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金沙国际唯一官网:性能超越中国,航天科普

文章作者:军事资讯 上传时间:2019-06-06

(原标题:澳美超音速技术试验成功 或有助变革航空旅行)

首页> 中国军情> 飞到6马赫:我国超燃冲压发动机技术有重大成果 来源:腾讯军事2015-11-04 16:42 作者:张传华 分享到: 金沙国际唯一官网 1 金沙国际唯一官网 2 金沙国际唯一官网 3 金沙国际唯一官网 4 金沙国际唯一官网 5 金沙国际唯一官网 6

近日,有媒体爆料称,美澳联合进行了8倍声速的高超声速导弹试验, 这是一种助推滑翔型的高超声速飞行器,使用了成熟的探空火箭作为助推火箭。有人感觉,中国的助推滑翔型高超声速武器早就多次试射了,是不是中国已经在高超声速武器方面甩美国N条街了?

金沙国际唯一官网 7 美军研制的X-51A高超声速无人飞行器已连续三次试验失败

当作战飞机突破“音障”后,飞行器的速度似乎已经没有了上限,美国不断创造并越来越习惯航空领域的“速度奇迹”,不断向10倍,甚至20倍音速的方向发展。但近期X-51A试飞失败,似乎将美国人对于高超声速的梦想拉回到现实。那么,美国高超声速飞行达到什么水平,又遇到了哪些阻碍呢?

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  超燃冲压发动机技术,被美国确定为未来将改变战争形态的重点技术之一,能够搭上超燃冲压发动机发展的快车道甚至关乎我国国运。而国防科大则完成了这一历史性突破。

不过天天认为,这次成功只是美国庞大高超声速飞行器发展计划的一小部分。美国媒体总在渲染中国的高超声速导弹威胁,但实际上,美国在高超声速武器方面的研究最广泛、最深入。尽管此次试验的项目并非是西方媒体所称的导弹,但是其技术可以用来研发高超声速武器。美国最终研制的高超声速武器不仅仅能够一小时打遍全球,而且会大大提高其突防能力。

  当作战飞机突破“音障”后,飞行器的速度似乎已经没有了上限,美国不断创造并越来越习惯航空领域的“速度奇迹”,不断向10倍,甚至20倍音速的方向发展。但近期X-51A试飞失败,似乎将美国人对于高超声速的梦想拉回到现实。那么,美国高超声速飞行达到什么水平,又遇到了哪些阻碍呢?请看科技日报特约专稿——高超声速试验缘何屡遭失败

由于速度对飞行器作战效能的极大提升作用,一直以来,“更快”就是美国航空领域不断追求的目标之一。

资料图:澳美高超音速技术实验

  一、冲压发动机原理

Nextbigfuture网站15日题为“美澳上周成功进行8马赫的HiFire 4高超声速导弹试验”的报道称,美国-澳大利亚高超声速国际飞行研究实验计划上周在南澳州的Woomera测试靶场进行了至少一次成功的高超声速飞行。澳大利亚国防部长玛丽莎·佩恩确认这一轮实验是在7月12日进行的。昆士兰大学高超声速研究人员与国防科学技术集团和美国空军研究实验室,波音公司和BAE系统合作参加了这次试飞。

  由于速度对飞行器作战效能的极大提升作用,一直以来,“更快”就是美国航空领域不断追求的目标之一。

当作战飞机突破“音障”后,飞行器的速度似乎已经没有了上限,F-15、F-22等战斗机早已可以完成Ma2以上的飞行,D-21、SR-71可以实现Ma3以上的飞行,美国不断创造并越来越习惯航空领域的“速度奇迹”,不断向Ma6、Ma10,甚至Ma20的方向发展。但近期X-51A试飞失败,似乎将美国人对于高超声速的梦想拉回到现实。

继高超音速技术的最新试验成功后,从伦敦至纽约的35分钟飞行时间的梦想,离实现又近了一步。据《每日邮报》5月18日报道,一个澳美联合军事研究小组已经把一个附着在火箭助推器上的超燃冲压发动机发送至了172英里(278公里)的高度,速度为7.5马赫,即音速的7倍。

