ＨｙＦｌｙ驗(yàn)證機(jī)鎩羽而歸

溫　杰

近年來，美國(guó)海軍在DARPA的大力支持下，積極推動(dòng)“高超聲速飛行”(HyFly)驗(yàn)證計(jì)劃的發(fā)展，旨在早日研制出一種高超聲速巡航導(dǎo)彈所需的推進(jìn)系統(tǒng)，并在一些關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域中取得了很大進(jìn)展。然而，HyFly計(jì)劃一路跌跌撞撞。在2008年伊始所實(shí)施的最后一次驗(yàn)證試飛中再次遭遇挫折，導(dǎo)致研制工作暫時(shí)陷入僵局，給美國(guó)海軍高超聲速巡航導(dǎo)彈的未來發(fā)展蒙上了一層陰影。

研制方案起死回生

HyFly計(jì)劃是美國(guó)海軍長(zhǎng)期深入研究高超聲速導(dǎo)彈技術(shù)的一個(gè)重要階段。早在20世紀(jì)60年代初，美國(guó)海軍就提出了一項(xiàng)“超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)彈”(SCRAM)計(jì)劃，目的在于研制一種小型艦空導(dǎo)彈，由霍普金斯大學(xué)的應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室全面負(fù)責(zé)推進(jìn)系統(tǒng)的研究工作。在十多年時(shí)間里，研究人員經(jīng)過各種嘗試，在雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)方面取得了顯著進(jìn)展。然而，美國(guó)海軍卻認(rèn)為這一技術(shù)方案所使用的燃料存在毒性、而且狀態(tài)活潑，不適于艦載導(dǎo)彈使用。

為此，研究人員將目光轉(zhuǎn)向了應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)70年代初提出的一種技術(shù)概念一雙燃燒室沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(DCR)，曾經(jīng)在試驗(yàn)中證實(shí)了使用常規(guī)碳?xì)淙剂系目尚行?。?977年開始，研究人員著手研制一種能夠?qū)崿F(xiàn)工程應(yīng)用的DCR發(fā)動(dòng)機(jī)，但先后花費(fèi)了10年時(shí)間，才在進(jìn)氣道、亞聲速燃燒室和超聲速燃燒室的結(jié)構(gòu)及匹配方面取得了一些突破。為此，美國(guó)海軍不失時(shí)機(jī)地提出“高超聲速武器技術(shù)”(HWT)計(jì)劃，繼續(xù)大力推進(jìn)DCR發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證工作，為研制一種遠(yuǎn)程高超聲速巡航導(dǎo)彈奠定基礎(chǔ)。

1996年，DARPA為了集中力量發(fā)展高超聲速推進(jìn)技術(shù)，將美國(guó)海軍的HWT計(jì)劃和美國(guó)空軍“高超聲速技術(shù)”(HyTech)計(jì)劃合并為一項(xiàng)，發(fā)起了“可負(fù)擔(dān)的快速響應(yīng)導(dǎo)彈驗(yàn)證機(jī)”(ARRMD)計(jì)劃。該計(jì)劃要求，未來的高超聲速導(dǎo)彈必須能與美國(guó)空軍和海軍的多種戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)、戰(zhàn)略轟炸機(jī)、水面艦艇垂直發(fā)射系統(tǒng)、潛艇發(fā)射管相兼容，在打擊不同目標(biāo)時(shí)，可以分別采用整體式戰(zhàn)斗部、子彈藥和動(dòng)能侵徹戰(zhàn)斗部，重點(diǎn)打擊時(shí)敏目標(biāo)和深埋于地下的堅(jiān)固目標(biāo)。

國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)出于穩(wěn)妥考慮，在ARRMD計(jì)劃中仍然保留美國(guó)空軍和海軍的各自技術(shù)方案，希望通過為期18個(gè)月的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和方案論證，從中選擇出具有發(fā)展前景的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行下一階段的飛行驗(yàn)證。經(jīng)過波音公司近兩年的初步研究，DARPA認(rèn)為美國(guó)海軍的DCR發(fā)動(dòng)機(jī)的高超聲速工作速度范圍相對(duì)有限，并存在一些技術(shù)難點(diǎn)有待克服，于是，美國(guó)空軍的雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)脫穎而出，后來這種乘波機(jī)方案幾經(jīng)發(fā)展，逐步演變成為目前的X-51A計(jì)劃。

然而，普惠公司在研制超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的過程中，一度遇到了在超聲速氣流中無(wú)法維持燃燒的重大難題，導(dǎo)致ARRMD計(jì)劃一再拖延，最終在2001年被迫終止。于是，DARPA重新審視了此前落選的DCR發(fā)動(dòng)機(jī)方案，希望尋找到另一個(gè)可行的技術(shù)途徑。作為ARRMD計(jì)劃的延續(xù)，美國(guó)海軍研究辦公室和DARPA在2002年2月共同發(fā)起了為期4年的HyFly計(jì)劃，將一項(xiàng)價(jià)值9240萬(wàn)美元的合同授予了波音公司鬼怪工廠，用于設(shè)計(jì)、研制和試驗(yàn)一種驗(yàn)證機(jī)。

