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日志

 
 

“黑鸟之子”——SR-72高超声速侦察机  

2013-12-31 11:09:19|  分类: 高超声速 |  标签: |举报 |字号 订阅

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“黑鸟之子”——SR-72高超声速侦察机 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙

  2013年11月1日,美国《航空周刊》网站刊登了一篇封面文章,对SR-71“黑鸟”高空高速侦察机的后继机型——SR-72进行了独家报道,引起了各国媒体以及业内人士的广泛关注。美国著名军火制造商洛克希德·马丁公司官方网站也于同日对SR-72进行了介绍并展示了概念设计图。这是SR-71退役十多年后洛·马公司首次确认其继任机型研制计划的存在,仍然由臭鼬工厂负责。洛·马公司突然高调地披露SR-72计划,其用意耐人寻味。洛·马公司将SR-72称为“黑鸟之子”,想必是希望它能续写“父辈”的传奇,对其寄予厚望。

  臭鼬工厂与黑鸟

  臭鼬工厂想必大家对它并不陌生。它是洛·马公司下属高级开发项目机构的绰号。臭鼬工厂以担任秘密研究计划而闻名,研制出了F-117、U2、SR-71、RQ-170、F-22以及F-35等著名机型。其中,SR-71颇具传奇色彩,它一度退役后又重新入役,至今仍保持着有人驾驶军用飞机最快速度记录。SR-71总共建造了32架,先后有12架坠毁,但没有1架是被击落的。SR-71于1998年从美国空军退役后,仍有2架被美国航空航天局用来承担科研试飞任务,直至1999年才全部退役。
  作为头号军事强国,美国拥有密集的间谍卫星网络。但低轨道侦察卫星有一定的重访周期,无法保证全球快速到达,而且频繁进行轨道机动势必降低卫星在轨寿命。在SR-71退役以后,美军主要依赖于亚声速侦察机在局部战争中执行空中情报、监视和侦察(ISR)任务。亚声速飞机存在部署速度慢的缺点,且在敌对空域一旦被击落很容易引发外交纠纷。在启动全球快速打击计划后,美军迫切需要一款能在1小时内全球到达的高超声速飞机。

  从HTV-3X到SR-72

  SR-72设计概念源于美国空军和美国国防高级研究计划局(DARPA)启动的“猎鹰”(Falcon)计划所属子项目—“黑雨燕”/HTV-3X。HTV-3X项目是在Falcon计划发展的第二阶段,由原计划用来验证高超声速巡航飞行器(HCV)可重复使用热防护材料的HTV-3发展而来,作为可重复使用高超声速“猎鹰组合循环发动机技术(FaCET)”的试验平台。高超声速飞行器是指飞行马赫数大于5,以吸气式发动机或其组合发动机为主要动力,能在大气层和跨大气层中远程飞行的飞行器,如X-43A和X-51A。DARPA要求HTV-3X能在跑道上起降,由高速涡轮发动机加速至马赫数4,然后冲压发动机启动,继续推动HTV-3X加速至马赫数6。由于开发FaCET所需的“高速涡轮发动机演示(HiSTED)”以及经费等遇到极大困难,HTV-3X项目于2008年10月夭折。HTV-3X项目取消后,洛·马公司获得资金继续开发出无动力的高超声速试验飞行器(HTV-2)。
  2012年11月,美国空军发布了“美国空军高超声速路线图”,要求2020年前开发出高超声速打击武器,2030年前开发出渗透力强的战区ISR飞机(可能是有人驾驶),这给HTV-3X的重生带来了希望。洛·马公司在HTV-2以及HTV-3X项目中积累的技术基础上,正式推出了SR-72。

