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日志

 
 

2013年国外高超声速技术发展回顾  

2014-04-18 11:14:34|  分类: 高超声速 |  标签: |举报 |字号 订阅

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2013年国外高超声速技术发展回顾 - kktt - 长缨在手  敢缚苍龙
 
2013年,国外高超声速技术保持快速发展态势。美国成功地进行了X-51A的第4次飞行试验,实现超燃冲压发动机技术的重大突破;洛马公司提出新型高超声速飞机SR-72的研制计划,国防高级研究项目局(DARPA)发布“试验性空天飞机”(XS-1)招标公告,继续拓展高超声速飞行器的未来应用。俄罗斯、欧洲积极致力于高超声速关键技术的攻关和演示验证,并取得重要进展;澳大利亚等国继续开展基础技术研究,储备技术能力。下表总结了2013年国外高超声速技术典型计划的研究进展。

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一、美国

美国继续围绕“ 常规快速全球打击”(CPGS)和“作战快速响应空间”(ORS)战略,积极开展高超声速巡航导弹、高超声速滑翔飞行器和天地往返飞行器的技术研究,力图构建完善的高超声速装备型谱。
1.美国防部调整高超声速滑翔项目预算
4月,美国国防部发布2014财年国防预算提案,其中HTV-2项目仅获得200万美元的经费,AHW项目获得5500万美元,IH项目获得4500万美元。从预算文件来看,美国助推滑翔装备近期的发展重点为中程武器方案验证和远程飞行器的关键技术攻关。
HTV-2项目的重点从武器化验证调整为风险降低和技术成熟,其技术积累和经验教训将转到IH项目中。而IH项目获得充足的经费支持,将全面开展高超声速滑翔领域的关键技术攻关。另据美国《航空周刊》2013年7月报道,原计划在IH项目下开展的HTV-2第3次飞行试验可能被取消,原因可能是存在较高的技术风险;除IH项目之外,美国国防高级研究项目局未来还可能研发一种射程在1100千米左右的战术型高超声速滑翔导弹。
根据预算文件,美国国会批准国防部对AHW的预算,支持陆军继续规划并开展射程更远的第2次飞行试验,并考虑在此基础上发展一种潜射型AHW。随后,美海军在7月表示计划开展基于AHW的潜射滑翔导弹的陆基飞行试验。试验预计在2016财年下半年进行。
2.美空军X-51A验证机第4次飞行试验成功
5月1日,X-51A验证机在最后一次飞行试验中取得成功。试验中,验证机由B-52H战略轰炸机携带从爱德华兹空军基地起飞。在15.2千米的高度,验证机被投放,随后固体火箭助推器点火,经过大约26秒的助推将验证机加速至马赫数4.8。在与助推器分离后,巡航级的超燃冲压发动机开始点火工作,将飞行器加速至马赫数5.1,飞行高度为18.3千米。在经过240秒的有动力飞行后,超燃冲压发动机关机。整个试验过程共采集到370秒的试验数据。
X-51A是美国重点开展的高超声速巡航导弹技术验证计划,也是美国未来远程常规精确打击体系下的重要方案之一。在前3次飞行试验中,X-51A取得1次部分成功,2次失败,验证机分别出现密封故障、进气道不启动和巡航级控制舵意外解锁等问题。此次试验的成功,标志着美国向发展实用型高超声速巡航导弹迈出了重要一步。
最后一次飞行试验的顺利完成,也为自2004年开始的X-51A验证项目划上了一个句号。美国为该项目累计投入3亿美元经费,成功验证吸气式高速超燃冲压发动机推进的飞行可行性。
3.洛马公司公布SR-72高超声速飞机研制计划
11月1日,美国洛马公司向媒体透露,该公司的臭鼬工厂正在研制速度可达马赫数6的SR-72高超声速飞机。该飞机是SR-71“黑鸟”战略侦察机的后继型,可在1小时内抵达全球任意空域,执行情报、监视、侦察和打击任务。
SR-72是一种双发、无人飞机,长度超过30.5米,尺寸和射程都与SR-71相似;设计巡航速度为马赫数6,大约是SR-71的两倍,并可能增加打击目标的能力。推进系统采用TBCC组合发动机,将集成一台改型的战斗机用涡轮发动机(马赫数0~3)和一台双模态冲压发动机。
目前,SR-72项目由洛马公司自投经费发展,正处于由部件缩比试验向大规模试验转变的研发阶段,后续可能寻求国防高级研究项目局和空军的经费支持。洛马公司称,SR-72的缩比尺寸验证机将于2018年开始工程研制,而SR-72高超声速飞机有望在2030年服役。

