不甘落后的参与者

2017-08-09 22:36单方
兵器 2017年8期
关键词:冲压气动高超音速

单方

歐 洲

欧洲国家同样进行了一系列的高超音速技术研究,比如法国的STATALTEX和X 422项目。不过欧洲高超音速领域最著名的研究还是20世纪80年代提出的“赫尔墨斯”小型航天飞机(上图)、“桑格尔Ⅱ”空天飞机和“霍托尔”空天飞机,堪称欧洲三杰。

“赫尔墨斯”是一种可重复使用的航天飞机,它使用阿里安5火箭发射,要克服从近地轨道再入返回的严酷考验,对高超音速气动飞行控制和热防护系统都提出了很高的要求。“桑格尔Ⅱ”是一种类似米格-105的设计,它的母机在马赫数5速度下释放子机,子机的液氧液氢火箭发动机海平面比冲堪比美国今天RS-68A液氧液氢发动机的真空比冲,而它在高超音速方面的主要难题,同样是气动和防热。

相比之下,英国的“霍托尔”要激进的多。它使用了罗尔斯-罗伊斯公司的先进组合吸气式发动机RB545。这种独特的发动机不仅可以在冲压模式下工作,还可以在火箭模式下工作,最终实现单级入轨重复使用的宏伟目标。

遗憾的是,可重复使用的航天飞机/空天飞机不仅技术难度极大,而且研制和使用成本非常高,最终在欧洲放弃独立载人航天能力后付之东流。

欧洲对高超音速技术的追求并没有因此结束。“霍托尔”下马后,心有不甘的工程师们组建了反应发动机公司,提出了“云霄塔”空天飞机方案。“云霄塔”同样追求单级入轨和重复使用的能力。反应发动机公司还计划使用“佩刀”研制马赫数5的高超音速洲际航班客机,力图使伦敦到悉尼的快速航班变为现实。经过二十年的卧薪尝胆,“佩刀”已经证明了关键的换热器设计的可行性,十年内有望看到它实际飞行,甚至看到“云霄塔”对接国际空间站的壮观一幕。

法国从1992年到1998年实施了PREPHA项目,这是一个双模冲压发动机飞行器项目。1999年又开始了双模冲压发动机PROMETHEE项目。法国还提出了ASLP和MARS等高超音速导弹的设想,以及高超音速吸气式推进的无人机设计。

先进的推进技术为研制300名乘客、15000-18000千米航程、速度马赫数5-8的高超音速客机奠定基础。欧洲的另一个试验项目是高速飞行的空气动力和热载荷交互及先进的轻型材料,它使用甲烷燃料计划实现马赫数5-6的速度,并进行了耐高温陶瓷,轻质结构、气动外形和发汗式冷却技术的研究。欧洲人还计划进行LEA和HEXAFLY试验项目,以增强对高超音速飞行器的先进推进系统、结构和防热等关键技术的研究,其中LEA高超音速验证机将使用俄罗斯的“彩虹”D2试验器发射,而HEXAFLY也是一个欧俄合作研究项目(题图)。

欧洲航天局不仅研制了哥伦布轨道舱,还打算研制自动转移飞行器和乘员运输飞行器,其中后者作为载人飞船需要突破关键的返回技术。1998年欧洲航天局进行大气层外再入试验飞行器试验。它的外形设计和“阿波罗”飞船相似,重量2.8吨最大直径2.8米。其试验旨在实验航天器返回地面的全套技术,包括再入过程中的气动受力和气动加热,以及导航制导控制和海上打捞回收经验。德国还进行了著名的SHEFEX锐边飞行试验器研究。

传统的高超音速飞行器要么是基于再入弹头的圆锥体、双椎体等外形,要么是升力体或航天飞机那样有翼的气动外形,而德国的研究项目使用小型火箭发射外形独特的锐边飞行器进行再入大气层控制和防热技术的研究,扩展了人类对高超音速下气动和防热设计的研究。2015年2月11日IXV飞行器由“织女星”火箭发射后再入大气层并落入太平洋,它拥有两个可动襟翼进行再入高超音速飞行中的飞行控制,还使用了耐热陶瓷和烧蚀性材料制成的机身,主要用于验证再入飞行器的气动控制和防热技术。IXV作为欧航局下一代运载系统的关键技术验证项目之一,将为欧洲研制下一代再入飞行器铺平了道路,有助于研制可重复使用的货运甚至在人飞船。

