高超聲速飛機(jī) 2小時(shí)打遍全球

最近，美國空軍的X-51A“乘波者”試驗(yàn)飛行器完成了4次試飛計(jì)劃中的最后一次，實(shí)現(xiàn)了以吸氣式超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的5馬赫持續(xù)高超聲速飛行的目標(biāo)。這標(biāo)志著美國在高超聲速飛行器研發(fā)領(lǐng)域又向前邁了一步。

但人們更為關(guān)心的是未來美國的軍用高超聲速飛機(jī)能否在2小時(shí)內(nèi)飛抵全球任何地區(qū)，執(zhí)行實(shí)時(shí)偵察、遠(yuǎn)程快速部署和精確打擊任務(wù)。

方案：從飛機(jī)到導(dǎo)彈

高超聲速技術(shù)是以吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)或組合發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力、在大氣層內(nèi)實(shí)現(xiàn)速度大于5馬赫的持續(xù)飛行的技術(shù)。由于其所帶來的軍事價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大，美國、俄羅斯等國家一直在矢志不移地研究，并制定了許多高超聲速技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。

特別是美國，從1985年起，一些研究機(jī)構(gòu)便根據(jù)國防部預(yù)研局（DARPA）的提議，開始實(shí)施“國家空天飛機(jī)計(jì)劃”（NASP）。該計(jì)劃的目的是開發(fā)一種可完全重復(fù)使用、單級(jí)、以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)、水平起降的空天飛機(jī)。其最重要的工作內(nèi)容是開發(fā)一種可提供高超聲速飛行狀態(tài)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)E22A，并研制X-30驗(yàn)證機(jī)。

然而，由于該計(jì)劃提出的目標(biāo)過于龐大，耗資過于巨大，技術(shù)過于復(fù)雜，使其一開始就留下了陰影。1995年，耗資數(shù)百億美元、歷時(shí)10年之久的NASP計(jì)劃宣告停止。

后來，美國在總結(jié)NASP計(jì)劃正反兩方面經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)于發(fā)展和應(yīng)用高超聲速技術(shù)采取了更為穩(wěn)妥、循序漸進(jìn)的策略，并制定了近期、中期和遠(yuǎn)期目標(biāo)：近期目標(biāo)是發(fā)展高超聲速巡航導(dǎo)彈；中期目標(biāo)是發(fā)展高超聲速飛機(jī)；遠(yuǎn)期目標(biāo)是發(fā)展跨大氣層飛行器和空天飛機(jī)。

1996年，國防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DAPPA）制定了“快速反應(yīng)導(dǎo)彈演示”（ARRMD）計(jì)劃，目的是研制一種采用碳?xì)淙剂系某紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)、速度6～8馬赫、最大射程800～1200公里的高超聲速導(dǎo)彈武器。在此計(jì)劃牽引下，空軍與海軍分別制定了HyTech和HWT計(jì)劃。

1998年8月，DAPPA選擇波音公司對(duì)空軍和海軍的方案進(jìn)行論證，然后二者擇一。經(jīng)過論證，最后選擇了空軍HyTech計(jì)劃的乘波體氣動(dòng)布局，在發(fā)動(dòng)機(jī)方面，同樣選擇了HyTech計(jì)劃的成果普·惠公司研制的SJX61碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)（該發(fā)動(dòng)機(jī)原計(jì)劃配裝X-43C，該項(xiàng)目于2003年取消）。

2005年9月，DARPA與空軍確定共同資助HyTech的后續(xù)工作，稱之為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)演示HySET?？哲妼⒃撚?jì)劃列入X-Plane系列中，命名為X-51A SED飛行器，字母“A”代表X-51飛行器系列中的第1個(gè)飛行器的設(shè)計(jì)方案。

X-51A計(jì)劃的主要目的之一是對(duì)美國空軍的HyTech超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行飛行試驗(yàn)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)使用吸熱型碳?xì)淙剂希軐w行器的速度從4.5馬赫提升到6.5馬赫。此外，還有以下目的：一是獲取超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的地面及飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以加深對(duì)物理現(xiàn)象的理解并開發(fā)可用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的計(jì)算工具；二是驗(yàn)證吸熱式燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際飛行狀態(tài)下的生存能力；三是通過自由飛行試驗(yàn)來驗(yàn)證超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)能否產(chǎn)生足夠的推力。

就這樣，經(jīng)過多年的探索，美國確定了以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為技術(shù)突破點(diǎn)的技術(shù)路線；在平臺(tái)方面，沒有像以往那樣一上來就花巨資開發(fā)技術(shù)難度更大的高超聲速飛機(jī)，而是采用了成本可承受、風(fēng)險(xiǎn)較低、易于形成裝備的巡航導(dǎo)彈方案。這是一個(gè)痛苦的選擇，也是一個(gè)明智的選擇。

試驗(yàn)：一波四折終獲成功

按計(jì)劃，X-51A一共進(jìn)行了四次飛行試驗(yàn)。

2010年5月26日，X-51A在美國南加州太平洋海岸附近完成了首次飛行試驗(yàn)，使用了由普惠洛克達(dá)因公司制造的吸氣式超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。這是一種全新的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，可與二戰(zhàn)后由螺旋槳推進(jìn)向噴氣推進(jìn)的飛躍相提并論。試驗(yàn)中，該發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)紀(jì)錄地工作了140秒，并且把飛行器加速到了5倍音速。