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SR-72飞机想像图

4.国防高级研究项目局发布XS-1项目招标公告
11月12日,美国国防高级研究项目局正式发布XS-1项目的广泛机构公告,向工业界公开招标,启动可重复使用助推系统的方案研究,并计划在2018年进行首次飞行。XS-1为可重复使用的第一级助推器,本身并不入轨,可通过携带一个一次性的上面级将1.4~2.3吨左右的有效载荷送入近地轨道,每次的发射费用低于500万美元,约为“人牛怪”4火箭的1/10。
XS-1项目与美国空军研究实验室“可重复使用助推器系统”(RBS)项目类似,RBS项目已于2012年10月中止。RBS缩比飞行器项目的主要负责人杰斯.斯波纳布在2012年12月已加入国防高级研究项目局,目前担任XS-1项目经理。

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XS-1太空飞机概念图

二、欧洲

欧洲积极开展再入技术的实验型演示验证项目,并支持以“佩刀”发动机为代表的推进系统技术研发。
1.欧空局IXV成功完成下降着陆试验
6月19日,欧空局的实验型再入飞行器IXV完成重要的下降着陆试验,溅落在意大利撒丁岛PISQ靶场海域。试验中,全尺寸的IXV样机在一架直升机的搭载下,从3千米的高空释放。下降过程中IXV不断增速以模拟航天飞行任务,之后打开降落伞来减缓下降速度,最终以7米/秒的速度安全溅落在海上。溅落试验的成功表明,IXV可以在航天任务完成后安全回收。
此次试验之前,项目团队曾在意大利罗马海洋工程研究所开展几项水面撞击测试,将缩比尺寸的样机从不同的角度、以不同的速度释放,以此来评估受冲击载荷最小的配置。
IXV旨在验证欧洲未来可重复使用运载器的相关技术。2014年8月,IXV将搭载在“织女星”火箭上执行首次发射。试验中,IXV将模拟从近地轨道再入大气的任务,在高超声速和超声速飞行条件下验证欧洲新的再入关键技术。

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 IXV海上溅落回收

2.英政府将为“佩刀”发动机投资
7月16日,英国高等教育及科学大臣大卫.维莱茨在英国空间会议上称,英国政府将通过英国航天局为“佩刀”涡轮火箭发动机投资6000万英镑(约合9133.8万美元)。
“佩刀”发动机将安装于长84米的无人“云霄塔”空天飞机上,既具备火箭发动机的工作性能,也具备航空发动机的操作特点。目前,“云霄塔”空天飞机项目已通过英国航天局的技术评估,其发射成本将仅为传统运载火箭的1/50,可将15吨的有效载荷送入近地轨道。
这笔6000万英镑的投资将分别于2014年使用3500万英镑,2015年使用2500万英镑,主要用于发动机设计、轻型换热器技术及制造能力的改进、风洞及发动机组件的飞行测试及发动机的地面验证。“佩刀”发动机预计于2017年完成样机制造,2020年左右进行飞行试验。

三、俄罗斯

近年来,俄罗斯官方多次强调发展快速远程常规武器,而且有迹象表明,俄罗斯正在开展某种高超声速巡航导弹的研制活动,并且已经开展飞行试验。
8月28日,俄罗斯战术导弹武器集团总经理鲍里斯.奥布诺索夫在莫斯科近郊茹科夫斯基举行的第11届国际航空航天展览会上称,俄罗斯正在研制一种高超声速导弹,但该导弹的飞行速度仅为马赫数4.5(约5200千米/小时),且只能进行几秒的超声速飞行。出于研制保密要求,该导弹的代号、任务及具体技战术性能并未公布。
2012年,俄罗斯在阿斯特拉罕州的阿赫图宾斯克靶场已经完成导弹与载机挂架的分离试验。按照计划,该导弹将通过大尺寸飞行试验,逐步提升高超声速发动机的飞行速度。此前有报道称,俄计划于2013年在阿赫图宾斯克进行高超声速导弹试验,但目前尚未透露更多信息。
10月24日,俄罗斯副总理罗戈津在伊尔库茨克会见大学生时证实,俄罗斯正在开展高超声速武器试验,但没有透露具体的试验情况。

四、澳大利亚

近年来,澳大利亚与美国合作开展“高速射击”(HyShot)、“高超声速国际飞行研究试验项目”(HIFiRE)等计划,积极致力于高超声速基础技术研究。
9月19日,澳大利亚昆士兰大学“基于超燃冲压发动机的进入空间系统”(Scramspace)项目在挪威安多亚航天发射中心开展飞行试验,但由于助推火箭未将验证机送达预定高度,最终试验失败。据昆士兰大学的项目团队称,虽然助推火箭的第一级和第二级均安全落入水中,但验证机没有到达预定的340千米高度,未能按计划采集到试验段数据。目前,失败原因正在调查中。
Scramspace是澳大利亚超燃冲压发动机系列实验中的最新项目,此次飞行试验酝酿3年,耗资约1400万美元,由“澳大利亚航天研究计划”提供资金。项目团队称,该项目在此次试验后将随之终止。

