高超音速飛行器為何能飛這么快？

尹懷勤

2015年11月23日，我國(guó)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征二號(hào)丙運(yùn)載火箭成功發(fā)射并進(jìn)行了高超音速飛行器飛行試驗(yàn)。實(shí)際上，這是我國(guó)進(jìn)行的第6次高超音速飛行器試驗(yàn)，2014年進(jìn)行了3次，2015年又進(jìn)行了3次，所有試驗(yàn)均獲成功。試驗(yàn)的主角高超音速飛行器代號(hào)為DF-ZF（它曾被美國(guó)軍事情報(bào)部門稱為WU-14），其飛行速度為10倍音速，即10馬赫，也就是說(shuō)時(shí)速達(dá)到1.2萬(wàn)千米以上。正因其速度如此之快，它備受國(guó)際航天界的矚目。那么，高超音速飛行器是如何做到這一點(diǎn)的呢？

飛行三階段

我國(guó)試射的高超音速飛行器屬于臨近空間20～100千米飛行器的一種。其典型彈道可分為3個(gè)階段：第一階段是由火箭將其從地面發(fā)送到臨近空間，之后與火箭助推器分離，單獨(dú)飛行；第二階段載具再入大氣層后，依靠氣動(dòng)升力做無(wú)動(dòng)力遠(yuǎn)距離跳躍、滑翔機(jī)動(dòng)飛行，亦可加裝專用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)做有動(dòng)力機(jī)動(dòng)飛行；當(dāng)接近被打擊目標(biāo)上空時(shí)，進(jìn)入第三個(gè)階段，此時(shí)制導(dǎo)雷達(dá)開機(jī)瞄準(zhǔn)，直至高速俯沖擊中目標(biāo)。其高達(dá)10馬赫的飛行速度，使現(xiàn)有任何反導(dǎo)攔截系統(tǒng)都束手無(wú)策。高超音速系統(tǒng)能夠避免觸發(fā)對(duì)方預(yù)警系統(tǒng)或被雷達(dá)探測(cè)到，具有以前所未有的速度和精度對(duì)目標(biāo)實(shí)施打擊的能力。

錢學(xué)森彈道

著名科學(xué)家錢學(xué)森于20世紀(jì)40年代提出了一種新型導(dǎo)彈彈道的設(shè)想，即助推—滑翔彈道。這種彈道的特點(diǎn)是將彈道導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈的軌跡銜接在一起，使之既有彈道導(dǎo)彈的突防能力，又有巡航導(dǎo)彈的靈活性。如果在末段增加先進(jìn)的自動(dòng)導(dǎo)引技術(shù)，那么，就完全可以滿足對(duì)付航空母艦或其他大型海上目標(biāo)的技術(shù)要求，因而有可能成為未來(lái)攻擊海洋重型裝備編隊(duì)的一種比較理想的武器。

我國(guó)的東風(fēng)-21D（DF-21D）移動(dòng)車載陸基發(fā)射反艦導(dǎo)彈就是錢學(xué)森彈道應(yīng)用的實(shí)例。這種新型反艦導(dǎo)彈是在DF-21中程地地導(dǎo)彈基礎(chǔ)上研制的，由于導(dǎo)彈彈頭采用特殊的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和制導(dǎo)系統(tǒng)，故而導(dǎo)彈以彈道導(dǎo)彈軌跡飛行數(shù)千千米再入大氣層后，能在大氣內(nèi)進(jìn)行滑翔機(jī)動(dòng)并自主攻擊對(duì)方海上艦船。

據(jù)外媒分析，DF-ZF高超音速飛行器可能采用了外形是流線形的高升阻比的乘波體設(shè)計(jì)。乘波體飛行時(shí)其前緣平面與激波的上表面重合，就像騎在激波的波面上，依靠激波的壓力產(chǎn)生升力。如果把大氣層邊緣看作水面，乘波體飛行時(shí)就像是在水面上打水漂。

加裝發(fā)動(dòng)機(jī)

DF-ZF高超音速飛行器尾部若是加裝了專門研制的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，那么由于其推力和前進(jìn)方向均可調(diào)節(jié)和變化，故飛行器能夠進(jìn)行升降滑翔和橫向機(jī)動(dòng)飛行，甚至能做S形高速前沖運(yùn)動(dòng)，使對(duì)方的防御系統(tǒng)很難發(fā)現(xiàn)和攔截，從而最終摧毀要打擊的軍事目標(biāo)。

如果DF-ZF高超音速飛行器加裝了吸空氣式?jīng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)，亦能達(dá)到上述效果。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)通常由進(jìn)氣道、燃燒室、推進(jìn)噴管3部分組成。飛行器前進(jìn)時(shí)迎面氣流在通過(guò)進(jìn)氣道的過(guò)程中將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，?jīng)壓縮后的空氣進(jìn)入燃燒室與燃燒劑混合進(jìn)行等壓燃燒，生成的高溫燃?xì)庠趪姽苤信蛎浖铀俸笈懦?，產(chǎn)生推力。這種發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行速度大于3倍音速的條件下使用有較高的經(jīng)濟(jì)性。其噴出氣流的速度比進(jìn)口的空氣速度大得多，因而造成反作用推力，使得飛行器向前運(yùn)行。氣流噴出速度愈大，推力也就愈大，其速度能夠遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他吸空氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。

人們一般將速度達(dá)到6倍音速以上的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)稱為超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然澳大利亞和美國(guó)都利用無(wú)人飛行器進(jìn)行了以液氫為燃燒劑的7倍音速的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行試驗(yàn)，但由于其工作時(shí)間較短而并未達(dá)到實(shí)用要求。盡管某些巡航導(dǎo)彈，如印度和俄羅斯合作研制的布拉莫斯巡航導(dǎo)彈已采用沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置，但其速度還未達(dá)到3倍音速。

理論研究表明，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)最高速度可達(dá)23倍音速。這種技術(shù)難度較大的發(fā)動(dòng)機(jī)，雖然有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、成本低、推力大等優(yōu)點(diǎn)，但在靜止?fàn)顟B(tài)下不能自行啟動(dòng)，需要其他發(fā)動(dòng)機(jī)或者以其他方式將其加速到超音速時(shí)方可工作，如與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組合，與渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)或渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)組合等，這些都增加了它的重量，使得推重比、整體重量等不夠理想，且其低速性能不好。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)歷來(lái)以高空高速狀態(tài)下難以順利點(diǎn)火和燃燒的不穩(wěn)定性等問(wèn)題困擾著專家們，使其遲遲未能在航空器上得以采用。世界上一些國(guó)家早已在這方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，但迄今未能獲得比較滿意的成果，尤其是速度達(dá)10倍音速以上的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)尚未出現(xiàn)。由于DF-ZF高超音速飛行器本身已經(jīng)具有較高的飛行速度，故而在其再入大氣層后用不著其他助推器加速即可按照預(yù)定要求啟動(dòng)工作。

編輯/張懷宇