美俄搞不定我們來,中國高超音速武器新流派已出成果


中國公開的超燃衝壓試飛平臺

近日, 在中國人民革命軍事博物館舉行的全國科技周活動上, 我國首度公開了採用超音速燃燒衝壓發動機技術的 “臨近空間高超聲速通用試飛平臺”,

這顯示中國完成高超音速滑翔武器的開發後, 也突破了高超音速吸氣推進技術的難關, 這很可能會衍生出另一支高超音速武器家族。

“助推-滑翔”與 “超燃衝壓”是高超音速武器的兩大流派, 但後者的難度更高, 之前僅有美國成功試飛。 究竟超燃衝壓難在哪裡?又有何意義?今天, 北國防務就來說說這個問題。


由B-52發射的X-43是第一種以超燃衝壓發動機維持高超音速的飛行器, 其液態氫僅夠燃燒12秒

要達到高超音速飛行最簡單的方式是採用火箭動力, 因此在二戰後美蘇兩國進行了激烈的火箭競賽, 競相發展出更大更快的洲際彈道導彈與太空火箭。 然而, 火箭的缺點是同時要攜帶氧化劑與還原劑, 因此大部分空間都要裝填燃料/助燃劑, 僅有少量空間可以裝載彈頭或貨物, 使其單位重量的使用成本居高不下。 然而, 大氣有21%是氧氣, 噴氣飛機可以吸取氧氣作為助燃劑, 機上只需裝載燃油作為燃料就可產生動力,

單位重量的使用成本就大幅降低。

噴氣發動機的速度不能無限制提高, 大概在3.5馬赫其渦輪溫度就會超過金屬上限而融化。 如果取消渦輪與壓縮機, 利用進氣道的斜震波將超音速氣流減速到1馬赫以下, 則進氣的壓縮比就足以作為推進之用, 這就是 “衝壓發動機”的原理。 但空氣減速時會同時增加壓力與溫度, 當速度超過6馬赫時, 燃燒室的進氣溫度會高到接近燃燒溫度, 使注入的燃料無法增加氣流能量, 也就產生不了推力, 形成了衝壓發動機的速度上限。 解決之道就是讓氣流不要減速太多, 以超音速狀態穿過燃燒室, 這種發動機就稱為 “超音速燃燒衝壓發動機”, 簡稱 “超燃衝壓”。


前蘇聯的Kholod超燃衝壓發動機利用S-200彈體作為加速平臺, 本身並不能產生足夠飛行的推力

超燃衝壓發動機的概念很簡單, 但達成卻很困難, 美國空軍形容 “猶如在颱風中點燃一根火柴”, 超音速氣流會將燃燒室的火焰吹走而無法穩定的燃燒。 因此早期的超燃衝壓發動機需要用容易燃燒的燃料作為輔助,

例如美國海軍在1958年發展的雙楔形燃燒室是採用具有 “自燃”特性的合成燃油, 而蘇聯在1991年裝在S-200導彈彈鼻射出的Kholod雙模式衝壓發動機則用燃燒快速的液態氫作為燃料。

這兩種發動機雖然都驗證了超音速燃燒室的可行性, 但都沒有產生足夠的推力維持飛行, 直到2004年11月, 美國NASA的X-43A Hyper-X實驗載具以液氫燃料達到9.6馬赫, 才成為人類第一種超燃衝壓推進的飛行器。


Hyfly飛行器是採用二次燃燒概念,高密度的JP-10燃油先在亞音速燃燒裂解成較小分子,再注入超音速燃燒室中燃燒產生推力

然而,液態氫的密度太低,且需以高壓方式儲存,不適用於嚴酷的戰場環境。傳統的石化燃料不但容易儲存與分裝,而且能量密度更高,美國軍方一直希望改用燃油作為超燃衝壓發動機的能量來源。美國海軍與美國國防部高級研究計畫局在2002年委託波音公司研發圓形截面的Hyfly高超音速飛行器,以在未來容納到戰艦的垂直發射器中。

Hyfly採用Aerojet公司發展的 “雙燃衝壓”發動機:它具有兩個進氣系統與燃燒室,高密度的JP-10燃油先注入亞音速氣流中點燃,將燃料打散成分子更小的油氣再注入超音速燃燒室。雖然2005年成功從地面發射一具50%縮比飛行器達到5.5馬赫的極速,但全尺寸版本兩次由F-15發射都沒有成功。


X-51採用方形截面,在高超音速有較高的升阻比可飛行更遠的距離。其油冷式超燃衝壓發動機省略了二次燃燒,並可延長燃燒室的作用時間

美國空軍的X-51“乘波者”計畫則是採用普惠與Rocketdyne聯合發展的X-1油冷式超燃衝壓發動機,其特點是JP-7燃油在注入燃燒室前會先繞經燃燒室周圍管路,除了利用管壁溫度裂解為較小分子外,還可冷卻燃燒室溫度,使燃燒室只需用高溫合金製造,而不像Hyfly得用昂貴的陶瓷。X-51也是由波音公司打造,在2010年首次試射就維持了200秒的超燃衝壓飛行,極速達到5馬赫。


美國HyFly風洞模型(左)與我國超燃衝壓試飛平臺(右)的進氣孔極為相似,後者可能採用類似的超燃衝壓設計

而此次國防科技大學空天科學學院展示的超燃衝壓試飛平臺外型類似Hyfly,同采圓形截面與彈鼻進氣,可能是為了便於容納進艦上發射管。另外,網路也曾出現 “軸對稱徑向佈局雙模組發動機”的概念圖,可能也用在這款飛行器上,整體概念與Hyfly計畫相同。