  航空发动机目前主要分为涡轮风扇发动机、涡喷发动机、螺旋桨发动机等,但这些发动机都普遍无法达到较高的飞行速度,最快只能飞到2马赫左右。原因是这些飞机都是利用涡轮/风扇旋转带动气流反推,当涡轮(用于压气机)/风扇转速到一定程度后,强大的离心力将导致其结构断裂,无法继续,但这种发动机在低速时性能相当好。

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  当作战飞机突破“音障”后,飞行器的速度似乎已经没有了上限,F-15、F-22等战斗机早已可以完成Ma2(两倍音速)以上的飞行,D-21、SR-71可以实现Ma3以上的飞行,美国不断创造并越来越习惯航空领域的“速度奇迹”,不断向Ma6、Ma10,甚至Ma20的方向发展。但近期X-51A试飞失败,似乎将美国人对于高超声速的梦想拉回到现实。

风口浪尖上的X-51A

这一测试是在18日进行,地点为西澳的Woomera以及挪威的Andoya Rocket Range,被视为全球最大陆地测试的10个试点项目之一。

  在思考怎样将发动机继续提速时,科学家们发现,当空气速度达到2马赫以上时,如果取消发动力内部的风扇涡轮等设备,让气流直接进入发动机。然后通过调整发动机的构造(一般是缩小发动机的直径),发动机内部气流的压强就会自动上升,节省了压气机压气环节。一般只要空气降到音速之下就可以进入燃烧室和燃料混合点燃使用了,点燃后的空气压力由喷口喷出,产生强大的反推力,推动飞机或者导弹向前飞机,这就是所谓的冲压发动机原理。

此次试射的HiFire4是一种采用乘波体设计的助推滑翔型高超声速飞行器,自身没有超燃冲压发动机。

  风口浪尖上的X-51A

美国的X系列试验飞行器,以探索前沿的航空航天等领域先进技术而一直为世界关注,其取得的大量成果也在客观上推动了高科技军事装备的快速发展。X-51A就是一个典型的用于发展和验证高超声速飞行技术的项目,为未来Ma6以上空射武器提供技术支持,为美军实现全球快速打击战略能力铺路。

在一份声明中,澳大利亚首席科学家泽林斯基(Alex Zelinsky)表示,“这是一项可以改变时代的技术,给全球航空旅行带来变革,提供了进入太空的省钱方案。

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据称,该飞行器是一种自由飞行的高超声速滑翔器,设计飞行速度8马赫。根据设计,该飞行器飞出大气层后与其火箭助推器分离,并在重返大气时进行受控制的机动。报道称,试飞是为了了解高超声速飞行器如何在高空飞行。BAE系统公司澳大利亚分部在一份声明中表示:“这次成功的飞行试验是迄今为止所有HIFiRE飞行中最复杂的飞行试验。”这个耗资5400万美元的联合倡议包括美国空军,波音公司,澳大利亚国防部的国防科学技术集团,BAE系统澳大利亚分部和昆士兰大学。

  美国的X系列试验飞行器,以探索前沿的航空航天等领域先进技术而一直为世界关注,其取得的大量成果也在客观上推动了高科技军事装备的快速发展。X-51A就是一个典型的用于发展和验证高超声速飞行技术的项目,为未来Ma6以上空射武器提供技术支持,为美军实现全球快速打击战略能力铺路。

X-51A项目的前身是美空军研究实验室2004年启动的“超燃冲压发动机验证机―驭波者”计划,由波音与普惠两家公司共同开发,目标就是要发展一种可在1小时内攻击地球任意位置目标的新型高速武器,2005年9月,美空军将“驭波者”命名为X-51A。

科学家们指出,高超音速技术可以大幅减少飞行时间。譬如说,借助这一技术,从悉尼到伦敦的飞行时间只要2小时,而这两地间的距离为1.05万英里(约1.7万公里)。伦敦到纽约可能只需短短35分钟,而其距离为3460英里(约5571公里)。

  涡喷、冲压和超燃冲压发动机原理图,从左至右其结构依次为进气道、燃烧室、喷口,从上往下进气道的进气速度逐渐增加,涡轮结构被取消,因此发动机结构也变得简单,推力也越来越大,但点火变得越来越困难。

