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高超音速武器W-14、HTV-2可全球打击

发布时间2015-11-01 21:55:28  原作者:   点击数:
   美《华盛顿自由灯塔报》报道,中国军方完成了一次高超音速飞行器测试,飞行速度达到了10马赫,代号为WU-14,该平台是一种高超音速滑翔载具,研制目的在于突破美军导弹防御系统,这是继中国军方试射新型洲际导弹后,又一款令人瞩目的战略级武器。

WU-14的最大飞行速度可达10马赫

中国高超音速飞行器的研制一直处于严格保密状态,现在披露的“WU-14高超音速滑翔载具”也是由美国国防部暂时命名的,从公开的信息可以看出,WU-14由弹道导弹助推发射,再入大气层后为无动力滑翔飞行,飞行速度可达到10马赫,这一飞行方式与美国国防部高级研究计划局、美国空军联合执行的FALCON(“从美国本土运送和应用兵力”的缩写)计划下的子项目有些相似,后者的技术特点也是由火箭助推后进入亚轨道以上的空间,再入大气层后以超高音速的飞行速度穿过大气层。

高超音速助推滑翔武器:实现全球快速打击

FALCON计划包含三种高超音速飞行器

美国国防部和空军的FALCON计划的目的在于从美国本土实施载荷投送,可打击数千公里外的目标,也就是说可以从美国本土打击世界上任何一个目标,并且具备快速响应的能力,美国防部于2003年公开了该计划中,有关高超音速飞行器发展的规划描述。

按照原先FALCON计划的设想,要研制三种不同用途的飞行器,第一种是低成本的小型运载火箭,其突出的亮点在于可以在24小时内响应,发射成本低;第二种为可通过火箭平台或者天基平台投放的通用飞行器,其作战特点在于可从亚轨道空间再入大气层,进行无动力的滑翔飞行;第三种是更加高端的可重复使用高超音速飞行器,可从普通的机场跑道上起飞,在1至2个小时内打击一万公里以外的目标。

利用火箭投放高速飞行器易实现

从FALCON计划可以看出,美军不仅要在快速响应发射上确保其太空力量的优势,还要在快速打击领域取得较大进展。其中要实现从美本土对全球目标发动打击,利用的就是配备吸气式高超音速发动机的单级(或两级)入轨打击平台,采用滑翔弹道攻击位于数千公里外的目标。上述两种技术中,单级(或两级)入轨打击平台涉及的技术难点较多,高超音速吸气式发动机目前还处于研制阶段。

利用运载火箭或者天基平台,投放通用飞行器的难度则相对小一些。飞行器采用高升阻比的气动外形,在大气层上方进行机动滑翔具有较大优势,甚至能在规避敌方反导系统拦截后,对位于敌方纵深的战略目标实施打击。

高超音速助推滑翔武器:实现全球快速打击

HTV-2的最大再入速度可达20马赫

通用飞行器项目到2005至2006年间演变为“高超音速技术飞行器”(HTV)项目,衍生出三种不同的飞行器,HTV-1和HTV-2主要测试在不同马赫数的飞行状态,HTV-1主要侧重10马赫的飞行技术要求,HTV-2则主要测试马赫数大于20的技术要求。HTV-3与可重复使用的高超音速飞行器有些相似,主要用于测试高升阻比的气动外形,耐高温材料以及最为关键的组合循环动力。这三个项目到现在只剩下HTV-2仍在研发,其他两种型号已被撤销。

HTV-3的设计过于前卫,且采用了复杂的吸气式高超音速发动机,巡航速度可保持在6马赫。相比之下,HTV-2的发展难度较低,具备进一步发展的潜力,美国国防部已将其列为远程打击投送飞行器的主导项目。具体的投送方式是先使用牛头怪4型运载火箭,将HTV-2推入亚轨道空间之上后分离,HTV-2再入大气层。据美方设想,HTV-2的再入速度可达到20马赫。

