高超聲速飛行器

高超聲速飛行器是指飛行速度超過5倍音速的飛機、飛彈、炮彈之類的有翼或無翼飛行器，具有突防成功率高的特點，有著巨大的軍事價值和潛在的經濟價值。

基本介紹

• 中文名：高超聲速飛行器
• 飛行速度：超過5倍音速
• 特點：突防成功率高
• 價值：巨大的軍事價值和潛在的經濟價值

技術難點

動力系統

噴氣式發動機

噴氣發動機通常由進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管組成。部分軍用發動機的渦輪和尾噴管間還有加力燃燒室。噴氣式發動機屬於熱機，做功原則同樣為：高壓下輸入能量，低壓下釋放能量。工作時，發動機首先從進氣道吸入空氣。這一過程並不是簡單的開個進氣道即可，由於飛行速度是變化的，而壓氣機對進氣速度有嚴格要求，因而進氣道必需可以將進氣速度控制在合適的範圍。壓氣機顧名思義，用於提高吸入的空氣的壓力。壓氣機主要為扇葉形式，葉片轉動對氣流做功，使氣流的壓力、溫度升高。隨後高壓氣流進入燃燒室。燃燒室的燃油噴嘴射出油料，與空氣混合後點火，產生高溫高壓燃氣，向後排出。高溫高壓燃氣向後流過高溫渦輪，部分內能在渦輪中膨脹轉化為機械能，驅動渦輪旋轉。由於高溫渦輪同壓氣機裝在同一條軸上，因此也驅動壓氣機旋轉，從而反覆的壓縮吸入的空氣。從高溫渦輪中流出的高溫高壓燃氣，在尾噴管中繼續膨脹，以高速從尾部噴口向後排出。這一速度比氣流進入發動機的速度大得多，從而產生了對發動機的反作用推力，驅使飛機向前飛行。

超燃衝壓發動機

衝壓發動機是吸氣式發動機的一種，它利用大氣中的氧氣作為全部或部分的氧化劑,與自身攜帶的燃料進行反應。與壓氣機增壓的航空發動機不同，它利用結構部件產生激波來對高速氣流進行壓縮，實現氣流減速與增壓,整體結構相對簡單。工作原理是首先通過進氣道將高速氣流減速增壓,在燃燒室內空氣與燃料發生化學反應,通過燃燒將化學能轉變為氣體的內能。最終氣體經過噴管膨脹加速,排入大氣中,此時噴管出口的氣體速度要高於進氣道入口的速度,因此就產生了向前的推力。

超燃衝壓發動機主要由進氣道、隔離段、燃燒室與尾噴管組成。其中進氣道的主要功能是捕獲足夠的空氣,並通過一系列激波系進行壓縮,為燃燒室提供一定流量、溫度、壓力的氣流,便於燃燒的組織。隔離段是位於進氣道與燃燒室之間的等直通道,其作用是消除燃燒室的壓力波動對進氣道的影響,實現進氣道與燃燒室在不同工況下的良好匹配。當燃燒室著火後壓力升高,隔離段中會產生一系列激波串,激波串的長度和位置會隨著燃燒室反壓的變化而變化。當隔離段的長度足夠時,就能保證燃燒室的壓力波動不會影響進氣道.燃燒室是燃料噴注和燃燒的地方,超燃衝壓發動機中燃料可從壁面和支板或噴油桿噴射。超燃衝壓發動機中的火焰穩定與亞燃衝壓發動機不同,它不能採用“V”型槽等侵入式火焰穩定裝置,因為它們將帶來巨大的阻力,因此目前普遍採用凹腔作為火焰穩定器.尾噴管則是氣流膨脹產生推力的地方。

熱防護

高超聲速飛行器研發過程中遇到的另一個難題就是氣動加熱問題，即所謂熱障。它主要是飛行器飛行時由於激波和粘性的作用，其周圍空氣溫度急劇升高，形成劇烈的氣動加熱環境，使一般飛行器結構無法承受。為克服熱障，科研人員首先精心設計飛行器的飛行軌道和氣動外形，使其在不影響或較少影響飛行器性能的情況下，儘可能降低進入飛行器的氣動加熱率，即熱流。

克服熱障更主要的手段是對飛行器進行熱防護，熱防護的方法按防熱機理劃分有：熱沉防熱；輻射防熱；發汗冷卻防熱和燒蝕防熱。

熱沉防熱主要利用材料的熱容量來吸收熱量。任何材料都有熱容量，但作為防熱材料使用時有其特殊要求。首先要有大的比熱，這樣單位質量的材料才能吸收更多的熱量；其次要有高的導熱率，只有這樣才能使熱沉材料的溫差不致過大，不然的話，受熱面已接近或達到材料的破壞溫度，而其餘部分的溫度還較低，就不能充分發揮材料大熱容量的潛力。由於熱沉材料的破壞溫度一般不是很高，比如說銅的熔點是1357 K，要想吸收大量的熱，就必須大量增加熱沉材料的質量，形成比較笨重的防熱系統。

輻射防熱主要利用材料的輻射特性。就是將其表面的氣動熱再以輻射的形式散發出去。由於輻射熱流與表面溫度的四次方成正比，因此，選用的輻射防熱材料不僅要有高輻射特性外，而且還必需有低導熱率和耐高溫特性。