天天在这里需要注明的是,这里的8马赫是该飞行器在助推火箭的推动下达到的最大速度,它不能保持这个速度持续飞行,而是在滑翔过程中不断耗能减速。

  X-51A项目的前身是美空军研究实验室2004年启动的“超燃冲压发动机验证机—驭波者”计划,由波音与普惠两家公司共同开发,目标就是要发展一种可在1小时内攻击地球任意位置目标的新型高速武器,2005年9月,美空军将“驭波者”命名为X-51A。

X-51A由巡航飞行器和助推器组成,巡航飞行器头部扁平,尾部设4片襟翼,腹部进气,采用超燃冲压发动机,可提供200秒以上的动力冲压支持,助推器采用固体火箭燃料。组合体总长7.65米,巡航级长度4.23米,最大宽度0.58米,组合体总重1790千克,巡航级发射重量683千克,射程可达740千米,最大速度可达Ma6以上。其飞行过程为,X-51A由B-52H携带至12千米高空投放,用助推火箭加速到超声速,爬升至20千米左右后启动超燃冲压发动机进行高超声速飞行,动力飞行240秒左右,超燃冲压发动机关机,开始约500秒的无动力飞行和下滑。

据了解,此次的测试项目名为高超声速国际飞行实验(Hypersonic International Flight Research Experimentation,HIFiRE)。参与该计划的工程师最终想以7马赫或5370英里/时运行发动机。

  二、超燃冲压发动机

实际上,这次飞行只是整个HiFIRE的一小部分。文章称,该计划比较有代表性的三个型号分别是HiFIRE 4、HiFIRE 7和HiFIRE 8。这些测试还被称为HyShot V、VI和VII。它们采用了不同的技术实现手段。

  X-51A由巡航飞行器和助推器组成,巡航飞行器头部扁平,尾部设4片襟翼,腹部进气,采用超燃冲压发动机,可提供200秒以上的动力冲压支持,助推器采用固体火箭燃料。组合体总长7.65米,巡航级长度4.23米,最大宽度0.58米,组合体总重1790千克,巡航级发射重量683千克,射程可达740千米,最大速度可达Ma6以上。其飞行过程为,X-51A由B-52H携带至12千米高空投放,用助推火箭加速到超声速,爬升至20千米左右后启动超燃冲压发动机进行高超声速飞行,动力飞行240秒左右,超燃冲压发动机关机,开始约500秒的无动力飞行和下滑。

据相关报道,X-51A迄今为止已经进行了3次试飞。2010年5月26日晚,X-51A进行了首次飞行试验。B-52从爱德华空军基地起飞,在飞行至穆谷海军航空作战中心领海范围内,从15千米左右的高空投放X-51A。当超燃冲压发动机工作到140秒左右时,喷管与机体连接处密封失效,燃气泄漏,造成推力不足和发动机舱温度上升,X-51A启动了安控程序并自毁。此次飞行试验并未完全成功,但验证了包括飞行器与助推器的级间分离、超燃冲压发动机的起动和点火和飞行器控制等许多高超声速关键技术。2011年6月13日第二次试飞中,由于超燃冲压发动机的进气道未启动,试验失败。2012年8月16日,X-51A进行了第三次试飞,在15千米高空自B-52轰炸机下分离,助推点火后仅飞行16秒,就由于平衡尾翼出现的问题导致冲压发动机点火失败,继续飞行15秒后失去控制,并坠入太平洋。

来自昆士兰大学的高超声速专家斯马特(Michael Smart)透露,测试中的超燃冲压发动机以氧气作为燃料,使其比携带燃油的火箭更轻、更快。

  然而人类对速度的追求是疯狂的。对更快的发动机需求之后,科学家们很快发现,当速度超越4马赫后,燃烧室内进入的气流速度迅速升高,变为超音速,此时发动机便会出现很多问题导致速度无法继续提升甚至熄火,让气流在超音速下点燃产生稳定的推力,这就是超燃冲压发动机技术。其中4-6马赫叫做亚燃冲压发动机,6马赫以上叫超燃冲压发动机技术,要实现这一关键技术其中最重要的问题包括进气道技术,燃烧室技术和材料技术。

