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俄罗丝考试高超声速飞行器斯特林发动机

  出品:科普中国军事科技前沿

高超声速飞行器,其飞行速度等于或大于5倍声速,每小时至少可飞行6120公里。如此高速飞行,需确保飞行器关键结构部件承受剧烈的空气摩擦及高达2000-3000℃的热气流冲击而不被破坏。在高超声速热防护领域,陶瓷材料以其高熔点的特性脱颖而出,成为各大国竞相研发的优选材料,而陶瓷热防护技术也成为高超声速飞行器能否安全飞行的关键技术。

  据人民网消息,2014年8月25日,美国陆军研制的“高超声速武器”在阿拉斯加测试时发生严重故障,升空仅四秒后爆炸并坠落在测试基地内。尽管如此,美军将继续推动“高超音速武器”的开发项目,以便实现在一小时内打击地球上的任何目标。  那么,高超声速武器到底是什么?这个炫酷炸天的玩意儿,到底有多么牛逼哄哄呢?真的能一小时内打击地球上任意目标吗?我国是否有进行这方面研究呢?  撰文/郭亮(中国科学院力学研究所)  高超声速,技艺高超  所谓“高超声速飞行器”,是指飞行速度超过5倍声速的飞机、导弹、炮弹之类的有翼或无翼飞行器。  在英文中,高超声速称为“hypersonic”,这个词是我国著名科学家钱学森先生在1945年首次提出的。同时,他还提出了用“第一级喷气式飞机搭载第二级火箭的两级式发射”的方式来实现高超声速飞行的概念。直到20世纪80年代,还有许多国家遵循这个思路进行相关的研究工作。  简单来说,这种飞行器从美国纽约飞到我国北京,还用不了2个小时。毋庸讳言,这么快的飞行器当然具有巨大的军事价值,可以说是战场上的“倚天剑”、“屠龙刀”,以它遥遥领先于其他大气层飞行器的速度,无论是进行突防、侦察还是扩展战场空间,都能轻松完成。  概括来说,高超声速的优势有三个。  一是飞行速度快,2小时内可以打击全球任何目标。  二是探测难度大、突防能力强。由于通过时间短,防御雷达累积回波数量较少,不易被发现;即使被发现,地面防空武器系统也难以实现有效瞄准,因此突防概率极高。  三是射程远、威力大。目前正在研究的高超声速导弹,其射程都在几百千米甚至几千千米以上。根据动能公式可知,物体的动能与其速度的平方成正比,因此在进行高超声速飞行时,它的动能非常之大。与传统的亚声速飞行器相比,在同样质量的情况下,其威力将增大很多。  阻碍超声速飞行的“墙”——声障  我们常用“马赫数”(Ma)来描述飞行器的速度,它表示飞行器的飞行速度与当地声速之比。1Ma(1马赫)就表示飞行器以1倍声速飞行,小于1Ma即为亚声速飞行,高于1Ma则为超声速飞行。  当飞行器的速度逐渐接近声速后,声波会叠合,积累在飞行器前端,产生激波,形成了一堵“看不见的墙”。这堵“墙”会使飞行器产生强烈的振荡,不仅速度衰减,机翼下沉,机头也会往下栽,这就是声障。  为了突破激波的阻碍,飞行器除了要使用大推力的喷气发动机以外,还必须采用专门设计的空气动力外形。现在比较完善的方案,就是采用“后掠形机翼”或者“三角形机翼”,机翼也必须做得很薄。所以,我们看到一架飞机的外形,就可以判断出它是超声速还是亚超声速。  高超声速推进技术  在冲压发动机的燃烧室中,气流只能达到亚声速。为了突破这个限制,人们设计了新一代的发动机,在它的燃烧室中流动的是超声速的气流。这样的发动机,被称为超燃冲压发动机。  超燃冲压发动机,即“超声速燃烧冲压发动机”(SupersonicCombustionRamjet,缩写为Scramjet)的简称。它是一种进气流速超过声速的航空用冲压发动机,属于吸气式喷气发动机的一类。  高超声速风洞  目前,对高超声速飞行的研究、试验和评估,主要依靠三种方法:计算模拟与仿真(CFD)、地面试验和飞行试验,三者缺一不可。  地面试验的主要设备就是“高超声速风洞”。  对于高超声速飞行器来说,目前已有的常规地面风洞已经不能完全满足实验要求了,必须要使用更先进的风洞才行。为此,激波风洞出现了。  激波是气体、液体或者固体介质中压力、密度或温度在波阵面上发生突跃变化的压缩波,在超声速流动、爆炸等过程中都会出现激波。至于激波管,简单来说就是两根管子,中间一个膜,串联在一起。膜的一边充高压气体,另一边充低压气体,膜一破,高压气体压缩低压气体,就会在低压气体里面产生一个运动的激波。这个激波可以将其扫过的气体加速、加压、升温,而且能力非常强,利用这种激波管连接喷管,就做成了激波风洞。  我国的JF12激波风洞  中国科学院力学研究所的高温气体动力学国家重点实验室,在2008年1月正式启动了“复现高超声速飞行条件激波风洞”项目,2012年该风洞研制成功并接受了验收,命名为“JF12风洞”。风洞总长265米,总重量约1000吨。无论是试验时间、复现飞行速度、试验区尺寸等都处于国际领先水平,可以说是世界第一的高超声速激波风洞。

