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前语

上一篇介绍乘波体高明音速兵器的文章里,笔者有介绍过美国的X-51A高明音速飞翔器。这个飞翔器在一票乘波体高明音速兵器中异乎寻常,它并非是运用弹道导弹那样的固体火箭发射的,而是选用了吸气式的进气道和喷气式发起机。不过这种发起机和咱们现在任何一种导弹的发起机都有较大不同。就拿咱们的YJ-12反舰导弹来说,它选用的是冲压发起机(ramjet),能够抵达3马赫以上;而X-51所代表的技能方向,则是冲压发起机的顶配版——超燃冲压发起机(Supersonic Combustion Ramjet),速度是6马赫打底,理论上限可达25马赫。

超燃冲压发起机原理

首要咱们就看看什么是冲压发起机,再看什么是超燃冲压发起机。

冲压发起机

冲压发起机,其实便是省去了燃气涡轮压气机的喷气式发起机。冲压发起机其实是轴流式涡轮喷气发起机演化而来。轴流式涡轮喷气发起机的底子结构由一个外壳构成内在道,包裹数级压气机叶片和涡轮叶片,涡轮和压气机由一根传动轴衔接;空气经过压气机后被紧缩,在涡轮前的焚烧室与喷出的油混合焚烧,推进涡轮旋转,废气从尾部喷出;涡轮带动压气机继续吸气并紧缩,这样就完成了一个可继续的循环。

轴流式涡轮喷气发起机原理

但是这种发起机当飞翔速度抵达3马赫其时分,功率就会变得极为低下;由于气流要想进入压气机,首要有必要从超音速减速到亚音速,那么为了给超音速气流减速,就有必要在进气口外,以及进气喉道中设置多个斜激波进行减速。前期选用的是可调的激波锥,比较有代表的便是机头进气的米格-21;后来又呈现了矩形进气道,进气道内设置可调隔板来调整激波视点;但是跟着速度的添加,给气流减速也越来越困难,不得不在发起机内设置多个波系,比方SR-71,就有多达6个波系,并且气流减速到亚音速的行程也越来越长,发起机的进气喉道越长分量也越大。所以跟着飞翔器飞翔速度的添加,涡轮喷气式发起机的规划也越来越杂乱。

多波系外压式进气道

而冲压发起机,在高马赫数下却能够很好的处理气流减速的问题。在亚音速下,压气机对气流的增压效果很显着,而超音速下跟着马赫数的添加,进气道本身对气流的增压效果就强,到了1.2~1.4马赫时,进气道的增压效果和压气机简直相同;而到了3马赫以上时,进气道对气流的增压比抵达40:1,远远超出了压气机的功率。所以关于高马赫数飞翔器,完全能够去掉,压气机和燃气涡轮结构,经过进气道截面积逐步减小和进气道内的激波来完成对气流的减速紧缩,并选用火箭上常用的拉瓦尔喷管添加废气的喷出速度。所以冲压式发起机就变成了这个姿态:

冲压式发起机原理

不过由于冲压发起机在亚音速下无法作业,低马赫数下总压恢复系数十分低,一般不会作业在2马赫以下,所以它不会独自呈现在飞翔器上,一般是要调配一个涡轮喷气发起机,或许火箭发起机来协作运用。比方SR-71黑鸟的J-58发起机,便是一种涡轮机组合循环(TBCC)发起机,在2.5马赫下,作业在涡轮喷气状况,2.5-3.2马赫下,作业在冲压发起机状况。而现代的冲压式反舰导弹,直接选用火箭发起机,先将导弹加快到2马赫以上,再敞开冲压发起机进行循环,使导弹能够加快到3马赫以上。鹰击-12,P-10/布拉莫斯,雄风-3反舰导弹均属于此类规划。

J-58冲压发起机,高速下激波锥向发起机里缩堵住压气机,变身成冲压发起机

鹰击-12,运用了冲压发起机,速度可达3马赫以上

超燃冲压发起机

那么此刻的冲压发起机能不能进一步将导弹提高到5马赫以上,成为一种高明音速兵器呢?很惋惜的是,这种将气流减速为亚音速再紧缩的冲压发起机,理论上在超越5马赫后,受资料耐温极限的约束,进气道不能将高明声速来流紧缩到适宜焚烧的亚声速了。并且即使能够用这样的资料,将5马赫以上的气流减速到亚音速,支付的阻力价值也是巨大的,现有的碳氢燃料很难满意这样的要求。而假如焚烧室能够直接运用超音速气流进行焚烧,那么就不存在以上问题了;所以一种新的冲压发起机被提出,那便是——超压冲燃发起机,英文是Supersonic Combustion Ramjet,也被简称为Scramjet