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  据相关报道,X-51A迄今为止已经进行了3次试飞。2010年5月26日晚,X-51A进行了首次飞行试验。B-52从爱德华空军基地起飞,在飞行至穆谷海军航空作战中心领海范围内,从15千米左右的高空投放X-51A。当超燃冲压发动机工作到140秒左右时,喷管与机体连接处密封失效,燃气泄漏,造成推力不足和发动机舱温度上升,X-51A启动了安控程序并自毁。此次飞行试验并未完全成功,但验证了包括飞行器与助推器的级间分离、超燃冲压发动机的起动和点火和飞行器控制等许多高超声速关键技术。2011年6月13日第二次试飞中,由于超燃冲压发动机的进气道未启动,试验失败。2012年8月16日,X-51A进行了第三次试飞,在15千米高空自B-52轰炸机下分离,助推点火后仅飞行16秒,就由于平衡尾翼出现的问题导致冲压发动机点火失败,继续飞行15秒后失去控制,并坠入太平洋。

鸡蛋没有放在一个篮子里

2.5马赫的速度相当于燃气涡轮发动机的极限。若是以更高的速度运行,进入涡轮发动机内的空气温度和压力会过高。

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HyShotVI主要用于验证超燃冲压发动机。

  鸡蛋没有放在一个篮子里

作为高超声速飞行最具代表性的项目之一,X-51连续3次试飞失败,对于美国探索高超音速飞行无疑是个重创,但是美国并非只有X-51这一个高超声速飞行项目。

以高超音速飞行——即5马赫以上——则需要不同类型的发动机,如超燃冲压发动机,其没有移动部件。

  美军的SR-71黑鸟战略侦察机,它巧妙地将一个涡喷发动机装在冲压发动机内,在低速时涡喷发动机工作,高速时冲压发动机工作,使得其最大速度达到了3.35马赫,但再往上加速就比较困难了

HyShot V(HIFiRE 4,也就是本次发射成功的飞行器)是一个高超声速乘波体,设计用于以8马赫的速度飞行。它将在太空中与火箭助推器分离,并在进入大气层时执行受控制的机动,包括俯冲-拉起,可以延长其飞行距离,但它本身不安装超燃冲压发动机。HyShot VI于2015年3月30日进行了试射。它采用类似于HyShot I-IV飞行测试的弹道,但是它采用了超燃冲压喷气发动机。飞出大气层后,飞行器与火箭分离,并以约8马赫自行进入大气层。该发动机是由昆士兰大学设计的新型三维发动机之一。那次测试中,HIFiRE团队收集了飞行数据,直到有效载荷重新进入65公里的大气层,这时候遥测信号丢失。更不幸的是没有能够收集到超燃冲压发动机的数据。 HyShot VII是其他两种飞行测试的最终成果。它将是一款采用超燃冲压发动机驱动的乘波体飞行器,形式与X-51类似,其设计将利用从HyShot V和VI获得的数据。这次飞行将使用较低的弹道,HyShot团队计划利用超燃冲压发动机在Mach 8上平飞最高达到一分钟。相比之下,HyShot I-IV和VI的短暂的试验窗口大约只有5秒,该飞行器计划于2019年发射。

  作为高超声速飞行最具代表性的项目之一,X-51连续3次试飞失败,对于美国探索高超音速飞行无疑是个重创,但是美国并非只有X-51这一个高超声速飞行项目。

从上世纪八十年代开始,美国开展了NASP计划、HyTech计划(后来衍变为HySet项目)、HyFly项目、X-51A项目、FALCON项目等一系列直接或间接发展高超声速飞行器技术的计划或项目。这些计划或项目,有些虽然由于经费等原因被取消,但有些进行了整合并正在开展,具有很好的继承性和连续性。目前重点项目除X-51A外,还包括FALCON、HyFly等项目。

斯马特指出,18日的测试旨在测量超音速飞行时设备的外部热量。下一次的测试计划于2017年进行,将会让超燃冲压发动机与火箭助推器分离。这一项目的首次测试始于2009年,预计将在2018年完工。

