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从美国试飞X-51A谈空天打击  

2009-12-17 11:12:46|  分类: 鹰击长空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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12月9日,美国空军委托波音设计的X-51A研究机在B-52的携载下升空成功,现定于2010年2月正式试飞,最终速度将达到7倍音速。X-51A采用“乘波体”技术,这是一种新颖的飞行机制,和通常飞机采用机翼产生升力的机制迥然不同,特别适宜于在大气层边缘以高超音速飞行,一个多小时就可以从西雅图飞到北京,具有不可估量的军事和民用潜力。

从美国试飞X-51A谈空天打击 - 晨枫 - 晨枫小苑
X-51A在B-52轰炸机的吊挂下升空

从美国试飞X-51A谈空天打击 - 晨枫 - 晨枫小苑
X-51A采用不同寻常的“乘波体”原理,特别适合于在大气层边缘的近地空间作高超音速飞行

美国国会在2007年11月11日就对2008年军事预算进行修正,决定在4600亿军费开支中,特别拨款1亿美元用于发展“猎隼”太空攻击武器,用于从大气层边缘的亚轨道高度以至少6倍音速的高超音速速度飞行,精确攻击全球范围内的任何目标,并具有发射卫星和反卫星武器的能力,X-51A是其中的一部分。

猎隼的原名FALCON其实是缩写,有意和英文中猎隼falcon重名。这是美国国防先进研究规划局的一个研究计划,全名为Force Application Launched from Continental United States,意为从美国本土发射的力量投送。这是一个拗口的说法,说白了,就是下一代的战略轰炸机。不过这可不是传统战略轰炸机的进一步发展,而是打破航空和宇航界限的所谓空天轰炸机。

在现代战斗机面前,传统战略轰炸机的自卫火力、速度和高度没有优势,打不过也躲不过,所以B-2轰炸机另辟蹊径,用隐身作为主要的突防和战场生存手段。但随着技术的发展,隐身这个金钟罩被捅出几个大洞只是时间问题,到时候B-2这台戏就难唱了。传统战略轰炸机在速度上也不尽人意,空中加油后可以任意攻击全球目标,但动辄需要十几个小时的单程飞行时间,打击行动的及时性不足。美国曾有意将部分洲际导弹换装常规弹头,可以在30分钟内打击世界任意地点的目标, 但终因可能引起敌对核国家的误反应而作罢。传统战略轰炸机在出击中飞经其他国家的领空也有相关的政治问题。由于现代战场上空天一体,近地轨道成为新的制高点,但传统轰炸机只能望高兴叹。

有鉴于此,美国空军致力于发展“猎隼”就不奇怪了。“猎隼”在大气层边缘上飞行,高度远远超过现有防空导弹的射高,也超过了现有战斗机加空空导弹的射高, 高达7倍音速的超高速也远远超过现有导弹技术的截击能力,基本上回到60年代初SR-71悠游高空的光景。但这不仅仅是无武装的战略侦察机,而是可以在两 小时内从美国大陆基地飞抵世界上绝大多数冲突热点实施攻击的空天轰炸机。由于“猎隼”的超高空和超高速,投下的炸弹将天然具有极高的动能,较小的炸弹就可 以具有极大的威力,对于深藏地下的硬目标尤其有效。由于“猎隼”在亚轨道高度超高速飞行。这也是一个天然的轨道武器的发射平台,可以用于发射卫星、反卫星 武器或者其他轨道武器。

当然,矛盾相长,总有一天,可以拦截亚轨道高超音速飞行器的防空武器也会出现,但和研发“猎隼”本身相比,这是一个更加巨大的挑战,就像卫星早已上天,但可供实战使用的反卫星武器却是晚得多的事情一样。虽说反卫星武器可以攻击高度更高、速度更快的卫星,反卫星和拦截亚轨道高超音速飞行器有本质的不同。卫星 只有有限的变轨能力,运行轨道大体固定。反卫星武器发射前,目标卫星早已绕地球无数次,轨道参数都已清楚,反卫星武器可以根据卫星的运行规律“守株待兔”,否则在浩渺的太空里满世界追是追不上的。亚轨道高超音速飞行器的 飞行轨迹像飞机一样不可预测,而且没有反复绕地球的事情,探测和拦截是一锤子买卖,可供拦截的窗口也稍纵即逝,拦截难度大大提高。只要火箭的推力足够大,要达到足够的高度和速度不成问题,但在几乎没有空气的近地空间机动,不能用舵面,必须大量燃烧燃料、抛射高速燃气形成足够的动量才能实现机动。这迫使火箭携带大量燃料升空,大大增加了防空系统的体积、重量、 成本、和技术难度,同时大大降低系统的机动性和实战适用性。激光或者其他“奇迹武器”可能是对抗亚轨道高超音速飞行器的更有效的手段,但离实用性尚远。