据”发动机制造者联盟”协会主席维克托尔在记者招待会上宣称,俄罗斯将进行速度为6~7倍声速的高超声速飞行器的发动机试验。他强调说,这种发动机将继续进行技术完善。不论在战争或者是和平条件下,在进行以有效货物运输为目的下一步航空发展中,没有高超声速飞机是不可想象的。所以,在航空领域里,应有计划地制造高超声速飞行器。目前,高超声速飞行器用发动机的研究工作正在航空发动机制造业的中央设计院进行。除此之外,还将出台俄国防部和其它感兴趣部门的拨款计划。他还说,目前国内没有制造这种发动机的目标大纲。另外,在制造高超声速飞行器方面,广泛地开展工作必须要有预算经费。

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  作者:兰顺正(察哈尔学会研究员)

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[据英国飞行国际网站2011年6月15日报道]
6月13日进行的X-51“乘波者”高超声速飞行器第二次飞行试验中,由于超燃冲压发动机的进气道未启动,X-51第二次飞行过早终止。在操作人员的控制下,飞行器溅落加利福尼亚沿海。

  监制:光明网科普事业部

热防护是一道世界难题
2003年,美国哥伦比亚号航天飞机发射后不久解体,搭载的7名航天员全部罹难。事后调查发现,在飞机发射82秒后,一块热防护材料从燃料箱上掉落,击中了哥伦比亚号左翼的复合材料板,1400℃的高温气体窜入内部,陆续烧毁了温度传感器,导致飞机左翼失去平衡。在强烈的摇摆中,飞机解体坠毁。这是一场令世界震惊的由热防护材料失效引发的灾难性事故。
如何实现对高速飞行器的热防护?该项技术的难度在美国的探寻历程中可见一斑。
1952年,美国首先提出将导弹头部做成钝形,可以提供较厚的激波层,耗散大量能量从而减少导弹表面的气动加热。但后续实验发现,仍有大量的热传递到导弹表面。随后,研究人员提出使用高热容的材料吸走飞行器表面的能量,后由于吸热量不够且过于笨重而放弃。
1955年,美国陆军导弹局在一次试验中发现,在2570℃的高温下,导弹外壳材料表面严重烧蚀,而距表面6.4mm以下的部位却完好无损。原来,这里使用了能够在分解、融化、升华等多种状态间转化、从而吸收大量热能的防热材料。
此后,受到启发的研究人员在实验基础上研发出轻质、中等弹头尺寸的陶瓷热防护材料,并在1956年配装在大力神导弹上进行飞行测试。经过反复实验改进,美国最终研制出高性能陶瓷热防护材料,为超音速飞行、宇宙航行、火箭发动机等技术扫清了障碍。
最有前途的热防护材料
陶瓷热防护材料有很多种,其中碳/碳复合材料以其优异的性能引起了各国的广泛关注。严格来说,碳/碳复合材料是指用碳纤维增强碳基体的复合材料。除了具有强度高、耐热性好等一系列特点,该复合材料还有一个“独门绝技”,那就是高温下其力学性能不降反升,表现出更高的强度和刚度,因此被研究人员认为是下一代高超声速飞行器最理想的热防护材料。
众所周知,现代楼房之所以坚固,很大程度上得益于钢筋混凝土的发明。碳/碳复合材料如同一面“墙壁”,其中碳纤维是“钢筋”,是唯一能在3000℃以上仍具有高强度的纤维;碳基体是“水泥”,发挥主体的承载烧蚀等作用。单纯的钢筋和水泥都无法建起高达几十层的楼房,但是将二者混合到一起,就可以实现强度和刚度的完美结合。碳/碳复合材料也一样,单纯的碳基体较脆易碎,用碳纤维增强以后就可以利用纤维和碳基体的界面结合作用,从而得到轻质高强的高性能复合材料。