  进气道技术要解决的主要问题是要求高超声速进气道能够让发动机可以持续稳定的进气出气,且维持稳定的压力,否则发动机就会变得不可控制甚至突然熄火。此外因为空气流动时在和发动机交界处流速恒定为0,这就会产生一个阻力,这个交界层叫做附面层,高超音速时,这一阻力效应非常大,要解决这些问题都需要对进气道进行精密设计,研究其三维压缩效应,附面层效应等。

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  从上世纪八十年代开始,美国开展了NASP计划、HyTech计划(后来衍变为HySet项目)、HyFly项目、X-51A项目、FALCON项目等一系列直接或间接发展高超声速飞行器技术的计划或项目。这些计划或项目,有些虽然由于经费等原因被取消,但有些进行了整合并正在开展,具有很好的继承性和连续性。目前重点项目除X-51A外,还包括FALCON、HyFly等项目。

HyFly计划是由美国国防高级研究计划局和海军研究中心联合实施的高超声速飞行演示试验,其目的是通过飞行试验验证以液体碳氢燃料超燃冲压发动机为动力、最大巡航马赫数6.0、射程1100千米的高超声速导弹方案。该计划2001年开始实施,采用双燃烧室超燃冲压发动机方案。HyFly项目是距离工程化最为接近的高超声速飞行验证项目,前后经历了十多年的发展。从2005到2010年,HyFly项目共进行了5次飞行试验,2次成功, 2007、2008和2010年进行的3次动力飞行试验都没有完全成功。2007年9月25日进行了首次动力飞行,由于燃油控制系统出现故障,未能达到预期的Ma5目标。2008年1月16日,第二次动力飞行试验,由于超燃冲压发动机没有按照预定程序工作,试验再次失败。2010年7月29日,最后一次动力飞行试验,由于投放后助推器未能点火,仍以失败告终。

金沙国际唯一官网,此次的测试项目还涉及了航空巨头波音公司、美国航空航天局NASA和德国航天局DLR,是引入新型超音速客机的尝试之一。

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HyShotVII使用火箭助推 超燃冲压发动机 乘波体的构型,类似X-51。

  HyFly计划是由美国国防高级研究计划局和海军研究中心联合实施的高超声速飞行演示试验,其目的是通过飞行试验验证以液体碳氢燃料超燃冲压发动机为动力、最大巡航马赫数6.0、射程1100千米的高超声速导弹方案。该计划2001年开始实施,采用双燃烧室超燃冲压发动机方案。HyFly项目是距离工程化最为接近的高超声速飞行验证项目,前后经历了十多年的发展。从2005到2010年,HyFly项目共进行了5次飞行试验,2次成功, 2007、2008和2010年进行的3次动力飞行试验都没有完全成功。2007年9月25日进行了首次动力飞行,由于燃油控制系统出现故障,未能达到预期的Ma5目标。2008年1月16日,第二次动力飞行试验,由于超燃冲压发动机没有按照预定程序工作,试验再次失败。2010年7月29日,最后一次动力飞行试验,由于投放后助推器未能点火,仍以失败告终。

2004年,美国空军和国防高级研究计划局联合启动FALCON计划,2006年,命名为“高超声速技术飞行器”,旨在发展一种全球到达的高超声速巡航飞行器,巡航速度Ma10,可在2小时内打击16000千米外的目标。该项目按照技术特点不同发展了三种演示验证飞行器,HTV-1、HTV-2和HTV-3。HTV-1是采用当前技术水平,一次性使用的火箭助推无动力滑翔试验飞行器,由于出现技术问题无法克服,加上HTV-2进展较快,目前已被取消。HTV-3是未来的高超声速巡航飞行器的缩小型,计划实现常规跑道上起降,2小时内从美国本土飞到全球任何地方。2008年4月完成初步设计后,因拨款不足而暂停。目前仍在进行的是HTV-2,它也是一次性使用的火箭助推无动力滑翔试验飞行器,但性能水平较HTV-1有大幅提高。飞行器重约900千克,最高飞行速度可达Ma20以上,目标是实现最大航程大于8000千米,无动力滑翔飞行时间3000秒以上。2010年4月22日, HTV-2进行了首次飞行试验,虽然HTV-2与火箭成功地实现了分离,但在飞行9分钟后,与遥测站失去了联系,飞行试验失败。2011年8月11日进行第二次飞行试验,与火箭成功分离后,进入滑翔阶段,约26分钟后失去联系,结论为飞行模式异常。