  SR-72飞行器概况

  根据《航空周刊》网站介绍,SR-72采用双发设计,机长超过30.5米,能和常规飞机一样在普通跑道上起降。它的巡航速度可达到马赫数6,约为SR-71的2倍。SR-72作为经济可承受高超声速ISR和打击平台,用来填补现有卫星、亚声速有人/无人平台在快速反应情报方面日益增长的能力缺口,要求其能在1小时内能够到达全球的任何地方。
  从洛·马公司展示的概念设计图可看出,SR-72飞行器采用细长的无尾式翼身融合体布局,有利于减小高速飞行时的阻力。SR-72带有突出的脊背,由头部延伸至机身后段,并逐渐融合于大后掠角三角翼。脊背和三角翼可以增加方向稳定性,并能在高速巡航时提供更多的升力。SR-72设计有与F-16战机类似的“边条翼”,大后掠角边条向后延伸一段后转为与机身平行的直角,最后与后掠角稍小的机翼相连接。梯形边条所产生的涡升力将有助于低速段的飞行。
  布莱德·利兰(洛·马公司高超声速项目经理)表示,并不主张SR-72采用与X-43A、HTV-3X和X-51A类似的乘波体布局,因为研究发现,高超声速飞机通常在加速段消耗较多燃料,而乘波体的优势仅体现在对应的巡航速度状态,因此必须让高超声速飞机在加速段具有较高的燃油效率。而要研制出可重复使用的高超声速飞机,除了采用合理的气动外形设计,重点还需要在推进系统和热防护系统等关键技术上取得突破。

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  组合式心脏与推力转换

  目前在航空工程领域应用的吸气式发动机主要有涡轮喷气发动机和冲压发动机。经过半个多世纪的发展改进,涡轮发动机技术较为成熟可靠,但其结构复杂,受高速运转部件材料可承受温度以及“最佳压缩”理论等方面的限制,其可靠运行速度极限约为马赫数2.5。随着飞行速度的进一步提升,发动机工作状况和推进效率会急剧降低。冲压发动机是利用机身和进气道产生的激波对气流减速增压,结构简单,高速条件下推进效率高,被认为是当前研制高速飞行器的理想动力。冲压发动机按照其工作时燃烧区气流相对于燃烧室的速度,可分为亚/超声速燃烧冲压发动机。使用碳氢燃料的亚燃/超燃冲压发动机理论极限工作条件分别为马赫数2~6和马赫数4~10。单模态冲压发动机工作范围较窄,研究人员已研制出可以根据不同来流速度,分别工作于亚燃和超燃状态的双模态冲压发动机。几何尺寸固定的双模态冲压发动机,工作范围通常能跨4个马赫数,如马赫数4~8;若几何尺寸可调,那么其最低工作速度就可达马赫数3~3.5甚至更低。但是冲压发动机需要在较高飞行马赫数才能启动,无法在低速状态下工作。
  目前,还没有一款吸气式发动机能够单独胜任马赫数0~6速度范围内的推进任务。SR-71之所以能在马赫数0~3.2速度范围内飞行,得益于独特设计的J58发动机。J58实际上是一款涡轮基组合循环(TBCC)发动机,设计人员在涡轮发动机加力燃烧室中串联设计了亚燃冲压发动机,它们分别在不同速度状态下工作。SR-72也采用了不同发动机进行组合。与SR-71不同的是,SR-72采用了与HTV-3X类似的并联式TBCC推进系统。涡轮喷气发动机和双模态冲压发动机上下并联,共用进气道和尾喷口,通过可偏转隔板进行流道转换。
  上面已经提到双模态冲压发动机工作下限是马赫数3~3.5,与涡轮发动机的工作上限—马赫数2.5无法衔接。而研制专用高速涡轮发动机,技术难度大,资金投入大。为此,洛·马公司与洛克达因公司开展了长达7年的联合研究工作,希望能够利用现成的F100或F110涡扇发动机推进SR-72过渡至冲压模式。两家公司宣布他们已经在解决现有涡轮发动机最大速度马赫数2.5与双模态冲压发动机启动速度马赫数3~3.5之间的动力接力上取得了突破。
  布莱德·利兰指出,成功实现模态转换设计的很大一部分工作在于进气道,不过相关细节仍处于保密状态。根据目前各国公开的研究情况,推力增强解决方法可能有:在涡轮发动机进气口喷射低温冷却气体,改善涡轮发动机高速飞行的工作条件。英国正在研制的“佩刀”发动机就使用了液氢/氦回路对高温气体进行降温,系统比较复杂。另一种是在冲压发动机内安装小型火箭,利用火箭工作时喷出高速气流的引射抽吸作用,引入空气进行二次燃烧。美国AeroJet公司 (2013年收购了洛克达因公司)在此方面研究较为领先。另外就是进一步改进双模态冲压发动机,使得发动机在亚燃状态可获得更低的启动速度,目标是低于马赫数3。