HyFly計(jì)劃旨在發(fā)展高超聲速巡航導(dǎo)彈所必需的一些關(guān)鍵技術(shù)，力求通過數(shù)次飛行試驗(yàn)，表明采用常規(guī)碳?xì)淙剂系腄CR發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)最大巡航速度M6.0，同時(shí)還將驗(yàn)證導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)能夠承受高超聲速持續(xù)飛行所產(chǎn)生的高溫。美國(guó)海軍的目標(biāo)是在這一技術(shù)成熟后，進(jìn)一步研制出一種高超聲速巡航導(dǎo)彈，射程超過1110千米。

關(guān)鍵技術(shù)厚積薄發(fā)

就總體設(shè)計(jì)而言，HyFly驗(yàn)證機(jī)的外形酷似一枚大型反艦導(dǎo)彈，彈體采用鈦合金制造，外部噴涂了特殊材料，以承受高速飛行所產(chǎn)生的高溫。它的彈徑較大，主要是為了滿足DCR發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度為4.25米，直徑大約500毫米。

從推進(jìn)技術(shù)角度來看，DCR發(fā)動(dòng)機(jī)是一種將亞聲速燃燒室和超聲速燃燒室串聯(lián)一體的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，可以更容易實(shí)現(xiàn)起動(dòng)，在相對(duì)較低的M3.0時(shí)順利點(diǎn)火。因此，DCR發(fā)動(dòng)機(jī)不僅突破了傳統(tǒng)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的速度極限，還克服了雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的一些局限，可以看作一種技術(shù)上的創(chuàng)新，很大程度上表現(xiàn)了應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室在這一技術(shù)領(lǐng)域的厚積薄發(fā)。

目前，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)典型的工作范圍在M3.0～5.0，超過M5.0時(shí)，空氣在進(jìn)氣道內(nèi)的滯止過程將發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的溫度增加到某一值后，難以通過燃燒有效地增加更多的熱量，工作效率非常低，最終喪失了靜推力，無(wú)法在高超聲速領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用。相反，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在大約M4～4.5飛行速度下投入工作，超聲速空氣與燃料在超聲速條件下混合、點(diǎn)火、膨脹后產(chǎn)生推力，但是，形成油氣混合氣并點(diǎn)燃的整個(gè)過程還不到幾毫秒，這對(duì)碳?xì)淙剂咸岢隽耸挚量痰囊蟆?/p>

為了有效解決這一矛盾，普惠公司在X-51A計(jì)劃中，直接讓碳?xì)淙剂贤ㄟ^超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的殼體，利用超聲速和高超聲速所產(chǎn)生的熱量，先將JP-7燃料裂解成為更容易揮發(fā)的成份。然后，這些氣態(tài)成份經(jīng)過一個(gè)專門的控制閥門噴射到超聲速氣流中，點(diǎn)燃后實(shí)現(xiàn)完全燃燒，產(chǎn)生推力。相比之下，DCR發(fā)動(dòng)機(jī)則另辟蹊徑，通過兩個(gè)燃燒室來處理碳?xì)淙剂享樌麑?shí)現(xiàn)燃燒的難題。它的工作機(jī)理是先借助亞聲速燃燒室進(jìn)行預(yù)先燃燒，再利用超聲速燃燒室實(shí)現(xiàn)完全燃燒，獲得所需的推力。

DCR發(fā)動(dòng)機(jī)采用軸對(duì)稱的超聲速進(jìn)氣道，由尖銳修長(zhǎng)的進(jìn)氣錐和6個(gè)戽斗形外殼組成，前者起到壓縮和滯止超聲速氣流的作用，后者擔(dān)當(dāng)起引導(dǎo)空氣分流的任務(wù)。最值得注意的是戽斗形外殼的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，別具匠心地設(shè)計(jì)成為3個(gè)不同的氣流通道，巧妙地將滯止后的亞聲速氣流分為3股，以滿足不同燃燒狀態(tài)的需要。

首先，大約25％的空氣流量通過－個(gè)旋流通道和一個(gè)導(dǎo)流通道流入亞聲速燃燒室。其中約1／4空氣通過強(qiáng)迫旋轉(zhuǎn)后進(jìn)一步減速，與霧化的燃料形成適合于點(diǎn)火的最佳油氣混合氣，其余的空氣則與碳?xì)淙剂匣旌铣梢环N的富油混合氣，可以點(diǎn)燃并保持燃燒穩(wěn)定，未完全燃燒的混合氣經(jīng)過收斂通道膨脹到超聲速狀態(tài)。這一工作機(jī)理與沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程大體相似，因此DCR發(fā)動(dòng)機(jī)的工作起始速度降低到了M3.0，相應(yīng)擴(kuò)大到較低馬赫數(shù)的工作范圍。

