美国高超声速研究动态

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图1　F 222猛禽战斗机与RATT LRS 高速导弹组合是一种设想的远程打击方案

美国高超声速研究动态

美国对高超声速的研究并未停滞不前,而是朝着不同的方向发展。军方对远程打击的需求进一步推动了对高速飞机和导弹的研究,不过,研究人员对美国下一代轰炸机到底应该飞多快一直存在争议。

2004年11月,X 243A Hy 2per 2X 验证器创造了M a =9.7的速度记录,但此后不久,美国航空航天局(NAS A )终止了吸气式可重复使用运载火箭的研究,而是把重点转向用于太空探索的低风险火箭推进式分离舱上。

美国始终保持着若干项高超声速研究计划,并且怀有明显的军事意图,NAS A 也在寻求今后几十年的航天飞机后继型号。今天,研究已取得一定进展,可能会在近期内获得实际应用。1　高速度的潜在应用

目前在研的潜在飞行器包括高速导弹、远程打击飞机和快速反应运载火箭,不过,在防御规划人员确定高超声速飞行器是可行的选择方案之前(可能发生在今后20年内的任何时间),还需要进行大量的飞行试验。

波音公司先进系统分部经理乔治?米勒认为,关键问题是技术成熟度。目前的技术准备等级

(TRL )与X 230计划终止时并没有明显的差别。X 230计划曾经是一项雄心勃勃的计划,当时试图研制一种马赫数达25的单级入轨空天飞机,但由于种种原因,该计划于1993年下马,后来在X 230基础上按比例缩小研制了X 243A 。

目前正在实施的研究计划旨在通过飞行试验使高超声速技术达到6级技术准备等级。目前认为,在相关环境中验证机达到6级技术准备等级,就是达到了以可接受的风险进入工程研制所需的最低技术成熟度等级。美国空军希望在2018年实现新的远程打击能力,这就意味着高超声速技术已经成熟或者接近成熟。届时,涡轮发动机和冲

压发动机推进的高速导弹可能成为候选方案,但是更长远地看,到2025年甚至2035年,采用超燃冲压发动机或者涡轮/超燃冲压组合循环发动机的高超声速飞行器可能会成为新一轮竞争方案。

2007年,美国将对两种高速

打击武器进行飞行试验。根据美国海军研究局领导的时敏目标远程打击创新方案(RATT LRS )计划,洛马公司正在研制涡轮发动机推进的高马赫数导弹;而波音公司正在为海军研究局和国防高级研究计划局研制双燃烧室冲压发动机推进的HyFly 高超声速导弹验证器。

RATT LRS 计划的目的是在飞行试验中检验飞行器能否以涡轮发动机为动力,从亚声速加速

图2　挂在F 215E 战斗机下的HyFly

到超声速巡航速度,然后以M a

=3+

的速度巡航飞行至少5m in 。而计划的最终目标是使巡航飞行时间超过15m in,射程接近1000km 。洛马公司臭鼬工厂RATT LRS 项目主管克雷格?约翰斯顿认为,巡航飞行时间达到5m in 足以验证相关的射程,如果巡航飞行时间能达到15m in,也就进入了目前巡航导弹的等级。

海军研究局项目主管劳伦斯?阿什认为,对于验证联合战术武器系统的追踪能力来说,RAT 2T LRS 最能反映出多平台发射(战斗机、轰炸机、舰艇和潜艇)900kg 级巡航导弹的特征。我们

希望该计划能尽快从科学技术研究阶段进入工程研制和采办阶段。

2　涡喷发动机

阿什表示,对于RATT LRS 导弹和其它一些高速方案来说,关键技术是能够持续工作到M a =3～4的涡轮发动机,因为这一速度已超出涡轮发动机M a =2.5的标准极限。RATT LRS 导弹采用YJ102R 涡喷发动机,它由罗罗公司的自由工厂研制,其比推力是SR 271黑鸟侦察机J58发动机(由普惠公司研制)的6倍。SR 271属于巡航飞行器,而RATT LRS 则是加速飞行器。RATT LRS 导弹的质量、直径和

长度分别是SR 271黑鸟侦察机的6%,25%和20%,而且无需借助加力燃烧室加速并巡航。

RATT LRS 的外形和尺寸与SR 271黑鸟侦察机的发动机短舱

极为相似,但其YJ102R 涡喷发动机却小得多,直径只有

330mm 。虽然黑鸟侦察机的J58发动机的尺寸是YJ102R 的4倍,但干推力却只有YJ102R 的两倍。尽管外形很相似,但YJ102R 发动机的流路却非常简单,其性能即使在今天也难以超越。SR 271的发动机的流路则相当复杂,而且采用20世纪60年代的控制系统。当然,今天我们已拥有非常现代化的空气动力学和控制软件。