此外,洛克希德•马丁的“臭鼬工厂”(SkunkWorks)项目是马赫3.5 SR-71 Blackbird间谍飞机的建造方,其已经推出了开发SR-72的计划。

  超燃冲压发动机推动的高超音速飞行器飞行时的温度分布图,可以看到其承受了极高的温度,有些表面甚至超过1000度,这给飞机材料带来了极大的考验。

  2004年,美国空军和国防高级研究计划局联合启动FALCON计划(又称“猎鹰”计划),2006年,命名为“高超声速技术飞行器”(HTV),旨在发展一种全球到达的高超声速巡航飞行器,巡航速度Ma10,可在2小时内打击16000千米外的目标。该项目按照技术特点不同发展了三种演示验证飞行器,HTV-1、HTV-2和HTV-3。HTV-1是采用当前技术水平,一次性使用的火箭助推无动力滑翔试验飞行器,由于出现技术问题无法克服,加上HTV-2进展较快,目前已被取消。HTV-3是未来的高超声速巡航飞行器的缩小型,计划实现常规跑道上起降,2小时内从美国本土飞到全球任何地方。2008年4月完成初步设计后,因拨款不足而暂停。目前仍在进行的是HTV-2,它也是一次性使用的火箭助推无动力滑翔试验飞行器,但性能水平较HTV-1有大幅提高。飞行器重约900千克,最高飞行速度可达Ma20以上,目标是实现最大航程大于8000千米,无动力滑翔飞行时间3000秒以上。2010年4月22日, HTV-2进行了首次飞行试验,虽然HTV-2与火箭成功地实现了分离,但在飞行9分钟后,与遥测站失去了联系,飞行试验失败。2011年8月11日进行第二次飞行试验,与火箭成功分离后,进入滑翔阶段,约26分钟后失去联系,结论为飞行模式异常。

高超音速究竟难在何处

NASA近日也再次启动了“X-plane”计划,希望开发一驾新的超音速喷气机,让其在未来替代客机。

金沙国际唯一官网:性能超越中国,航天科普。  燃烧室主要是燃料和气流混合的场所,要解决的关键问题是在有限的空间(米级)、时间(毫秒级)内和在高速气流(通常是超声速气流)中,实现燃料的喷射、雾化、蒸发、掺混、点火、稳定燃烧,将化学能最大限度地转化为热能,有高的热效率和较小的压力损失,但因为发动机总要逐渐增速。而在不同的速度下,气流在燃烧室内的速度不同,对于点火等技术的要求也不同,而简单的串联不同的发动机不但增大重量而且并不真的有用,因此在一个发动机内同时实现多种模式燃烧就显得非常关键。一般有两种方法,一是通过精密的计算机调整燃烧位置、燃烧强度(燃烧控制),另一种则是调整燃烧室几何面积,这两种方式都非常难,需要大量的计算和实验。

  高超音速究竟难在何处

从上述的演示飞行结果来看,大多数高超声速飞行都没有完全成功。虽然技术探索本身就是尝试,失败从另一方面也是一种积累,但上述情况,充分说明了美国在高超声速飞行的多个项目上都遇到了严重的技术阻碍,那么,高超声速飞行都需要攻克哪些关键技术呢?

(原标题:澳美超音速技术试验成功 或有助变革航空旅行)

  燃料技术要解决的问题原理很简单,在高超音速气流中点燃燃料且让其稳定燃烧一会儿,这就好比人在12级大风里点燃一根火柴还要让其稳定燃烧一样难,自然普遍航空煤油无法担任这一重任。经过试验,碳氢燃料可以承担这一重任。特别是吸热碳氢燃料作为冷却剂,吸收了发动机部件的热量,同时通过催化、裂解、发生相变形成气态煤油、小分子碳氢燃料(如甲烷、乙烯等)和氢的混合物进入燃烧室。一方面燃料通过相变和裂解能够吸收大量的热量,满足了燃烧室等壁面的冷却要求,另一方面大大改善了液体燃料雾化、掺混性能以及燃烧性能。

  从上述的演示飞行结果来看,大多数高超声速飞行都没有完全成功。虽然技术探索本身就是尝试,失败从另一方面也是一种积累,但上述情况,充分说明了美国在高超声速飞行的多个项目上都遇到了严重的技术阻碍,那么,高超声速飞行都需要攻克哪些关键技术呢?