與此同時(shí)，大約75％的空氣流過一個(gè)專門設(shè)計(jì)的收斂通道，再次加速到超聲速后，進(jìn)入到超聲速燃燒室內(nèi)。在這里，超聲速氣流與超聲速的富油混合氣均勻穩(wěn)定地完成充分摻混，使得油氣混合氣達(dá)到最佳燃燒狀態(tài)的比例，利用前面的預(yù)燃作用，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完全燃燒過程。這樣，DCR發(fā)動(dòng)機(jī)就實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的超聲速燃燒，可以獲得M6.0的高超聲速性能。

裝備使用從長(zhǎng)計(jì)議

20多年來，美國(guó)海軍一直青睞DCR發(fā)動(dòng)機(jī)，并未看好美國(guó)空軍X-51A計(jì)劃所采用的雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，這里面主要是基于多方面的長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮。首要的是在應(yīng)用方面。長(zhǎng)期以來，美國(guó)海軍只是關(guān)注研制一種高超聲速巡航導(dǎo)彈所需的動(dòng)力裝置，而美國(guó)空軍和NASA的研制目標(biāo)不僅用于發(fā)展一種高超聲速導(dǎo)彈，同時(shí)還能夠滿足可重復(fù)使用高超聲速平臺(tái)等多方面要求，這意味著推進(jìn)系統(tǒng)可能將存在更多的復(fù)雜性和冗余度，這些對(duì)于美國(guó)海軍期望的單一用途打擊武器是沒有必要的。

其次，美國(guó)海軍還考慮到部署平臺(tái)的兼容性。高超聲速巡航導(dǎo)彈必須安裝進(jìn)軍艦的垂直發(fā)射系統(tǒng)和潛艇的發(fā)射筒內(nèi)，還必須掛載在F／A－18E／F艦載戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)翼下，因此不得不考慮到結(jié)構(gòu)方面的各種特殊要求。這些作戰(zhàn)平臺(tái)的使用要求都嚴(yán)格限制了導(dǎo)彈的長(zhǎng)度和直徑，從而涉及到武器總體構(gòu)型的研制和設(shè)計(jì)等最基本方面，都必須認(rèn)真加以考慮。

美國(guó)海軍認(rèn)為，空軍正在研制的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用了矩形截面，這是為了最大限度地減少壁面冷卻面積，因此，概念中的高超聲速導(dǎo)彈具有一種楔形前端的乘波機(jī)或升力體的外形，但并不適合于目前軍艦和潛艇上的發(fā)射裝置。美國(guó)海軍所希望的高超聲速巡航導(dǎo)彈實(shí)際上應(yīng)該采用軸對(duì)稱形，而DCR發(fā)動(dòng)機(jī)采用了無(wú)需冷卻的軸對(duì)稱形狀，這是一種非常適合的結(jié)構(gòu)。

再者，高超聲速巡航導(dǎo)彈推進(jìn)系統(tǒng)的起始速度很大程度上決定著固體火箭助推器的長(zhǎng)度和尺寸。美國(guó)海軍一直認(rèn)為，如果推進(jìn)系統(tǒng)可以在較低的飛行速度下起動(dòng)點(diǎn)火，那么就有可能將助推器的體積設(shè)計(jì)得更小一些，這樣就能研制出一種結(jié)構(gòu)尺寸更加緊湊的導(dǎo)彈武器。因此，相對(duì)于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在M4～4.5條件下點(diǎn)火工作而言，DCR發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)速度大約在M3.0，應(yīng)該是一個(gè)比較理想的選擇。

與目前的HyFly驗(yàn)證機(jī)不同，美國(guó)海軍提出的導(dǎo)彈構(gòu)型將采用一個(gè)“嵌入式”固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，即安裝在導(dǎo)彈的彈體內(nèi)，一旦消耗殆盡后即被拋棄。根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案，高超聲速巡航導(dǎo)彈的艦載發(fā)射型和潛射型的長(zhǎng)度約為6.5米，重量約1725千克，而空射型長(zhǎng)度為4.65，重量為1044千克。如果不考慮串聯(lián)和“嵌入式”助推器，高超聲速導(dǎo)彈的長(zhǎng)度大約4.27米。目前，美國(guó)海軍主要集中于DCR發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)試驗(yàn)，暫時(shí)還未開始“嵌入式”助推器的研制工作。

根據(jù)HyFly計(jì)劃，驗(yàn)證機(jī)能夠采用了GPS實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)，未來發(fā)展出的導(dǎo)彈武器還計(jì)劃安裝一種通信數(shù)據(jù)鏈，可以在發(fā)射后的飛行過程中實(shí)現(xiàn)重新瞄準(zhǔn)。此外，高超聲速巡航導(dǎo)彈將采用數(shù)百磅載荷的戰(zhàn)斗部，也可以采用布撒子彈藥。

總之，HyFly計(jì)劃從2002年2月正式啟動(dòng)，到2008年1月最后一次發(fā)射試驗(yàn)，有進(jìn)展或部分成功，也出現(xiàn)了很多棘手的問題有待解決，可以說是喜憂摻半。在期待多年之后，美國(guó)海軍等來了HyFly計(jì)劃鎩羽而歸的結(jié)局，寄予厚望的高超聲速巡航導(dǎo)彈依然是夢(mèng)中的水月鏡花。

責(zé)任編輯：思空