YJ102R 涡喷发动机的秘密之处在于罗罗公司研制的一种称作La m ill oy 的材料,它由薄片层状穿孔金属构成,压缩机放气通过它们排出,使燃烧室和涡轮部件得以蒸发冷却。La m ill oy 材料能够耐受极高的温度,因此,空气转变成推力亦不会冷却。

按计划,YJ102R 涡喷发动机的飞行试验将于2007年下半年开始,届时将在加州穆古角太平洋靶场由NC 2130F 飞机发射导弹。第一次飞行试验的成功,也就意味着达到6级技术准备等级。

由于RATT LRS 导弹的速度

是普通巡航导弹的三倍,因此作战武器可以在5m in ～10m in 内命中目标。导弹在21km 高空巡航飞行,以M a =4的速度向目标俯冲,可穿透地下9m ～15m;或者以亚声速或超声速布撒子弹药。在执行时间敏感目标远程打击任务时,可以搜索各种目标,而且可以装备各种类型的战斗部,并非仅仅依靠导弹的动能。

波音公司HyFly 项目主管约翰?福克斯称,HyFly 是RAT 2T LRS 的一个竞争者,HyFly 是动力装置验证器,而不是真正的导弹研制计划。其目的是利用碳氢燃料亚燃/超燃组合冲压发动机达到M a =6的速度,射程达到740km;验证用于多平台(飞机、军舰或潜艇)发射的侵彻导弹的技术。

HyFly 由波音公司的F 215E 战斗机发射,由火箭助推器推进到M a =3.5的速度,然后由双燃烧室冲压发动机加速到M a =6的速度。双燃烧室冲压发动机由约翰?霍普金斯大学应用物理实验室和航空喷气发动机公司联合研制,它有一个冲压发

图3　X 251A 将验证超燃冲压发动机的加速性能

动机“预燃室”,即亚声速气体发生器,可把富油排气注入超燃冲压发动机中,然后变成超声速气流并燃烧。

X 251A 超燃冲压发动机验证器(SE D )计划也是高速打击要求的产物。该计划由美国空军领导,亦称作X 251A 骑波器。由于采用改进型HyTech 碳氢燃料超燃冲压发动机,因此,也可以说是NAS A Hyper 2X 计划的后继型号。按计划,X 251A 将在2008年下半年进行飞行试验,速度将达到M a =6.5。普惠公司已于2006年4月完成G DE 22地面验证发动机的风洞试验,试验马赫数达到5。

3　燃料冷却超燃冲压发动机

空军研究实验室航空发动机分部技术代理鲍勃?默西埃说,G DE 22是已经试验的第一台飞行结构、燃料冷却超燃冲压发动机,它降低了X 251A 超燃冲压发动机验证器的风险。

在HyTech 超燃冲压发动机中,JP 27燃料在结构中循环,以便冷却发动机,并且在燃料注入燃烧室之前对燃料进行加热。G DE 22是第一台使用闭合回路燃料控制和飞行结构阀门的发动机。试验时还验证了从乙烯向JP 27燃料的转变过程。开始时先使用乙烯是因为乙烯比较容易起反应。

普惠Rocketdyne 公司X 251A 项目主管柯蒂斯?伯杰说,我们将用同样的方法进行SED 发动机的试验。G DE 22比SED (宽度为230mm )略长、略宽一点,由于它是焊接结构而不是螺栓紧固结构,而且是定几何进气道而不

是可变几何进气道,因此质量还要略轻一点。不过,二者的燃烧室、冷却系统和控制系统是相同的。

第一台SED 超燃冲压发动机的编号为SJX61/1,于2006年10月开始地面试验。由于X 251A 将验证发动机在M a =4.5～5范围内的加速和运行性能,因此地面试验也将进行低、中、高马赫数试验。SJX61/2飞行许可发动机将在2007年进行试验,紧接着还要对4台SJY61飞行发动机进行试验。

X 251A 将由B 252轰炸机发射,火箭助推器将其加速到M a =4.5～5后与之分离,然后依靠超燃冲压发动机加速到M a =6.5的速度。该发动机将成为第一台在整个马赫数范围内加速的超燃冲压发动机。默西埃说,我们希望它能从亚声速/超声速混合燃烧转变到纯粹的超声速燃烧。伯杰说,虽然飞行试验时超燃冲压发动机的工作时间只有5m in,但是一旦达到热平衡,它