根據現場海報,2015年12月首次進行了飛行試驗,使中國成為世界上第二個以石化燃料進行超燃衝壓飛行的國家。


現場海報形容 “臨近空間高超聲速通用試飛平臺”是繼美澳HiFire計畫後的第二種低成本高超音速試飛平臺,但HiFire計畫其實只有HiFire 4高超音速滑翔器有成功,超燃衝壓的HiFIRE 7試射失敗

採用 “助升-滑翔”的高超音速滑翔器僅需考慮高超音速的耐熱與複雜的氣動控制問題,而 “超燃衝壓”飛行還需多突破超音速吸氣推進的難關,因此難度更高,俄羅斯與印度在發展完“布拉莫斯”衝壓動力導彈後也積極想研發出超燃衝壓版本,但至今沒有具體成果。美國國防業界人士曾形容中國對高超音速科技的投入已超越了美國,目前的確在 “助升-滑翔”與 “超燃衝壓”這兩個領域看到了顯著的成效。

由於油冷式有溫度較低的特點,減輕了材料的負擔,目前是各國研究超燃衝壓發動機的主流。根據中國科學報在2017年的報導,超燃衝壓的專案組提出了主動冷卻的雙壓裂解新概念,克服了國外流行的超臨界主動冷卻方法的缺點,顯示目前展出的飛行器可能只是過度版本,還有油冷式超燃衝壓發動機在發展中,並成為真正武器化的項目。


俄羅斯的GLL-AP-02超燃衝壓飛行器(上)曾規劃在2019年進行首飛,而印度的Brahmos二代(下)則規劃在2023年測試,但目前都沒有進一步消息


Hyfly飛行器是採用二次燃燒概念,高密度的JP-10燃油先在亞音速燃燒裂解成較小分子,再注入超音速燃燒室中燃燒產生推力

然而,液態氫的密度太低,且需以高壓方式儲存,不適用於嚴酷的戰場環境。傳統的石化燃料不但容易儲存與分裝,而且能量密度更高,美國軍方一直希望改用燃油作為超燃衝壓發動機的能量來源。美國海軍與美國國防部高級研究計畫局在2002年委託波音公司研發圓形截面的Hyfly高超音速飛行器,以在未來容納到戰艦的垂直發射器中。

Hyfly採用Aerojet公司發展的 “雙燃衝壓”發動機:它具有兩個進氣系統與燃燒室,高密度的JP-10燃油先注入亞音速氣流中點燃,將燃料打散成分子更小的油氣再注入超音速燃燒室。雖然2005年成功從地面發射一具50%縮比飛行器達到5.5馬赫的極速,但全尺寸版本兩次由F-15發射都沒有成功。


X-51採用方形截面,在高超音速有較高的升阻比可飛行更遠的距離。其油冷式超燃衝壓發動機省略了二次燃燒,並可延長燃燒室的作用時間

美國空軍的X-51“乘波者”計畫則是採用普惠與Rocketdyne聯合發展的X-1油冷式超燃衝壓發動機,其特點是JP-7燃油在注入燃燒室前會先繞經燃燒室周圍管路,除了利用管壁溫度裂解為較小分子外,還可冷卻燃燒室溫度,使燃燒室只需用高溫合金製造,而不像Hyfly得用昂貴的陶瓷。X-51也是由波音公司打造,在2010年首次試射就維持了200秒的超燃衝壓飛行,極速達到5馬赫。


美國HyFly風洞模型(左)與我國超燃衝壓試飛平臺(右)的進氣孔極為相似,後者可能採用類似的超燃衝壓設計

而此次國防科技大學空天科學學院展示的超燃衝壓試飛平臺外型類似Hyfly,同采圓形截面與彈鼻進氣,可能是為了便於容納進艦上發射管。另外,網路也曾出現 “軸對稱徑向佈局雙模組發動機”的概念圖,可能也用在這款飛行器上,整體概念與Hyfly計畫相同。

根據現場海報,2015年12月首次進行了飛行試驗,使中國成為世界上第二個以石化燃料進行超燃衝壓飛行的國家。


現場海報形容 “臨近空間高超聲速通用試飛平臺”是繼美澳HiFire計畫後的第二種低成本高超音速試飛平臺,但HiFire計畫其實只有HiFire 4高超音速滑翔器有成功,超燃衝壓的HiFIRE 7試射失敗

採用 “助升-滑翔”的高超音速滑翔器僅需考慮高超音速的耐熱與複雜的氣動控制問題,而 “超燃衝壓”飛行還需多突破超音速吸氣推進的難關,因此難度更高,俄羅斯與印度在發展完“布拉莫斯”衝壓動力導彈後也積極想研發出超燃衝壓版本,但至今沒有具體成果。美國國防業界人士曾形容中國對高超音速科技的投入已超越了美國,目前的確在 “助升-滑翔”與 “超燃衝壓”這兩個領域看到了顯著的成效。

由於油冷式有溫度較低的特點,減輕了材料的負擔,目前是各國研究超燃衝壓發動機的主流。根據中國科學報在2017年的報導,超燃衝壓的專案組提出了主動冷卻的雙壓裂解新概念,克服了國外流行的超臨界主動冷卻方法的缺點,顯示目前展出的飛行器可能只是過度版本,還有油冷式超燃衝壓發動機在發展中,並成為真正武器化的項目。


俄羅斯的GLL-AP-02超燃衝壓飛行器(上)曾規劃在2019年進行首飛,而印度的Brahmos二代(下)則規劃在2023年測試,但目前都沒有進一步消息

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