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采用“乘波体”原理的X-51A将在大气层边缘飞行,极大地减小飞行阻力,提高飞行速度

然而,拦截亚轨道高超音速飞行器具有极大的困难,不等于亚轨道高超音速飞行器本身就没有极大的困难了,不然美国国会就不会仅仅是拨款一亿美元,而是一百亿 甚至更多,加速实战部署、确保世界霸权了。亚轨道高超音速飞行器具有两大困难。第一是飞行器本身。在亚轨道高超音速飞行,巨大的热障使飞行器的升力、阻 力、机动性和热力学现象紧密相关,主导飞机设计的空气动力学“升级”为空气热动力学,需要对很多本来熟知的现象重新认识。比如说,亚轨道高超音速飞行器不用 机翼产生升力,而是用机体本身形成升力体,像水面由快艇拖带的滑水板一样产生压缩升力。超音速飞行形成的激波不仅是阻力的源泉,也是飞行器“踩”在激波的锋面背后“冲浪”的载体。“乘波体”在大气层内靠压缩升力和激波升力飞行,发动机从空气中汲取氧气燃烧,加速到飞离大气层的速度,然后在大气层外作亚轨道飞行,知道在地球引力作用下重新回到大气层内,开始下一个循环。这样的“乘波”飞行既利用了大气层内的氧气,避免像火箭一样被氧化剂占用大量的起飞重量,又得益于大气层外没有空气阻力的好处。然而,亚轨道高超音速飞行器不仅有亚轨道高超音速飞行段,还有在低空低速起飞、着陆和机动的飞行段,气动设计必须综合考虑各方面的要求。现在的航空航天技术还没有解决这一问题,X-51A还是靠B-52携带升空,取得一定的速度和高度后再靠自身动力加速到亚轨道飞行的。航天飞机没有完全实现水平起飞、 水平着陆和加油后就可再次起飞的初衷,但在再入过程中的亚轨道高超音速机动飞行中获得了珍贵的第一手经验,使美国在这方面领先于世界。

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X-51A依然靠B-52携带升空,然后用火箭发动机助推加速,但X-51A动力系统的技术关键在于超燃冲压发动机,这是航空发动机的技术前沿

亚轨道高超音速飞行的第二大问题是动力。喷气发动机使用涡轮压气机压缩空气,然后在燃烧室里加注燃料、点火燃烧,从喷管里加速喷出,形成推力。然而,在通常条件下,燃烧锋面的扩散速度极限是音速,所以即使在超音速飞行时,喷气发动机的气流和燃烧是亚音速的,进气道的作用之一就是以尽可能小的损失将进气减速到亚音速。但喷气速度必须高于飞行速度,才可能提供推力。随着速度的提高,这一减速-加速过程的损失越来越大,所以涡轮类的喷气发动机速度难以超过3倍音速。普通的冲压式喷气发动机省 却了涡轮压气机,直接靠进气的动压压缩空气,但燃烧依然是亚音速的。要突破这个关口,只有采用超音速燃烧冲压发动机。超音速燃烧冲压发动机的研究在各国都是保密的。由于空气和燃料的混合和燃烧时间极短,燃烧控制像跑步的传令兵向骑马的骑兵传送命令一样,难度可以想象。超音速燃烧冲压发动机的工作窗口极其狭 窄,错过一点点,超音速燃烧就不能维持。在另一方面,温度升高使音速升高,不及时补偿的话,也会破坏超音速燃烧的条件。目前美国的X-51A代表超音速燃烧 冲压发动机的最高水平,但飞行的持续时间只有300秒,离实用化还差距很远。即便是普通的冲压发动机在低速下也不能正常工作, 需要用涡轮喷气发动机起飞、加速到超音速才能有效工作。X-51A的火箭助推是实验性的,实用中可能用冲压发动机将飞行器加速到5倍音速以上,超音速燃烧冲压发动机才能开始工作。这使得“猎隼”的动力 系统将叠床架屋,十分复杂。另一个办法是用普通重型飞机吊挂起飞,在空中高速飞行时投放,但这限制了“猎隼”的尺寸和重量,也依然有加速到5倍音速以上的问题。在试验中可以用火箭发动机加速,但实战化的“猎隼”再依赖火箭动力的话,还不如省却麻烦,直接当导弹一样发射得了。

X-51A而不是F-22代表了航空技术的最前沿,中国对高超音速飞行必须加以足够的重视。“猎隼”代表了未来空天一体化战场的趋势,但离实战化还有很远的距离。
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