第一,支持高超声速飞行的动力技术。Ma6以上的高超声速飞行,常规的吸气式动力装置已经难以支持,X-51A和Hyfly项目的动力装置都采用了冲压发动机。与火箭发动机相比,冲压发动机具有效率更高、航程更远,可携载荷更重等优势,主要是由于无需携带占据很大发射重量的燃料和氧化剂。但冲压发动机技术难度很大,尤其是维持高超声速条件下的稳定燃烧十分困难,美国已开展了多年的冲压发动机技术攻关工作并取得了大量成果,但在高超音速飞行中仍会出现许多问题,如Hyfly项目。对于要发展由机场起降、可重复使用的高超声速飞行器,如HTV-3,则需要发展技术更为复杂的组合发动机,如涡轮基组合循环推进系统,实现大速度跨度飞行,但由于技术难度和经费需求都很大,目前美国尚处于探索阶段。

金沙国际唯一官网:性能超越中国,航天科普。  三、各国竞相追逐

  第一,支持高超声速飞行的动力技术。Ma6以上的高超声速飞行,常规的吸气式动力装置已经难以支持,X-51A和Hyfly项目的动力装置都采用了冲压发动机。与火箭发动机相比,冲压发动机具有效率更高、航程更远,可携载荷更重等优势,主要是由于无需携带占据很大发射重量的燃料和氧化剂。但冲压发动机技术难度很大,尤其是维持高超声速条件下的稳定燃烧十分困难,美国已开展了多年的冲压发动机技术攻关工作并取得了大量成果,但在高超音速飞行中仍会出现许多问题,如Hyfly项目。对于要发展由机场起降、可重复使用的高超声速飞行器,如HTV-3,则需要发展技术更为复杂的组合发动机,如涡轮基组合循环推进系统,实现大速度跨度(从0至Ma6以上)飞行,但由于技术难度和经费需求都很大,目前美国尚处于探索阶段。

第二,先进乘波体气动布局设计技术。乘波体是一种全新的设计理念,其主要利用超声速飞行时前缘附体激波,通过激波压力来产生升力进行飞行,因此乘波体气动布局非常关键,其外形决定了激波模式,激波模式与航程密切相关。X-51A就采用了乘波体设计技术。这种设计技术目前仍然需要飞行试验验证以进一步成熟。

  各国为了突破实现超燃冲压发动机技术,早在上世纪就开始了研发的脚步,1991年11月27日,苏联首先取得突破,其“冷(Kholod)”飞行器(Hypersonic Flying Laboratory, HFL)首次飞行试验取得成功,实现了超燃冲压发动机的正推力,最大飞行速度达到5.6 Ma,发动机工作时间达到27.5 s,飞行高度35 km。

  第二,先进乘波体气动布局设计技术。乘波体是一种全新的设计理念,其主要利用超声速飞行时前缘附体激波,通过激波压力来产生升力进行飞行,因此乘波体气动布局非常关键,其外形决定了激波模式,激波模式与航程密切相关。X-51A就采用了乘波体设计技术。这种设计技术目前仍然需要飞行试验验证以进一步成熟。

第三,高超声速飞行器综合设计与精确控制技术。当飞行器以高超音速飞行时,会产生强烈的激波,激波与附面层之间产生相互干扰,在高超音速气流驻点附近产生极高的温度,能使附近的气体分解和电离,形成相当复杂的混合气体,使得高超声速气流的研究成为非常复杂的问题。这不仅对飞行器平台的综合设计提出了挑战,也给高超声速条件下的精确控制带来了困难,X-51A最近一次验证飞行失败就是这个原因造成的。

