武器研發(fā)路上的“攔路虎”

周梁 楊四華

盡管高超音速武器的未來(lái)前景廣闊，但由于涉及多項(xiàng)高新技術(shù)，各國(guó)在高超音速武器的研發(fā)過(guò)程中一路艱辛，代價(jià)不菲。2001年，日本停止了高超音速飛機(jī)項(xiàng)目HOPE-X。美國(guó)HTV-2B高超音速技術(shù)載具連續(xù)失敗、X-51A型高超音速飛行器多次墜毀。這些實(shí)例充分表明，在高超音速武器項(xiàng)目的研發(fā)上，地基動(dòng)能武器如電磁炮、高超音速防空導(dǎo)彈等項(xiàng)目相對(duì)成功率高一些，但各國(guó)在高超音速飛行器研發(fā)的道路上都遇到了嚴(yán)重的技術(shù)阻礙。

前俄羅斯航天司令部戰(zhàn)役局局長(zhǎng)維克托·斯塔魯少將曾評(píng)論道：“美國(guó)的高超音速飛行器，從技術(shù)觀點(diǎn)上看是不大可信的?！蹦敲?，高超音速飛行器在技術(shù)上都需要攻克哪些“攔路虎”呢？

新型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)難以突破

盡管與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)具有效率更高、航程更遠(yuǎn)和可攜載荷更多等優(yōu)勢(shì)，但沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研制的技術(shù)難度很大。

首先，限制其使用的一個(gè)基本條件是，只有當(dāng)飛行器速度超過(guò)3馬赫以上時(shí)，沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)才能開(kāi)始工作。這就意味著提速之前需要通過(guò)其他手段使飛行器達(dá)到3馬赫以上的速度，高超音速飛行器才能“奪命狂奔”。

其次，維持高超音速飛行條件下的穩(wěn)定燃燒十分困難。美國(guó)已開(kāi)展了多年的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)攻關(guān)工作，但飛行器在高超音速飛行中仍會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題。2012年8月，美國(guó)X-51A型高超音速飛行器第三次飛行測(cè)試失敗，主要原因是它被載機(jī)B-52轟炸機(jī)在高空發(fā)射后，火箭助推器雖把飛行器速度提高到4.8馬赫，但吸氣式超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)卻沒(méi)有工作。X-51A型高超音速飛行器目前還只能一次性使用，如果想要發(fā)展由機(jī)場(chǎng)起降、可重復(fù)使用的高超音速飛行器，則需要發(fā)展技術(shù)更為復(fù)雜的組合發(fā)動(dòng)機(jī)，如渦輪式組合循環(huán)推進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大速度跨度（從0至5馬赫以上）飛行，可想而知技術(shù)難度該有多大。因此，目前尚處于研制階段的主流高超音速飛行器，如美國(guó)的X-51、美國(guó)陸軍AHW項(xiàng)目等，只能采取由其他平臺(tái)掛載到高空再投放的試飛方式。各國(guó)目前尚無(wú)法開(kāi)發(fā)出自主起降能力的高超音速飛行器。

值得關(guān)注的是，近年來(lái)國(guó)際航天界為高超音速飛行研究了一種神奇的推進(jìn)方式，即“脈沖爆炸引擎”。它可以通過(guò)連續(xù)爆震燃燒產(chǎn)生巨大的震波來(lái)推進(jìn)飛行器。這種引擎的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，沒(méi)有任何風(fēng)扇葉片、轉(zhuǎn)軸之類(lèi)的活動(dòng)零件。這種推進(jìn)方式有可能成為高超音速飛行器推進(jìn)的解決方式。

氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)難以驗(yàn)證

乘波體是一種全新的設(shè)計(jì)理念，主要利用超音速飛行時(shí)的前緣附體激波來(lái)產(chǎn)生升力，進(jìn)行飛行。乘波體飛行器的氣動(dòng)布局非常關(guān)鍵，因?yàn)槠渫庑螞Q定了激波模式，而激波模式又與航程密切相關(guān)。美國(guó)X-51A 型高超音速飛行器就采用了乘波體設(shè)計(jì)技術(shù)。這種設(shè)計(jì)技術(shù)目前仍然需要飛行試驗(yàn)，以驗(yàn)證是否需要進(jìn)一步完善。通常，在設(shè)計(jì)航空器外形時(shí)，都必須先進(jìn)風(fēng)洞進(jìn)行模擬氣流沖擊試驗(yàn)。但由于目前尚無(wú)哪個(gè)國(guó)家的風(fēng)洞能夠“造”出速度高達(dá)10馬赫的高超音速氣流，因此高超音速飛行器難以進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)。盡管計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)能輔助設(shè)計(jì)，但由于高空氣流環(huán)境未知因素過(guò)多，氣動(dòng)布局方案只能邊試飛邊改進(jìn)。