超压冲燃发起机与冲压发起机都没有压气机和燃气涡轮,但是详细仍是有差异的,首要不同在于进气道-焚烧室这段的结构。它要捕捉更多的空气,并且要有更高的紧缩比,因而看起来超燃冲压的进气口和焚烧室进口的截面积比值更大一些,看起来更像一个喇叭形;超燃冲压发起机进气口的几个要害目标,是空气流量捕获系数、总压恢复系数、出口流场质量以及较高的反抗焚烧构成高压的才能(抗反压才能)等功能。假如不能抵达要求,就不能完成安稳循环。

超燃冲压发起机

此外,超燃冲压发起机的另一个要害技能便是怎么完成安稳的超音速焚烧。这个瓶颈是曩昔几十年喷气式发起机一向坚持要把气流减速到亚音速后在进入焚烧室焚烧的一个原因。由于超音速气流的不安稳性,并且在焚烧室内存在反射激波的耦合效果,这些都要考虑在内,否则很难完成安稳焚烧,这个难度相当于在飓风下点着一根火柴;完成的要害在于怎么规划焚烧室的几许形状和截面积,以及选取适宜喷油方位。

亚/超双模态冲压发起机

超燃冲压发起机的收益十分显着,那便是它能够保持6~25马赫的飞翔速度。当运用碳氢燃料时,理论上最大飞翔速度能抵达8马赫;而运用氢燃料则能够打破10马赫,理论最大速度25马赫。不过超燃冲压发起只能在高于5马赫的状况下发起,所以真实投入运用的,是亚音速/超音速焚烧的双模态冲压发起机。也便是说在小于5马赫时,超燃冲压发起机是无法发起的。因而只能先让让亚音速焚烧的冲压发起机先作业,加快到挨近5马赫时敞开超燃模块进气道,完成超音速焚烧。

双模态冲压发起机

带火箭助推器的双模态冲压发起机

中美俄等国的超燃冲压技能的展开

美国

超燃冲压发起机的难度无疑是十分高的。尽管早在80时代, NASA就现已开端了超燃冲压发起机和飞翔器的研讨,但是首个超燃冲压飞翔器的试飞,现已21世纪的作业。2002年美国NASA研制的X-43A高明音速飞翔器是第一个运用了超燃冲压发起机的飞翔器,选用了乘波体的构型,不过以失利告终;而2004再次发射时,继续了11秒的飞翔中抵达6.8316马赫的速度,发明了新的世界纪录。在2004年的最终一次试射中,更是时刻短抵达了9.8马赫的极速,这也是迄今保持吸气式发起机试飞中创下的一个记载。

NASA的X-43A

而2005年12月试射的Hyfly则是一种轴对称形状,选用双模发起机的高明音速飞翔器,方案由火箭助推器将其加快到3.5马赫后在发起双模态发起机作业,加快到6马赫。该飞翔器在5.5马赫下保持了11秒飞翔。

波音研制的Hyfly

但以上的验证机由于都无法保持长期的安稳飞翔,所以底子无法应用到实践的作战兵器中;不过由于积累了满足的经历,美国方案开发一种新的乘波体+双模冲压发起机的高明音速兵器。这便是X-51/X-51A。该项目从2005年发起,2013年5月最终一次飞翔实验中,X-51A成功以5.1倍声速飞翔了约3.5 min,飞翔间隔间隔将近500km。尽管速度远不及之前的X-43和Hyfly,但这种安稳可继续的飞翔,才是军方所需求的。不过在这之后,尽管美国提出了HSSW方案(高速冲击兵器)。但长达数年的时刻都没有从头试射X-51A,一向到我国的乘波体高明音速兵器试射成功,俄罗斯“匕首”“前锋”高明音速兵器宣告执役,在高明音速兵器的进展上现已被中俄反超,美国的DARPDA才宣告将在2019年一起实验两种高明音速兵器以应对中俄的要挟,其间一种是吸气式高明音速巡航导弹,一种类似俄罗斯“匕首”空射弹道导弹那样的空基火箭滑翔兵器。

X-51A,起个大早赶个晚集

HSSW

不过呢,尽管美国进展落后,咱们也不能小看。由于美国的路途是正确的,乘波体吸气式高明音速兵器本身不带着氧化剂,因而以较小的体积就能够取得很高的射程,并且适宜战斗机带着、发射,因而很适宜作为战术冲击兵器。比起需求用弹道导弹来发射的高速滑翔弹头,发射本钱低了许多。

俄罗斯

俄罗斯对超燃冲压发起机的研讨也是始于80时代,在90时代初就完成了高空实验台的焚烧。同样地,俄罗斯对高明音速兵器的研讨也是两条路途,一种是轴对称式的,一种是锥导师乘波体。不过也都处于实验方式,没有真实首飞。