  后来的俄罗斯也研制出了自己的超燃冲压发动机推动的高超音速飞行器GLL-AP-02,最大速度为6马赫。

  第三,高超声速飞行器综合设计与精确控制技术。当飞行器以高超音速飞行时,会产生强烈的激波,激波与附面层之间产生相互干扰,在高超音速气流驻点附近产生极高的温度,能使附近的气体分解和电离,形成相当复杂的混合气体,使得高超声速气流的研究成为非常复杂的问题。这不仅对飞行器平台的综合设计提出了挑战,也给高超声速条件下的精确控制带来了困难,X-51A最近一次验证飞行失败就是这个原因造成的。

第四,防热结构与材料技术。高超音速飞行还有一个巨大的难题需要面对,就是高速条件下产生的“热问题”。以高超音速在入大气层内飞行时,气动加热会使其表面达到极高的温度,当飞行器在Ma6以上飞行时,表面多个部件温度将达到500℃以上,对于结构和材料的热防护提出了严峻挑战,X-51A首次试飞失败,喷管与机体连接处密封失效,气动热就是重要的原因之一。

  美国于1996年开始了这一方面的Hyper-X计划,其目前已经试飞的X-43A,使用氢燃料超燃冲压发动机,2004年11月16日取得飞行试验成功,发动机持续工作10~12 s,最大速度为9.8马赫。

  第四,防热结构与材料技术。高超音速飞行还有一个巨大的难题需要面对,就是高速条件下产生的“热问题”。以高超音速在入大气层内飞行时,气动加热会使其表面达到极高的温度,当飞行器在Ma6以上飞行时,表面多个部件温度将达到500℃以上,对于结构和材料的热防护提出了严峻挑战,X-51A首次试飞失败,喷管与机体连接处密封失效,气动热就是重要的原因之一。

除此之外,高超声速飞行器未来要形成作战能力,还要在全系统发挥作战效能等问题上解决一系列问题,包括超高声速条件下的武器末制导技术等。

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  除此之外,高超声速飞行器未来要形成作战能力,还要在全系统发挥作战效能等问题上解决一系列问题,包括超高声速条件下的武器末制导技术等。

综合来看,高超音速飞行项目近期问题的集中爆发,充分说明了其巨大的技术难度,但由于潜在的巨大军事效益,此项目一定还会继续发展。预计美国类似X-51A的中等射程高超声速巡航弹要到2020年才能投入使用,射程更远的空基或地/海基高超声速巡航弹要到2020年后,至于机场起降、可重复使用的高超声速飞行器,则更为遥远。来源:中国航天网

  美国NASA研制的高超音速飞行器X-43A,最高速度达9.7马赫,但因为无法解决燃料持久问题,因此试飞了三次均只持续了10秒以下就耗尽燃料,最终被NASA放弃。

  综合来看,高超音速飞行项目近期问题的集中爆发,充分说明了其巨大的技术难度,但由于潜在的巨大军事效益,此项目一定还会继续发展。预计美国类似X-51A的中等射程高超声速巡航弹要到2020年才能投入使用,射程更远的空基或地/海基高超声速巡航弹要到2020年后,至于机场起降、可重复使用的高超声速飞行器,则更为遥远。

  而后美国又研制了X-51A,由B-52投掷发射。2013年5月1日,X-51A第四次飞行试验取得成功,最大速度达到5.1马赫,飞行高度18.3 km,超燃冲压发动机工作时间达到210秒,飞行距离426 km,创造了高超声速飞行器的飞行距离纪录。

  (王治 牛文博 马光军 作者单位:空军装备研究院)

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  美军的X-51A“乘波者”高超音速飞行器,其使用三级推进的方式,先由B-52加速到高亚音速,而后火箭发动机启动推进到超音速,最后启动超燃冲压发动机,该机型目前共试飞三次,均告失败。

  我国的在上世纪90年代开始了超燃冲压发动机真正的研制工作,并由航天三院,国防科大等多家单位负责,最终国防科大王振国团队领先一步取得突破,在超燃冲压发动机及其地面试验、飞行试验技术等方面进行了开拓性研究,实现了技术水平的跨越。并获国家技术发明二等奖,相信不久之后,我国的超燃冲压发动机推动的高超音速飞行器就将上天翱翔。

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