美軍研制的X-51A高超聲速無人飛行器已連續(xù)三次試驗(yàn)失敗
當(dāng)作戰(zhàn)飛機(jī)突破“音障”后，飛行器的速度似乎已經(jīng)沒有了上限，美國不斷創(chuàng)造并越來越習(xí)慣航空領(lǐng)域的“速度奇跡”，不斷向10倍，甚至20倍音速的方向發(fā)展。但近期X-51A試飛失敗，似乎將美國人對于高超聲速的夢想拉回到現(xiàn)實(shí)。那么，美國高超聲速飛行達(dá)到什么水平，又遇到了哪些阻礙呢？請看科技日報(bào)特約專稿——高超聲速試驗(yàn)緣何屢遭失敗
由于速度對飛行器作戰(zhàn)效能的極大提升作用，一直以來，“更快”就是美國航空領(lǐng)域不斷追求的目標(biāo)之一。
當(dāng)作戰(zhàn)飛機(jī)突破“音障”后，飛行器的速度似乎已經(jīng)沒有了上限，F(xiàn)-15、F-22等戰(zhàn)斗機(jī)早已可以完成Ma2(兩倍音速)以上的飛行，D-21、SR-71可以實(shí)現(xiàn)Ma3以上的飛行，美國不斷創(chuàng)造并越來越習(xí)慣航空領(lǐng)域的“速度奇跡”，不斷向Ma6、Ma10，甚至Ma20的方向發(fā)展。但近期X-51A試飛失敗，似乎將美國人對于高超聲速的夢想拉回到現(xiàn)實(shí)。
風(fēng)口浪尖上的X-51A
美國的X系列試驗(yàn)飛行器，以探索前沿的航空航天等領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)而一直為世界關(guān)注，其取得的大量成果也在客觀上推動了高科技軍事裝備的快速發(fā)展。X-51A就是一個(gè)典型的用于發(fā)展和驗(yàn)證高超聲速飛行技術(shù)的項(xiàng)目，為未來Ma6以上空射武器提供技術(shù)支持，為美軍實(shí)現(xiàn)全球快速打擊戰(zhàn)略能力鋪路。
X-51A項(xiàng)目的前身是美空軍研究實(shí)驗(yàn)室2004年啟動的“超燃沖壓發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)—馭波者”計(jì)劃，由波音與普惠兩家公司共同開發(fā)，目標(biāo)就是要發(fā)展一種可在1小時(shí)內(nèi)攻擊地球任意位置目標(biāo)的新型高速武器，2005年9月，美空軍將“馭波者”命名為X-51A。
X-51A由巡航飛行器和助推器組成，巡航飛行器頭部扁平，尾部設(shè)4片襟翼，腹部進(jìn)氣，采用超燃沖壓發(fā)動機(jī)，可提供200秒以上的動力沖壓支持，助推器采用固體火箭燃料。組合體總長7.65米，巡航級長度4.23米，最大寬度0.58米，組合體總重1790千克，巡航級發(fā)射重量683千克，射程可達(dá)740千米，最大速度可達(dá)Ma6以上。其飛行過程為，X-51A由B-52H攜帶至12千米高空投放，用助推火箭加速到超聲速，爬升至20千米左右后啟動超燃沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)行高超聲速飛行，動力飛行240秒左右，超燃沖壓發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，開始約500秒的無動力飛行和下滑。
據(jù)相關(guān)報(bào)道，X-51A迄今為止已經(jīng)進(jìn)行了3次試飛。2010年5月26日晚，X-51A進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn)。B-52從愛德華空軍基地起飛，在飛行至穆谷海軍航空作戰(zhàn)中心領(lǐng)海范圍內(nèi)，從15千米左右的高空投放X-51A。當(dāng)超燃沖壓發(fā)動機(jī)工作到140秒左右時(shí)，噴管與機(jī)體連接處密封失效，燃?xì)庑孤?，造成推力不足和發(fā)動機(jī)艙溫度上升，X-51A啟動了安控程序并自毀。此次飛行試驗(yàn)并未完全成功，但驗(yàn)證了包括飛行器與助推器的級間分離、超燃沖壓發(fā)動機(jī)的起動和點(diǎn)火和飛行器控制等許多高超聲速關(guān)鍵技術(shù)。2011年6月13日第二次試飛中，由于超燃沖壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道未啟動，試驗(yàn)失敗。2012年8月16日，X-51A進(jìn)行了第三次試飛，在15千米高空自B-52轟炸機(jī)下分離，助推點(diǎn)火后僅飛行16秒，就由于平衡尾翼出現(xiàn)的問題導(dǎo)致沖壓發(fā)動機(jī)點(diǎn)火失敗，繼續(xù)飛行15秒后失去控制，并墜入太平洋。