日 本

日本在高超音速领域也有巨额投入,并以高超音速客机和高超音速技术上的重复使用航天器为重点进行了大量研究。日本参与国际空间站项目前后,航天方面的需求同样带来了对高超音速气动防热的研究。为了研制可重复使用的轨道飞机HOPE,从1994年开始,日本先后进行了轨道再入等一系列实验,使用小型舱体验证了轨道返回的气动控制和防热系统技术。日本近些年来还打算在HTV货运飞船上增加下行货运能力,也就是研制HTV-R飞船。它使用的倒锥形返回舱也将为日本获得更多的高超音速飞行试验数据,为更遥远的载人飞船奠定基础。

日本还进行了一系列高超音速推进系统的研究。从20世纪80年代开始日本进行了涡轮基组合循环推进系统的研究,其中预冷高速涡轮喷气发动机方案一路发展下来,吸气式涡轮冲压膨胀循环发动机项目就是其中的核心,目前日本正在积极探索马赫数4-8的先进吸气式发动机的发展,为未来研制高超音速导弹和客机铺平道路。

日本还推动HYTEX研究项目,使用固体火箭测试马赫数5的预冷吸气式发动机。日本也为未来的重复使用航天器进行了火箭基组合循环发动机的研究,其中使用RJTF发动机试验设施测试了4、6、8马赫的工作情况,而HIEST项目则着眼马赫数8-15的工作范围,正在进行风洞测试。

印 度

印度也进行了高超音速技术的研究。2006年印度进行了超燃冲压发动机的地面试验,据称在风洞中实现了马赫数6下稳定燃烧了7秒。2010年3月4日印度使用探空火箭进行了超燃冲压发动机燃烧室模块的被动飞行试验,试验使用的火箭称为高级技术火箭。火箭顶部搭载了一个被动式超燃冲压发动机的燃烧室模块,对超燃冲压技术进行演示,火箭在预定的环境下进行了7秒的高速飞行,搜集了燃烧室的气动数据,为后续的主动式超燃冲压发动机试验奠定了基础。

印度还使用ATV火箭进行RLVTD的系列试验,其中第一次试验HEX发射了一架缩比的小型航天飞机。2016年5月23日HEX试验成功,验证了航天飞机的气动控制系统和防热系统。当然航天飞机缩比模型只达到了不到马赫数6,飞行高度也仅有约65千米,其试验难度与其他国家有很大差距。印度还在积极准备后续RLV-TD飞行试验,据称后续飞行试验中将验证超燃冲压发动机的主动燃烧试验,使印度突破高超音速推进技术,跻身屈指可数的高超音速技术俱乐部。按照预定计划,印度的RLV-TD总计进行4次飞行试验,为印度发展可重复使用运载器铺平道路。印度使用ATV的超燃冲压发动机试验也在继续,据称2016年月或是略晚进行ATV的后续实验,进行主动点火燃烧,印度空间研究组织希望达成马赫数6速度下点火和发动机工作5秒的目标。

印度还和俄罗斯联合开展了“布拉莫斯2”高超音速巡航导弹项目,不过由于技术难度巨大,发动机飞行试验的时间节点不断推迟,导弹首飞更是遥遥无期。“布拉莫斯2”更多的还停留在纸面上,不过航展中展出的类似美国X-43A的模型,倒是展示了印度在高超音速技术领域的雄心壮志。

澳大利亚

澳大利亚等国家也没有放弃对高超音速技术的研究,著名的Hyshot和Hifire就是美澳合作的高超音速的项目。Hyshot项目使用小猎犬-猎户座火箭进行高超音速试验,主要用于验证超燃冲压发动机的工作情况,2001年首次试验试验。而2002年7月30日的第二次试验中,超燃冲压发动机首次成功工作产生加速。当然很多人更倾向于俄罗斯“冷“计划才是超燃冲压发动机的首次成功试验,Hyshot项目后续又进行了多次试验。

Hifire计划由美国空军研究实验室和澳大利亚国防科学与技术组织共同领导,项目更注重高超音速技术的基础研究。Hifire计划进行最多10次飞行试验,其中前三次分別编号为HyshotⅤ、Hyshot Ⅵ和Hyshot Ⅶ,分别进行高超音速下的乘波滑翔、马赫数8下超燃冲压发动机的自由飞行和马赫数8下超燃冲压发动机的动力飞行,Hifire计划将搜集大于马赫数5的高超音速飞行数据,为未来的吸气式高超音速飞行器尤其是武器系统的研制奠定基础。

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