的运行时间就能达到我们预期的那么长。

预计到2009年飞行试验结束时,超燃冲压发动机将达到6级技术准备等级,不过X 251A 并不是一种潜在的武器,而是发动机试车台。目前正在讨论X 251B 试验计划,准备用X 251B 试验一种组合循环发动机(由空军研究实验室和国防高级研究计划局联合研究)。这种组合循环发动机可能是把HyTech 超燃冲压发动机与高马赫数涡喷发动机组合在一起,后者可能是YJ102R 的后继型号,根据高速涡轮发动机(H iSTEND )计划,目前正在研制中。

根据H iSTEND 计划,罗罗公司和威廉姆斯国际公司打算验

证M a =4+

的涡喷发动机,这种发动机是在以前曾试验过的小型超声速发动机上加装冲压燃烧室改进而成。罗罗公司自由工厂的XTE18发动机(基于2005年试验的XT L17验证发动机)预定在2008年第1季度进行试验,大约1年后,威廉姆斯国际公司的

图4　F ALC ON 计划的高超声速试验飞行器(HT V )

XTE88发动机也将进行试验。4　碳碳冲压燃烧室

据空军研究实验室H iSTED 项目主管称,XT L17验证发动机检验了RATT LRS 的大部分技术,威廉姆斯国际公司在2004年试验了XT L87超声速发动机,并根据RATT LRS 计划在开发XT L88的基础上设计。尽管是针对一次性使用发动机的,但所开发的技术同样也适用于可重复使用发动机。这些技术包括碳碳冲压燃烧室,这种燃烧室燃烧的是混合空气,即由中心空气和围绕发动机输送的外涵空气混合而成的空气。

美国国防高级研究计划局的F ALCON 计划采用的是涡轮基组

合循环发动机,即把高马赫数涡喷发动机与碳氢燃料超燃冲压发动机组合在一起,这是美国的另外一项高超声速验证计划。虽然其它计划的侧重点是推进系统试验,但F ALCON 计划则准备通过一系列无动力飞行器的飞行试验,解决持续高超声速飞行的空气动力学和材料等技术难题。该计划最终可能开发可以从常规跑道起飞、以M a =6的速度巡航飞行,并返回着陆的有动力无人验证器。

该计划的飞行验证器是缩比高超声速巡航飞行器(HCV ),其质量为38500kg,有效载荷为5500kg,可从美国本土起飞,以M a =10的速度飞行,能在

2h 内到达世界任何地方。

洛马公司打算制造两架一次性使用HT V 22试飞器,分别在2008年底和2009年中进行试验。飞行器将由火箭助推到91.2k m 高度,然后以M a =13～19的速度滑翔30m in 。该计划

还要求制造一架可重复使用

HT V 23试飞器,进行两、三次M a =10的飞行试验,用于验证高气动效能和可重复使用热防护性能。

国防高级研究计划局还打算对高超声速巡航飞行器(HCV )的涡轮基组合循环(T BCC )发动机进行地面试验。这种发动机由罗罗公司自由工厂研制的高马赫数涡轮发动机和普惠Rocketdyne 公司研制的双模态冲压发动机组成,采用洛马公司设计的“内旋式”进气道。2006年进行了进气道、超燃冲压发动机和一体化喷管的风洞试验,2007年可能进行缩比T BCC 发动机的试验。

X 243和X 251均利用飞行器前体和平面进气道捕获并压缩发动机气流,F ALCON 计划则采用三维“流线2追踪”进气道,它可使气流转向推进系统中心线。其

优点是,质量轻、面积小,压力恢复系数高,发动机与飞行器的一体化更为有效,可获得较高的升阻比。5　下一代技术

洛马公司的先期开发项目的总负责人卡普乔表示,X 243的发动机已经没有使用价值,利用F ALCON 计划的下一代外装发动机,可以从飞机底部发射武器或者从飞机顶部发射卫星。对于飞行马赫数为10的HCV ,其尺寸可能与B 252轰炸机相当,目前正在讨论的由T BCC 发动机推进的马赫数为6的HT V 23X 飞行验证器长度约为15.2m 。

高超声速飞机可能要在几十年后才能实现,但卡普乔认为,美国下一代轰炸机可能是超声速的,马赫数介于2.5～3.5之间,而且可能是无人驾驶的。他认为,高超声速能否在美国远程打击计划中起重要作用,取决于X 251A 的成败。如果X 251A 获得成功,高超声速武器可能会在2025年投入使用。

丛　敏 秦春玲