發汗冷卻防熱通過從多孔表面滲出流體達到防熱的目的。主要靠熱阻塞效應或質量引射效應的機理來防熱。基本原理是，當流體注入飛行器表面氣體邊界層時，使邊界層結構發生改變，厚度增大而使得溫度梯度降低，從而減小進入飛行器的對流傳熱。飛行器使用發汗冷卻防熱優點是在飛行中沒有氣動外形的變化，還可以通過控制流體的滲出量來適應不同大小熱流的熱防護需求。薄膜冷卻防熱依靠在飛行器表面的小孔噴出液體或氣體，在表面形成一層很薄的液膜或氣膜，將飛行器表面與高溫氣體分隔開，而後液體蒸發吸熱，氣體注入邊界層，產生熱阻塞效應，降低進入飛行器的對流傳熱。薄膜冷卻防熱與上述發汗冷卻防熱相類似。很多人把它歸結到發汗冷卻防熱。

燒蝕防熱通過燒去外層，來達到保護內層的目的。燒蝕熱防護由於有效、可靠、自適應、重量輕、工藝簡單、便於搬運和儲存等優點而得到廣泛套用。中遠程彈道飛彈彈頭、返回式衛星、宇宙飛船、登月飛行返回艙以及太空梭機頭和機翼尾翼前緣，都使用燒蝕防熱。經過幾十年的研究試驗和實際套用，現已研發多種燒蝕材料，供不同用途的飛行器或飛行器的不同部位選用。燒蝕防熱是目前高超聲速飛行器熱防護中套用最成功的一種方法。燒蝕防熱的主要缺點是一次性使用和由於燒蝕產生的氣動外形變化。後者，將影響再入太空飛行器的穩定性、落點精度和再入機動飛行，以及巡航飛行器的升阻力、穩定性和操縱性。

發展現狀

高超聲速巡航飛彈

高超聲速巡航飛彈已成為遠程精確打擊的主力巡航飛彈,目前正在向高速度、高精度、隱形化的方向發展。高超聲速巡航飛彈裝有多燃料倉超燃衝壓噴氣發動機推進系統,採用易存儲的液態碳氫燃料,甚至是純液態氫,能在24km以上高空、以馬赫數4～8的速度機動飛行,並能在6h內環繞地球一周,迅速打擊地球上任意地點的目標。

美國正在研製的X-51高超聲速巡航飛彈。X-51長3.5m，射程為1000km，時速為5馬赫。X-51由B－52轟炸機帶到3.5萬英尺的高空發射，然後加速到5馬赫。法國的航空航天研究院和宇航-馬特拉公司正在開展“普羅米修斯(Promethee)”計畫。目的是研究碳氫燃料雙模態超燃衝壓發動機推進的高超聲速空地飛彈。該空射型飛彈採用的是半橢圓外形的“南瓜子型”無翼乘波體方案,彈長6m,總發射質量為1700kg,航程大於1000km,最大速度可達8馬赫。印度正在研製一種可重複使用的高超聲速巡航飛彈系統,其飛行高度為30～40km,巡航速度為7馬赫。德國高超聲速飛彈的主要性能指標為:飛行馬赫數6.5,採用高能、高密度的吸熱型碳氫燃料超燃衝壓發動機,慣性加全球定位系統複合制導,射程為1000km左右,命中精度在15m以內。

高超聲速飛機

高超聲速偵察機是一種最新的偵察機，它擁有的速度可以使偵察變得更加容易以及更加的安全，這種偵察機速度可達馬赫數5～9，航程超過1800km，裝有超燃衝壓發動機，有人或無人駕駛。主要用於偵察敵方對空防禦系統陣地情況，還能執行電子情報蒐集等多種任務。美國的“曙光女神”高超聲速偵察機，又名“極光”，是SR-71“黑鳥”戰略偵察機之後新一代戰略偵察機。據推測，“曙光女神”偵察機全機長為32m，全載重為83噸，其中三分之二以上是燃料，具有超大功率發動機和流線型機身，飛行高度40km以上，飛行速度6馬赫，甚至更快。美國的“黑燕”高超聲速偵察機如戰鬥機般大小，動力系統由使用氫燃料的一台渦輪噴氣發動機和一台衝壓式噴氣發動機組合而成。首先渦輪噴氣發動機把飛機的速度提升到3倍音速，衝壓式噴氣發動機開始工作，並將巡航速度提升到6倍音速。組合循環發動機取代火箭助推器提供動力，因此它可以像飛機一樣起降。“黑燕”將是一種集很強的隱形、速度和高度於一身的無人偵察機。

高超聲速轟炸機是一種攻擊範圍大，作戰比較靈活的轟炸機。計畫研製中的高超聲速轟炸機能把炸彈投到地球上任何地點並返回到原起飛點，能精確投擲高爆穿甲彈或動能武器來實施打擊，下一步將配載高能雷射武器或粒子束武器攻擊目標，不需中途加油和在國外設定前進基地，飛行高度高、速度快、側向機動性好，目前的防空武器很難打到它。美國的B-3第一種高超聲速“B”式隱形戰略轟炸機，是近年來開始研製的可帶核彈、5倍音速的新一代遠程隱形戰略轟炸機。在性能指標上要求隱形、高超聲速、遠程飛行等能力更強，飛行高度大於30km，速度達到5～6馬赫，航程大於11100km，載彈量要達到或超過B-52的水平。B-3採用了一系列新技術和新設備，具有跟蹤地形及抗核能力的機載雷達，並可在高超聲速情況下使用遠程飛彈或雷射波束武器。

高超聲速無人機擁有的飛行將達到12～15馬赫，飛行高度26～38km，可以快速到達出事地點，向後方傳出最新的戰場態勢，從而取代遠程高速偵察機。還可以在高超聲速無人機上裝載偵察設備和精確制導武器，用於偵察和攻擊世界各地的重要目標，或伴隨高超聲速巡航飛彈執行戰場毀傷評估與偵察任務。