总体设计等方面都取得了进展。还建成了一批相关地面设备。根据公开报道,2011年6月,至少有一种超燃冲压发动机演示验证飞行器实现了首飞。值得注意的是,我国公开的超燃冲压发动机中,有好几款都是以碳氢燃料即航空煤油作为动力来源,这表明我国研制这一系列先进技术的目的直接指向实用化高超声速飞行器。
值得注意的是,X-51A的研制方是美国空军研究实验室(AFRL)与国防高级研究计划局(DARPA),其中的后者投资的都是一些极具技术前瞻性的高精尖“黑科技”,其技术水平往往在全世界都无人出其右。在中国今天总体科技研究水平尚未全面赶超美国的前提下,在高超声速领域能够紧随美国脚步,这无疑是我国相关科研人员的光荣。在中国高超声速试验的刺激下,比中国早几年取得相关领域试验成功的美国已经开始正视中国的追赶,因此可能在近期内扩大相关投资,重新开展X-51A的试飞并加快AHW高超声速导弹的试验和部署进度,试图保持领先地位。
由B-52轰炸机搭载升空的D-21无人机,该机的飞行速度可达3马赫,其发动机为冲压发动机,下方有火箭助推器
超燃冲压发动机技术有着极为重要的意义。目前我国已经完全掌握了(非超燃)冲压发动机的相关技术,比起此前的亚音速反舰导弹,采用(非超燃)冲压发动机的鹰击-91和鹰击-12系列反舰导弹已经将对手的预警和反应时间缩短了2/3。如果超燃冲压发动机实用化问题得以解决,即使不考虑在这基础上开发的各种侦察甚至载人飞行器,单纯将其用于反舰导弹,将导弹速度提升到6马赫左右,便能将敌舰反应时间再压缩一半,仅此一条,就具备重大的军事意义。
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