2011年6月13日，X-51A進(jìn)行了第二次飛行試驗(yàn)。當(dāng)天，B-52戰(zhàn)略轟炸機(jī)攜帶X-51A飛行器飛至發(fā)射點(diǎn)后，火箭推進(jìn)器成功地將X-51A推進(jìn)至5倍音速。以乙烯為初始燃料的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)成功點(diǎn)火，但在隨后轉(zhuǎn)而使用JP-7常規(guī)燃料時(shí)，進(jìn)氣道未能啟動(dòng)。之后，工作人員重啟、恢復(fù)最佳條件的努力失敗，導(dǎo)致第二次飛行過早終止。

2012年8月14日，X-51A在加州的美國海軍空戰(zhàn)中心海上靶場進(jìn)行了第三次飛行試驗(yàn)。飛行器成功從B-52上分離，但飛行16秒后出現(xiàn)了錯(cuò)誤，此時(shí)X-51A還沒有與助推火箭分離。15秒后，X-51A從助推火箭上分離下來時(shí)，控制翼出現(xiàn)故障，飛行器失去控制，墜入大海。

最近的一次是2013年5月1日。此次試驗(yàn)中，X-51A持續(xù)飛行了300秒，隨后在500秒左右開始無動(dòng)力滑行下降，最后墜落在加州西部太平洋試驗(yàn)場的海域中。如果相關(guān)數(shù)據(jù)被確認(rèn)，將意味著持續(xù)吸氣式高超聲速飛行創(chuàng)造了新紀(jì)錄。

本次試驗(yàn)采用的是波音公司制造的四架飛行器中的最后一架，動(dòng)力采用了普惠洛克達(dá)因的SJX61雙模態(tài)亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)前三次飛行試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)進(jìn)行了改進(jìn)：在發(fā)動(dòng)機(jī)流道截面采用了更好的密封，防止重蹈首次飛行時(shí)燃?xì)馇秩腼w行器內(nèi)部而導(dǎo)致飛行過早結(jié)束的覆轍；針對(duì)第二次試飛進(jìn)氣道未啟動(dòng)的故障進(jìn)行了軟硬件改進(jìn)；針對(duì)第三次試飛時(shí)飛行器控制翼面故障進(jìn)行了改進(jìn)。

目標(biāo)：高超聲速飛機(jī)

雖然當(dāng)前美國研究高超聲速技術(shù)的目標(biāo)在于發(fā)展導(dǎo)彈武器，但就未來看，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)應(yīng)用到高超聲速飛機(jī)的價(jià)值更大。

一來，軍用高超聲速飛機(jī)可在2小時(shí)內(nèi)飛抵全球任何地區(qū)，可執(zhí)行實(shí)時(shí)偵察、遠(yuǎn)程快速部署和精確打擊任務(wù)。其突防能力強(qiáng)、被攔截概率小，若再配掛高超聲速防區(qū)外攻擊武器，將大大提高作戰(zhàn)效能。

二來，如果高超聲速技術(shù)在洲際飛機(jī)上得到應(yīng)用，以5～6馬赫的速度飛行，航程達(dá)到數(shù)萬公里，那么它在民用方面將擁有很大的潛在市場。

事實(shí)上，美國一直沒有放棄對(duì)高超聲速飛機(jī)的追逐。1996年NASP計(jì)劃終止后，美國國家航空航天局（NASA）依然在繼續(xù)實(shí)施著高超聲速-X（Hyper-X）計(jì)劃，研究內(nèi)容主要是X-43系列飛行演示器的機(jī)體結(jié)構(gòu)、材料以及熱防護(hù)系統(tǒng)，其目的是將高超聲速吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室推廣至飛行環(huán)境中，等等。

截至目前，X-43A已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)次試飛，并達(dá)到了最快近10倍音速的飛行速度。

NASA本打算推動(dòng)X-43A的后續(xù)型X-43C的發(fā)展，后者采用了許多在Hyper-X計(jì)劃中已經(jīng)驗(yàn)證的系統(tǒng)，包括助推器、級(jí)分離、飛行管理和數(shù)據(jù)系統(tǒng)等。但2003年，NASA與DARPA協(xié)調(diào)后取消了X-43C項(xiàng)目，隨后，由DARPA和美國空軍聯(lián)合實(shí)施的FALCON（武力運(yùn)用與本土發(fā)射）計(jì)劃出爐。

該計(jì)劃的目標(biāo)是研制可重復(fù)使用、能進(jìn)行快速打擊的高超聲速武器系統(tǒng)，主要包括三個(gè)內(nèi)容：

一是通用航空器（CAV）無動(dòng)力、機(jī)動(dòng)式、高超聲速滑翔的飛行器，能將約454公斤的彈藥投放于5560公里之外的目標(biāo)。

二是可將載荷發(fā)射至軌道或發(fā)射高超聲速武器載荷的小型發(fā)射飛行器（SLV）低成本的、常規(guī)的、帶助推器的火箭，用來發(fā)射CAV。該小型發(fā)射飛行器的成本約為500萬美元，能將約454公斤的有效載荷投放到低地球軌道上。

三是可攜帶載荷的高超聲速巡航飛行器（HCV）一種無人駕駛飛機(jī)，能夠從常規(guī)跑道起飛，可重復(fù)使用，可攜帶5400公斤載荷在兩個(gè)小時(shí)之內(nèi)對(duì)16650公里外的目標(biāo)實(shí)施打擊。由于難度巨大，HCV預(yù)計(jì)不會(huì)在2025年前裝備。

由FALCON計(jì)劃可以推測知，美軍的真正目標(biāo)是擁有類似HCV這樣的水平起降、可重復(fù)使用、能發(fā)射武器的高超聲速飛機(jī)，并伺機(jī)向技術(shù)難度更大的空天飛機(jī)往返系統(tǒng)進(jìn)軍。