武器研发路上的“拦路虎”

周梁 杨四华

尽管高超音速武器的未来前景广阔，但由于涉及多项高新技术，各国在高超音速武器的研发过程中一路艰辛，代价不菲。2001年，日本停止了高超音速飞机项目HOPE-X。美国HTV-2B高超音速技术载具连续失败、X-51A型高超音速飞行器多次坠毁。这些实例充分表明，在高超音速武器项目的研发上，地基动能武器如电磁炮、高超音速防空导弹等项目相对成功率高一些，但各国在高超音速飞行器研发的道路上都遇到了严重的技术阻碍。

前俄罗斯航天司令部战役局局长维克托·斯塔鲁少将曾评论道：“美国的高超音速飞行器，从技术观点上看是不大可信的。”那么，高超音速飞行器在技术上都需要攻克哪些“拦路虎”呢？

新型发动机技术难以突破

尽管与火箭发动机相比，冲压发动机具有效率更高、航程更远和可携载荷更多等优势，但冲压发动机研制的技术难度很大。

首先，限制其使用的一个基本条件是，只有当飞行器速度超过3马赫以上时，冲压喷气发动机才能开始工作。这就意味着提速之前需要通过其他手段使飞行器达到3马赫以上的速度，高超音速飞行器才能“夺命狂奔”。

其次，维持高超音速飞行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，但飞行器在高超音速飞行中仍会出现许多问题。2012年8月，美国X-51A型高超音速飞行器第三次飞行测试失败，主要原因是它被载机B-52轰炸机在高空发射后，火箭助推器虽把飞行器速度提高到4.8马赫，但吸气式超燃冲压发动机却没有工作。X-51A型高超音速飞行器目前还只能一次性使用，如果想要发展由机场起降、可重复使用的高超音速飞行器，则需要发展技术更为复杂的组合发动机，如涡轮式组合循环推进系统，实现大速度跨度（从0至5马赫以上）飞行，可想而知技术难度该有多大。因此，目前尚处于研制阶段的主流高超音速飞行器，如美国的X-51、美国陆军AHW项目等，只能采取由其他平台挂载到高空再投放的试飞方式。各国目前尚无法开发出自主起降能力的高超音速飞行器。

值得关注的是，近年来国际航天界为高超音速飞行研究了一种神奇的推进方式，即“脉冲爆炸引擎”。它可以通过连续爆震燃烧产生巨大的震波来推进飞行器。这种引擎的优点在于结构较简单，没有任何风扇叶片、转轴之类的活动零件。这种推进方式有可能成为高超音速飞行器推进的解决方式。

气动布局设计难以验证

乘波体是一种全新的设计理念，主要利用超音速飞行时的前缘附体激波来产生升力，进行飞行。乘波体飞行器的气动布局非常关键，因为其外形决定了激波模式，而激波模式又与航程密切相关。美国X-51A 型高超音速飞行器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，以验证是否需要进一步完善。通常，在设计航空器外形时，都必须先进风洞进行模拟气流冲击试验。但由于目前尚无哪个国家的风洞能够“造”出速度高达10马赫的高超音速气流，因此高超音速飞行器难以进行地面模拟试验。尽管计算机模拟技术能辅助设计，但由于高空气流环境未知因素过多，气动布局方案只能边试飞边改进。

飞行器综合设计难以调和

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，使附近的气体分解和电离，形成相当复杂的混合气体。再者，地面风洞试验目前难以达到10马赫，这让高超音速气流研究成为非常复杂的难题。这不仅对飞行器平台的综合设计提出了挑战，也给高超音速条件下的精确控制带来了困难。美国的HTV-2高超音速飞行器在2010年和2011年的两次实验，先后因为飞控和激波扰动的问题，在滑行阶段达到20马赫之后就失控坠毁。

飞行器精确控制技术难以精准

实验表明，飞行器以10马赫以上的速度进行空中机动时，主要使用倾斜气动襟翼控制姿态，一旦出现丝毫偏差，就会引发意外的气动阻力，导致偏航，从而使飞行姿态进一步偏转直至失控。因此，在高超音速条件下，需要具备非常精确和高度自主的控制技术。美国第二次HTV试验失败后，项目负责人曾检讨道：“此次试验失败的主要原因是没有完全掌握对飞行器的有效控制”。

“热障”挑战难以克服

美国X-51A型高超音速飞行器首次试飞失败，原因之一就是热障导致喷管与机体连接处密封失效。飞行器以高超音速在大气层飞行时，气动加热会使其表面达到极高的温度，而高温又能使飞机结构强度与刚度降低，破坏飞机的气动外形，甚至引起灾难性的颤振。美国在研制3倍音速的SR-71侦察机过程中就遇到了“热障”的挑战。后采用耐高温的钛合金、隔热装置等手段，才实现了3倍音速飞行的梦想。在5马赫以上飞行时，飞行器表面如突出部、前部外缘处的温度将升至500℃以上，这对飞行器结构和制造材料的热防护提出了严峻挑战；飞行达到20倍音速时，飞行器除了必须经受2000℃以上足以熔化钢铁的气动加热外，还要承受极高的压力，为此必须开发出能承受高温和高压的特殊新材料。

尽管高超音速武器，特别是飞行器的研发困难重重，但事关争夺全球军事科技制高点，并能引领下一代战争形态的方向，因此，可以断定，各国的高超音速武器项目一定还会继续研发。研究人员普遍预计，类似美国X-51A型高超音速飞行器和射程约6000千米左右的高超音速巡航导弹，以及电磁炮等动能武器，要到2020年前后才能投入使用，而射程更远的空基或地/海基高超音速巡航导弹要到2030年后才能发展成熟。