陶瓷热防护材料有对付热量的三重“神功”:第一重是低温下的烧蚀耗热机制,即低温热量通过氧化烧蚀来“内部消化”,由于复合材料所用的陶瓷成分本身的熔点较高,因此可以耐受低温的热量;第二重是中温下通过表面辐射来散失热量,由于碳/碳复合材料的热导率较高,因此可以将热量快速传递和辐射出去,达到迅速散热的效果;第三重是高温下碳材料的升华作用,由于材料表面温度极高,碳基体可以直接升华为气态,从而带走大量的热。
在这三重“神功”的防护下,高超声速飞行器在超音速飞行时,即使气动加热使其外表面温度很高,陶瓷热防护材料也可以保证尖端形状不变、打击精度较高且不影响内部制导电子元器件的正常工作。
各国抢占的科技制高点 陶瓷热防护材料在军事领域具有极高的应用价值。
首先,陶瓷热防护材料大部分都是纤维增强的复合材料,质量更轻。美国X-37B上使用的陶瓷热防护材料密度仅为0.4g/cm3,与生活中泡沫板的密度相当。相比于上世纪使用的高温合金防护材料,陶瓷质量仅相当于原来的三分之一,这对于“为减轻每一克重量而奋斗”的航天领域而言是极大的“利好”。
其次,陶瓷热防护材料耐温极限更高。早期使用的金属材料极限温度仅为1500℃左右,而陶瓷热防护材料可在1700℃下稳定服役,短时间甚至可承受2000-3000℃高温。耐温极限提高后,飞行器就能以更高的速度飞行,从而大大增加实防能力。
最后,陶瓷热防护材料具有制备周期短、成本低、可重复使用的特点。初期使用的高温合金热防护材料需要进行多道工序的加工,制备周期长且造成大量原料浪费。而陶瓷热防护材料可使用模具铺展纤维,可使复杂结构一次成型,周期更短且成本更低。更重要的是,目前陶瓷热防护材料正在向可重复使用的方向发展,将极大降低军事飞行器的维护和制备成本。
目前,世界军事强国都在积极抢占陶瓷热防护材料的“科技高地”。美国在役的陆基战略核导弹——“民兵”系列,使用的就是碳/碳复合材料。美国的X-37B采用了防热/隔热一体化设计的整体增韧抗氧化陶瓷热防护复合结构,在耐温能力、强韧性和制备尺寸等方面均有较大提升。
俄罗斯则在苏联“暴风雪号”航天飞机复合材料防热瓦的基础上加以改进,研制出优异的“防热/隔热一体化”复合材料,经受住了3800℃的烧蚀环境的试验测试。德国在使用温度为1000℃的隔热材料基础上,加入耐高温的氧化锆纤维,研制出具有多层组合结构的新型隔热材料,最高使用温度可达1600℃。
随着飞行器的飞行速度不断提高,热防护技术已成为各军事大国竞相抢占的科技制高点。作为高超声速飞行器“铁布衫”,陶瓷热防护材料也日益成为技术关键点,具有极高的潜在军事价值。

波音公司B-52飞机携带X-51飞行器“完美地”飞至发射点后,火箭推进器成功将X-51推进至马赫数5,由普惠•洛克达因公司建造的超燃冲压发动机以乙烯为初始燃料,成功点火。在随后转而使用JP-7常规燃料时,进气道未能启动。之后发动机重启/恢复最佳条件的努力失败。

  在5月份的全国科技活动周暨北京科技周活动主场的军民融合展会上,国产“凌云”临近空间高超声速通用试飞平台公开亮相,这意味着中国的高超声速飞行器技术又进了一步。

按照NASA的说法,进气道不启动的原因多为激波速度过快,越过进气口前端,导致发动机气流的气压骤减。超燃冲压发动机的工作依赖着极度精确的激波运动和发动机气流。没有风洞能使空气以高超声速运动,因此高超声速试验极端困难。

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空军项目经理查理•布林克表示:“显然,我们很失望,原本我们期待着更好的结果。但是我们仍对此次飞行收集到的数据感到满意。我们将继续检查这些数据,了解更多关于这项新技术的知识。每一次对这项令人振奋的新技术进行试验,就距离成功更近一步。”

  “凌云”临近空间高超声速通用试飞平台(图片来自网络)