飛行器綜合設(shè)計(jì)難以調(diào)和

當(dāng)飛行器以高超音速飛行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的激波，激波與附面層之間產(chǎn)生相互干擾，在高超音速氣流駐點(diǎn)附近產(chǎn)生極高的溫度，使附近的氣體分解和電離，形成相當(dāng)復(fù)雜的混合氣體。再者，地面風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)壳半y以達(dá)到10馬赫，這讓高超音速氣流研究成為非常復(fù)雜的難題。這不僅對(duì)飛行器平臺(tái)的綜合設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，也給高超音速條件下的精確控制帶來(lái)了困難。美國(guó)的HTV-2高超音速飛行器在2010年和2011年的兩次實(shí)驗(yàn)，先后因?yàn)轱w控和激波擾動(dòng)的問(wèn)題，在滑行階段達(dá)到20馬赫之后就失控墜毀。

飛行器精確控制技術(shù)難以精準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)表明，飛行器以10馬赫以上的速度進(jìn)行空中機(jī)動(dòng)時(shí)，主要使用傾斜氣動(dòng)襟翼控制姿態(tài)，一旦出現(xiàn)絲毫偏差，就會(huì)引發(fā)意外的氣動(dòng)阻力，導(dǎo)致偏航，從而使飛行姿態(tài)進(jìn)一步偏轉(zhuǎn)直至失控。因此，在高超音速條件下，需要具備非常精確和高度自主的控制技術(shù)。美國(guó)第二次HTV試驗(yàn)失敗后，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人曾檢討道：“此次試驗(yàn)失敗的主要原因是沒(méi)有完全掌握對(duì)飛行器的有效控制”。

“熱障”挑戰(zhàn)難以克服

美國(guó)X-51A型高超音速飛行器首次試飛失敗，原因之一就是熱障導(dǎo)致噴管與機(jī)體連接處密封失效。飛行器以高超音速在大氣層飛行時(shí)，氣動(dòng)加熱會(huì)使其表面達(dá)到極高的溫度，而高溫又能使飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度降低，破壞飛機(jī)的氣動(dòng)外形，甚至引起災(zāi)難性的顫振。美國(guó)在研制3倍音速的SR-71偵察機(jī)過(guò)程中就遇到了“熱障”的挑戰(zhàn)。后采用耐高溫的鈦合金、隔熱裝置等手段，才實(shí)現(xiàn)了3倍音速飛行的夢(mèng)想。在5馬赫以上飛行時(shí)，飛行器表面如突出部、前部外緣處的溫度將升至500℃以上，這對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)和制造材料的熱防護(hù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)；飛行達(dá)到20倍音速時(shí)，飛行器除了必須經(jīng)受2000℃以上足以熔化鋼鐵的氣動(dòng)加熱外，還要承受極高的壓力，為此必須開(kāi)發(fā)出能承受高溫和高壓的特殊新材料。

盡管高超音速武器，特別是飛行器的研發(fā)困難重重，但事關(guān)爭(zhēng)奪全球軍事科技制高點(diǎn)，并能引領(lǐng)下一代戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)的方向，因此，可以斷定，各國(guó)的高超音速武器項(xiàng)目一定還會(huì)繼續(xù)研發(fā)。研究人員普遍預(yù)計(jì)，類(lèi)似美國(guó)X-51A型高超音速飛行器和射程約6000千米左右的高超音速巡航導(dǎo)彈，以及電磁炮等動(dòng)能武器，要到2020年前后才能投入使用，而射程更遠(yuǎn)的空基或地/?；叱羲傺埠綄?dǎo)彈要到2030年后才能發(fā)展成熟。