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 发射架上的Scramspace飞行器

五、发展分析

1.各国积极开展高超声速技术研究,美、俄加快武器化发展进程
高超声速技术日益成为航空航天领域的焦点,主要航天大国积极开展高超声速技术的研发和演示验证。美国多途径、多层次开展高超声速关键技术研究,适时开展飞行演示验证,逐渐确立了在高超声速领域的技术领先地位。此外,俄罗斯、欧洲、印度和澳大利亚等国也开展了各自的高超声速研究计划。
在众多国家中,美国和俄罗斯有望较快实现高超声速技术的武器化。美国在经历多年的技术研发和演示验证后,已取得某些高超声速关键技术的突破,开始规划后续武器化验证。俄罗斯在超燃冲压发动机和机动再入飞行器领域具有多年的技术积累和研究经验,甚至开展过相关武器的制造,因此其研究活动已经瞄准高超声速武器化的发展目标。
2.X-51A项目的成功,将加速推动吸气式高超声速巡航技术的发展
近年来,美国空军围绕首先研制高超声速巡航导弹、进而发展高超声速飞机的技术路线图,积极推动吸气式高超声速巡航技术的发展。X-51A第4次飞行试验的成功,标志着美国在超燃冲压发动机技术领域已经达到一定的技术成熟度,初步具备将试验技术转向实际应用的基本条件。后续美国空军和国防高级研究项目局将联合开展“高速打击武器”(HSSW)项目,研制实用型高超声速巡航导弹,实现吸气式高超声速技术的近期目标。
在X-51A取得成功之后,洛马公司积极响应美国军方未来的装备发展需求,提出SR-72项目,自主开展高超声速巡航飞行器的方案探索。一旦获得军方支持,SR-72项目可能成为美国在吸气式高超声速技术路线中的远期发展计划,与近期发展项目HSSW一起,推动高超声速技术的长远发展。
3.美国调整滑翔技术发展途径,规划多样化高超声速滑翔武器型谱
针对HTV-2飞行试验暴露出的问题,国防高级研究项目局于2012年提出IH项目,旨在进一步发展、验证滑翔飞行器的关键技术。从国防部预算看,IH项目在2013财年正式启动,接替HTV-2项目继续开展洲际助推滑翔飞行器技术的研究,并将研究方向从无动力滑翔向有动力滑翔拓展。
同时,美国还积极规划高超声速滑翔武器在部署平台和射程上的多样化。在AHW首飞试验成功的积极影响下,美国国防部计划在AHW的基础上发展潜射型的中程滑翔导弹,推动AHW的技术成果向多平台应用转化。此外,国防高级研究项目局提出射程1000千米的近程滑翔弹设想,结合IH和AHW项目的未来应用,可能形成射程覆盖远、中、近的高超声速滑翔武器型谱。
4.美国重启可重复使用助推系统研究,提升作战快速响应空间能力
研究和发展可重复使用助推系统的主要目的是提高作战快速响应能力,同时大幅降低发射成本。国防高级研究项目局在2013年启动新的XS-1项目,将接力美国空军的RBS继续开展可重复使用助推系统的研究和试验,通过领导工业部门开展预研不断提高关键技术的成熟度水平,为未来研制实用型运载器奠定技术基础。
不过,可重复使用技术目前仍处于技术探索阶段,技术难度依然巨大。研制可重复使用助推系统必须解决一体化构型设计、轻质结构与热防护系统、可重复使用火箭动力系统、发射与返回操作系统等关键技术。
5.欧洲以可重复使用天地往返为目标,积极开展关键技术攻关和飞行演示验证
欧洲重点围绕可重复使用天地往返,开展高超声速关键技术研发和验证活动。欧空局通过IXV项目开展一系列技术演示验证,旨在验证用于可重复使用运载器的高速再入技术。2014年,IXV将开展首次亚轨道再入飞行试验,全面验证大气再入所需的各项关键技术性能。后续,欧洲可能通过“可重复使用在轨验证机”(PRIDE)项目进一步实现全部入轨并在跑道着陆。
“云霄塔”空天飞机是一种采用涡轮火箭发动机提供动力的水平起降、单级入轨可重复使用运载器,发动机是其成功的关键。“佩刀”发动机在获得投资后,将加快涡轮火箭发动机技术的攻关研究,继续进行发动机关键组件新一轮的地面试验。

作者:韩洪涛 王友利(北京航天长征科技信息研究所),《中国航天》2014年第3期
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