在2010年5月26日X-51首次飞行中,飞行器在超燃冲压发动机点火110余秒后,经历了相似的进气道未启动问题,之后发动机成功恢复。飞行控制持续至143秒时,发动机密封失效,导致试验中断。

  航空“新星”唯快不破

  高超声速飞行器是飞行速度超过5马赫的飞机、导弹、炮弹等有翼或无翼飞行器的总称。由于蕴含巨大的军事和经济价值,所以高超声速飞行器已成为当今世界各军事大国纷纷投资的领域,成为21世纪航空航天事业发展的一个主要方向。

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  美国快鹰高超音速巡航导弹(图片来自网络)

  高超声速飞行器大致可分为两个种类:

  第一类为吸气式高超声速飞行器,这类飞行器依靠自身高性能动力推进系统就可实现大气层内数倍音速的飞行器。超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机是这类高超声速飞行器的关键技术。

  第二类高超声速飞行器又被称为助推滑翔高超声速飞行器。目前助推滑翔高超声速飞行器大多采用技术上可行的火箭助推获得速度完成进入太空,达到最高点后下降进入大气层,进入大气层后通过气动升力效果在靠近大气层的边缘进行滑翔,最终抵达目标上空。

  高超声速飞行器一旦武器化,其首要特点就是一个“快”字。这类武器的飞行速度设计指标都在5马赫以上,因此能在很短的时间内抵达地球上的任何一点,迅速打击数千或上万公里外的各类军事目标。同时这类武器则可在瞬间跨越遥远的距离,使对方拦截兵器没有足够的反应时间和实施拦截的飞行速度,有利于突破对方防空火力拦截,达到出其不意的攻击效果。另外高超声速武器不但拥有精度,而且借助高速飞行获取巨大动能,通过直接碰撞杀伤目标,其产生的巨大破坏力适合打击加固和深埋目标。

  “东风—征服”名扬海外

  这些年来中国在第二类高超声速技术领域的发展引人瞩目,如2014年1月14日由美国华盛顿自由灯塔报首先向外界披露,中国于2014年1月9日首次测试的一种高超音速滑翔载具,2014年1月15日,中国国防部证实了这一消息。

  美国军方将这项高超音速滑翔式导弹载具试验对象命名为WU-14。WU指的是中国山西省五寨导弹基地,14为该型号首试年份,既2014年,中国国内也有舆论将其称为“DF—ZF”(即“东风—征服”的首字母)。外媒称,在随后的近3年时间里,中国已对该超高声速滑翔载具进行了7次测试,其中6次被认为成功。

  “凌云”高超声速飞行器厉害在哪

  一直以来,中国的第一类高超声速技术显得有些默默无闻,在国际上这类飞行器知名的主要有美国的X-51、俄罗斯的“锆石”等。而本次的“凌云”可谓是帮助中国补齐了这块短板。

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  “凌云”头部进气道特写,从这里可以看到它采用了弹头进气布局(图片来自网络)

  从相关图片可以看到“凌云”高超声飞行器弹头布置有X形四进气道,所以应该是采用的超燃冲压发动机。超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机。所谓冲压,就是利用飞行器飞行时的迎面气流的压力,使其进入发动机后自然压缩。当飞行速度小于5倍声速时,冲压发动机吸入的空气被压缩后,气流速度会下降到低于声速;但飞行速度再增加,压缩后的气流速度将高于声速。也就是说,燃料必须在高于声速的气流中燃烧,即所谓“超声速燃烧”。由于超燃冲压发动机可以在攀升过程中从大气里获取氧气,因此可以放弃携带氧化剂,节省重量,就意味着在消耗相同质量推进剂的条件下,超燃冲压发动机能够产生4倍于火箭的推力。

  可问题在于,超燃冲压发动机的研制同样是障碍重重。首先,流过超燃冲压发动机的空气只有几毫秒的通过时间,要想在这样短的时间内完成压缩,并使燃料与空气迅速、均匀、稳定、高效地掺混、点火并燃烧,技术上十分困难,如同“在十二级大风中点燃一根火柴”。其次,超燃冲压发动机需要克服的另一大难题是材料。由于发动机工作时具有极高的热负荷,因此需要使用最高性能的耐高温复合材料。虽然有消息称“凌云”飞行器在数年前就已在社交媒体露过面,但此次官方正式公布无疑是向世人宣布中国的超燃冲压发动机技术已经趋于成熟,这为中国自己的高超声速巡航飞行器打下了坚实的基础。

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