“冷”高明音速飞翔器,带双模冲压发起机和液氢燃料

彩虹规划局的D-2吸气式高明音速兵器

咱们知道,世界上第一种超越3倍音速的反舰导弹,P-10,便是俄罗斯弄出来的,后来拿到印度去卖了个不错的价钱,这便是布拉莫斯。布拉莫斯选用的是头部进气道冲压发起机。在这个根底上,2018年俄罗斯初次试飞了超燃冲压发起机的“锆石”反舰导弹,据称这种导弹的最大速度在6~8马赫。从外形来看,锆石与美国的X-51A较为类似,也是乘波体,而非像布拉莫斯那样轴对称的进气结构。这款导弹估计在2019年执役。

锆石的外形与X-51A较为类似

到现在为止,试飞的超燃冲压发起机,都是在6~8马赫这个区间。这个问题首要出在碳氢燃料上。碳氢燃料的键能底子上决议了热值。而氢燃料则否则。选用液氢做燃料的超燃冲压发起机理论上能够飞到25马赫(只需耐热资料够用)。所以,在这个范畴上的后起之秀——我国,开端了自己共同的路途。

我国

和我国的各种由弹道导弹发射的水漂弹比较,我国的双模冲压高明音速飞翔器的研讨显得低调了许多。我国的首个吸气式乘波体高明音速飞翔器的首飞是在2011年,并且在2014年取得圆满成功。能够说到了这儿,咱们的进展和美国的X-51A现已相差无几了。由于这项技能的重大打破,航天三院301所的陆红总师也因而拿到了2016年度的国家科技前进特等奖。

疑似我国首个乘波体吸气式高明音速飞翔器

从外形上看,这款乘波体高明音速兵器比较契合楔锥乘波体的结构,进气道规划也十分共同,和美国的X-51A和俄罗斯的锆石都有较大不同。能够说咱们在这个范畴的研讨才能现已迈入自由王国。

而在上一年的我国世界展览中心举办的北京世界军民交融配备展览会上,国防科技大更是高调展出了一种接近空间的高明音速试飞渠道——凌云。凌云是一种轴对称式的双模冲压发起机高明音速飞翔器,与美国从前研讨过的Hyfly十分类似,这次敢在军民交融展览会上展出,阐明咱们在一路途上的研讨现已比较老练,并且这绝对不代表咱们的最高水平,由于依照常规敢拿出来民用和外贸的必定不是最先进的。

凌云高明音速通用试飞渠道

凌云发射

你认为这就完了吗?没有!2018年12月,我国空气动力研讨院在官网宣告,液氢燃冲压发起机风洞实验焚烧成功,焚烧时的速度抵达了10马赫,继续了5ms。之前我现已介绍过,液氢燃料的超燃冲压发起机能够在6~25马赫下作业,只需耐热资料扛得住。这次咱们显然是不满意于碳氢资料带来的速度极限,让吸气式高明音速飞翔器开端向10马赫乃至15马赫,20马赫跨进!这但是了不起的根底研讨上的打破。有了这个风洞,咱们研宣告液氢燃料的双模冲压发起机也就指日可下。

其他国家

依据美国兰德智库给出的陈述,超燃冲压范畴中美俄占有前三,而印度、法国紧随其后,其次是澳大利亚、日本和欧盟。法国人在超压冲燃范畴的研讨在90时代就现已展开,其时与俄罗斯协作,进行了2次飞翔,抵达了5.8马赫的速度;不过其时法国人期望的是开发一种单级入轨飞翔器,将火箭和超燃冲压发起机结合起来,做成一种能够重复运用的轨迹运输机。

近些年,眼看着中美俄在高明音速兵器上的前进和实用化趋势,法国又有些坐不住了,这次他们务实了一些,方案展开的是载荷较低的吸气式高明音速兵器。和其他的欧洲兄弟比较,法国的根底比较厚实,要想研讨出来相对简单一些。

2019年6月,印度DRDO成功试射了本国的吸气式高明音速兵器。这种兵器的外形与锆石比较类似,也是乘波体结构,不知道是不是得到了俄方技能人员的支撑。由于布拉莫斯底子上便是俄罗斯P-10的印度国产版,独立搞出双模冲压发起机的可能性不大。所以应该便是所谓的“布拉莫斯II”,也便是锆石的出口版。

出口版锆石上写的是“布拉莫斯II”

日本的超燃冲压式高明音速兵器研讨,始于1980年时代。不过遭到平和宪法约束,以及本国真实没有这方面需求,一向都没有进行过验证飞翔。不过最年防卫省现已现已宣告,即将研制本国的吸气式高明音速兵器,估计在2025年3月就可开端试生产,并在2026年3月正式执役。

总结

从涡喷射起机到冲压发起机,再到超燃冲压发起机,人类吸气式飞翔器的速度从2马赫打破3马赫,再到10马赫,正是印证了那句名言:“全国武功唯快不破”,面临现已老练的结尾反导和日趋完善的中段反导,超燃冲压式的高明音速兵器有满足的自傲来打破这种防护体系的封闭,也必定影响催生新的反导体系的概念。

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