雞蛋沒有放在一個(gè)籃子里
作為高超聲速飛行最具代表性的項(xiàng)目之一，X-51連續(xù)3次試飛失敗，對于美國探索高超音速飛行無疑是個(gè)重創(chuàng)，但是美國并非只有X-51這一個(gè)高超聲速飛行項(xiàng)目。
從上世紀(jì)八十年代開始，美國開展了NASP計(jì)劃、HyTech計(jì)劃(后來衍變?yōu)镠ySet項(xiàng)目)、HyFly項(xiàng)目、X-51A項(xiàng)目、FALCON項(xiàng)目等一系列直接或間接發(fā)展高超聲速飛行器技術(shù)的計(jì)劃或項(xiàng)目。這些計(jì)劃或項(xiàng)目，有些雖然由于經(jīng)費(fèi)等原因被取消，但有些進(jìn)行了整合并正在開展，具有很好的繼承性和連續(xù)性。目前重點(diǎn)項(xiàng)目除X-51A外，還包括FALCON、HyFly等項(xiàng)目。
HyFly計(jì)劃是由美國國防高級研究計(jì)劃局和海軍研究中心聯(lián)合實(shí)施的高超聲速飛行演示試驗(yàn)，其目的是通過飛行試驗(yàn)驗(yàn)證以液體碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動機(jī)為動力、最大巡航馬赫數(shù)6.0、射程1100千米的高超聲速導(dǎo)彈方案。該計(jì)劃2001年開始實(shí)施，采用雙燃燒室超燃沖壓發(fā)動機(jī)方案。HyFly項(xiàng)目是距離工程化最為接近的高超聲速飛行驗(yàn)證項(xiàng)目，前后經(jīng)歷了十多年的發(fā)展。從2005到2010年，HyFly項(xiàng)目共進(jìn)行了5次飛行試驗(yàn)，2次成功， 2007、2008和2010年進(jìn)行的3次動力飛行試驗(yàn)都沒有完全成功。2007年9月25日進(jìn)行了首次動力飛行，由于燃油控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，未能達(dá)到預(yù)期的Ma5目標(biāo)。2008年1月16日，第二次動力飛行試驗(yàn)，由于超燃沖壓發(fā)動機(jī)沒有按照預(yù)定程序工作，試驗(yàn)再次失敗。2010年7月29日，最后一次動力飛行試驗(yàn)，由于投放后助推器未能點(diǎn)火，仍以失敗告終。
2004年，美國空軍和國防高級研究計(jì)劃局聯(lián)合啟動FALCON計(jì)劃(又稱“獵鷹”計(jì)劃)，2006年，命名為“高超聲速技術(shù)飛行器”(HTV)，旨在發(fā)展一種全球到達(dá)的高超聲速巡航飛行器，巡航速度Ma10，可在2小時(shí)內(nèi)打擊16000千米外的目標(biāo)。該項(xiàng)目按照技術(shù)特點(diǎn)不同發(fā)展了三種演示驗(yàn)證飛行器，HTV-1、HTV-2和HTV-3。HTV-1是采用當(dāng)前技術(shù)水平，一次性使用的火箭助推無動力滑翔試驗(yàn)飛行器，由于出現(xiàn)技術(shù)問題無法克服，加上HTV-2進(jìn)展較快，目前已被取消。HTV-3是未來的高超聲速巡航飛行器的縮小型，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)常規(guī)跑道上起降，2小時(shí)內(nèi)從美國本土飛到全球任何地方。2008年4月完成初步設(shè)計(jì)后，因撥款不足而暫停。目前仍在進(jìn)行的是HTV-2，它也是一次性使用的火箭助推無動力滑翔試驗(yàn)飛行器，但性能水平較HTV-1有大幅提高。飛行器重約900千克，最高飛行速度可達(dá)Ma20以上，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最大航程大于8000千米，無動力滑翔飛行時(shí)間3000秒以上。2010年4月22日， HTV-2進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn)，雖然HTV-2與火箭成功地實(shí)現(xiàn)了分離，但在飛行9分鐘后，與遙測站失去了聯(lián)系，飛行試驗(yàn)失敗。2011年8月11日進(jìn)行第二次飛行試驗(yàn)，與火箭成功分離后，進(jìn)入滑翔階段，約26分鐘后失去聯(lián)系，結(jié)論為飛行模式異常。