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  热防护

  研制高超声速飞行器时,不得不面对和解决另一个难题——热障。SR-72高速飞行时,与空气摩擦所产生气动加热可使机体不同部位的温度达到几百至上千摄氏度。
  高速飞行器机体结构热防护可分为两种:一种是“冷结构”,即独立的外部防热结构,如航天飞机蒙皮外覆盖的防热瓦和隔热毯,飞船的烧蚀防热等;另一种是具有承载和防热双重功能的“热结构”。SR-72高速巡航时间长,要求可重复使用。必须保持外形轮廓的稳定性,防热要求比一次性使用的高超声速导弹更为严格。SR-72将主要采用热结构,局部冷结构。热结构材料要求在高温下具有高强度、高韧性、轻质和良好的环境适应性。通常,温度低于500℃的区域,如机体上表面,使用类似于双层隔热玻璃的钛合金多层壁结构即可满足要求。SR-71上使用的钛合金占到机体重量的93%,因此“黑鸟”也被称为“全钛飞机”。温度在500~1000℃之间的区域则使用镍合金或钛铝合金多层壁结构,如机体下表面较高温区域。在进气道唇口、头椎、机翼(垂尾)前缘和舵面等更高温度区域(概念图的深颜色部位)需要使用耐热性能优良的钨、碳碳或者C/CSi复合材料。另外,还可以在重点部位喷涂耐高温涂层或者在多层壁结构之间安装轻质隔热材料。借助热结构材料,可将90%的热量辐射回大气,使机体结构温度保持在安全范围内。
  超燃冲压发动机工作环境也十分恶劣,必须采取高效的防热措施。一般采用镍合金或C/CSi复合材料作为冲压发动机壳体材料,并借助流过夹层的液态JP7碳氢燃料对发动机进行冷却。

  中远期展望

  SR-72目前还处于概念研究阶段,只进行了一些小比例模型测试。洛·马公司披露的SR-72项目发展时间节点与“美国空军高超声速路线图”相符合。据悉,洛·马公司将于2018年进行高超声速导弹飞行测试,用于演示验证包括超燃冲压发动机在内的一些新技术,力求使得高超声速打击武器的技术成熟度(1~9级)能达到6级,这应该就是2013年启动的高速打击武器(HSSW)项目。洛·马公司认为在HSSW项目结束前(2020年),将不会开展高超声速飞机的演示验证。在HSSW项目完成后,洛·马公司将建造尺寸与F-22“猛禽”战机相当的飞行研究机(FRV)。FRV采用单发TBCC推进系统,预计于2023年首飞,能以马赫数的速度巡航飞行几分钟。SR-72出现在天空的时间不会早于2030年,并且前提是有足够的资金支持。
  据了解,SR-72目前还只是洛·马公司自筹资金发展的项目。“截至目前,我们已经花费公司许多资金进行缩比模型测试和研究分析”布莱德·利兰说,“为下一阶段进行更深入地研究,要进行一系列更大尺寸系统的研究”。在整个5~6年的原型验证期间预计将至少花费10亿美元,而洛·马公司研发基金仅能支持臭鼬工厂完成TBCC组合发动机概念研究所需的经费,大约3年时间。据推测,洛·马公司高调公开SR-72项目意在寻求包括美国空军或DARPA在内的政府机构支持,希望SR-72能成为政府机构投资项目。否则,洛·马公司也只能是“巧妇难为无米之炊”,而SR-72也将停留在纸面上。

  游戏规则颠覆者

  “速度是新的隐身”,凭借着马赫数6的巡航速度,SR-72不需要采用过多的隐身设计,现阶段的防空系统也只能说“望机兴叹”。SR-72还可以根据任务需要携带HSSW高超声速打击武器,在缺乏卫星支持的情况下一小时打遍全球。这将是一款具备战略侦察和打击能力的常规武器,能够影响未来战争格局的常规武器。不过,SR-72还只是处于研制的初级阶段,技术成熟度还很低,能否按时服役还只是个未知数,但高超声速飞行器必定是未来航空航天发展的趋势。

《现代军事》2013.12
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