高超音速究竟難在何處
從上述的演示飛行結(jié)果來看，大多數(shù)高超聲速飛行都沒有完全成功。雖然技術(shù)探索本身就是嘗試，失敗從另一方面也是一種積累，但上述情況，充分說明了美國在高超聲速飛行的多個(gè)項(xiàng)目上都遇到了嚴(yán)重的技術(shù)阻礙，那么，高超聲速飛行都需要攻克哪些關(guān)鍵技術(shù)呢？
第一，支持高超聲速飛行的動力技術(shù)。Ma6以上的高超聲速飛行，常規(guī)的吸氣式動力裝置已經(jīng)難以支持，X-51A和Hyfly項(xiàng)目的動力裝置都采用了沖壓發(fā)動機(jī)。與火箭發(fā)動機(jī)相比，沖壓發(fā)動機(jī)具有效率更高、航程更遠(yuǎn)，可攜載荷更重等優(yōu)勢，主要是由于無需攜帶占據(jù)很大發(fā)射重量的燃料和氧化劑。但沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)難度很大，尤其是維持高超聲速條件下的穩(wěn)定燃燒十分困難，美國已開展了多年的沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)攻關(guān)工作并取得了大量成果，但在高超音速飛行中仍會出現(xiàn)許多問題，如Hyfly項(xiàng)目。對于要發(fā)展由機(jī)場起降、可重復(fù)使用的高超聲速飛行器，如HTV-3，則需要發(fā)展技術(shù)更為復(fù)雜的組合發(fā)動機(jī)，如渦輪基組合循環(huán)推進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大速度跨度(從0至Ma6以上)飛行，但由于技術(shù)難度和經(jīng)費(fèi)需求都很大，目前美國尚處于探索階段。
第二，先進(jìn)乘波體氣動布局設(shè)計(jì)技術(shù)。乘波體是一種全新的設(shè)計(jì)理念，其主要利用超聲速飛行時(shí)前緣附體激波，通過激波壓力來產(chǎn)生升力進(jìn)行飛行，因此乘波體氣動布局非常關(guān)鍵，其外形決定了激波模式，激波模式與航程密切相關(guān)。X-51A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)驗(yàn)證以進(jìn)一步成熟。
第三，高超聲速飛行器綜合設(shè)計(jì)與精確控制技術(shù)。當(dāng)飛行器以高超音速飛行時(shí)，會產(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，能使附近的氣體分解和電離，形成相當(dāng)復(fù)雜的混合氣體，使得高超聲速氣流的研究成為非常復(fù)雜的問題。這不僅對飛行器平臺的綜合設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，也給高超聲速條件下的精確控制帶來了困難，X-51A最近一次驗(yàn)證飛行失敗就是這個(gè)原因造成的。
第四，防熱結(jié)構(gòu)與材料技術(shù)。高超音速飛行還有一個(gè)巨大的難題需要面對，就是高速條件下產(chǎn)生的“熱問題”。以高超音速在入大氣層內(nèi)飛行時(shí)，氣動加熱會使其表面達(dá)到極高的溫度，當(dāng)飛行器在Ma6以上飛行時(shí)，表面多個(gè)部件溫度將達(dá)到500℃以上，對于結(jié)構(gòu)和材料的熱防護(hù)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，X-51A首次試飛失敗，噴管與機(jī)體連接處密封失效，氣動熱就是重要的原因之一。
除此之外，高超聲速飛行器未來要形成作戰(zhàn)能力，還要在全系統(tǒng)發(fā)揮作戰(zhàn)效能等問題上解決一系列問題，包括超高聲速條件下的武器末制導(dǎo)技術(shù)等。
綜合來看，高超音速飛行項(xiàng)目近期問題的集中爆發(fā)，充分說明了其巨大的技術(shù)難度，但由于潛在的巨大軍事效益，此項(xiàng)目一定還會繼續(xù)發(fā)展。預(yù)計(jì)美國類似X-51A的中等射程高超聲速巡航彈要到2020年才能投入使用，射程更遠(yuǎn)的空基或地/?；叱曀傺埠綇椧?020年后，至于機(jī)場起降、可重復(fù)使用的高超聲速飛行器，則更為遙遠(yuǎn)。
(王治 牛文博 馬光軍 作者單位：空軍裝備研究院)
?