HTV-2飞行器两次测试均以失败告终

中国WU-14的设计思路与美国HTV-2相似,也采用弹道导弹平台发射。牛头怪4型运载火箭是基于LGM-118“和平卫士”洲际弹道导弹改进而来。其主要用于发射小型军用载荷,例如美军天基监视系统卫星,近地轨道运载能力在1吨左右,用于投送HTV-2绰绰有余。

根据测试方案,HTV-2从位于美国西海岸的范登堡空军基地发射升空,飞行路线可跨过太平洋,溅落在西太平洋的夸贾林环礁附近,全程大约7500公里,滑翔弹道飞行距离在5000公里以上。美国防部高级研究计划局于2011年进行了第二次HTV-2的飞行测试,此前一次测试是在2010年4月,这两次试均以失败告终。第二次测试在开始时非常顺利,HTV-2与牛头怪4型运载火箭分离后再入大气层,并进入滑翔段,但随后HTV-2的遥测信号突然消失,无法继续跟踪。

高超音速助推滑翔武器:实现全球快速打击

WU-14抛物线顶点低 更侧重于助推滑翔

根据HTV-2的测试,可推测出WU-14的一些基本试验情况,后者也是利用大气层内滑翔弹道完成数千公里的飞行。WU-14利用弹道导弹平台发射后,加速抵达高度100公里以上的近地轨道。接下来,WU-14在与助推段分离后,进入姿态调整阶段,准备再入大气层。通过飞行器的气动控制面引导WU-14进入滑翔弹道,在此过程中,其必须拉起,提升飞行高度,并且控制再入速度和高度,最后进入滑翔段进行机动飞行。

此类飞行器的飞行轨迹有别于传统的弹道导弹。弹道导弹的抛物线顶点非常高,而HTV-2和WU-14这样的飞行器更侧重于助推滑翔,可最大限度地使用亚轨道空间,在定位上可划分为高超音速机动滑翔飞行器。同样打击一万公里外的目标,弹道导弹的抛物线顶点在1000公里以上,而高超音速机动滑翔飞行器为100至150公里,因此此类飞行器的气动设计有别于弹道导弹弹头和传统的大气层内飞行器。

HTV-2的飞行速度大于WU-14 飞行环境更复杂

事实上,WU-14高超音速飞行器主要涉及到气动、隔热技术以及控制制导等方面的技术。其中,气动布局的关键难点就在于高升阻比控制技术,WU-14在快速滑翔飞行时,还要具有大范围的横向机动能力。当速度达到10倍音速以上时,飞行器周围的流场就会变得非常复杂,强激波形成后还伴随着大波阻。

HTV-2的飞行速度可以达到20马赫左右,而WU-14目前进行的测试速度为10马赫,两种飞行器在速度上的差异会导致不一样的性能要求。HTV-2的20马赫飞行环境显然要复杂于WU-14的10马赫,但不排除WU-14后续会进行更高马赫数的测试。

高超音速助推滑翔武器:实现全球快速打击

HTV-2号称可在1300秒内飞行6000公里

高超音速机动滑翔飞行器的气动布局具有乘波体的特点。从HTV-2的设想图不难看出,其外形升阻比较大,前缘位置细尖,后缘有襟翼和控制机构。机体长度大约为3.6米,质量约1吨。美国防部对HTV-2的设计要求是,最大飞行速度可达20马赫,打击范围可以超过一万公里。按此速度飞行,HTV-2飞完6000公里路程的所需时间约为1300秒。虽然HTV-2号称能进行20马赫的飞行,但能在如此高的飞行速度下的气动控制技术仍然处于探索阶段。

高超音速飞行还涉及控制制导技术。尽管HTV-2在第二次测试中就出现过通信问题,但也验证了在17马赫速度飞行时,全球定位系统仍可保持正常工作,并且飞行器仍可进行双向数据通信。在长达3分钟的20马赫高超音速飞行过程中,HTV-2的热防护性能上表现可圈可点,这也是WU-14所需要面对的一大关键性问题。

飞行器20马赫飞行时温度可达2000摄氏度

高超音速飞行器的热防护性能,主要体现在其碳/碳隔热外壳和耐高温复合材料方面。高超音速飞行时,飞行器表面温度可达到1900至2000摄氏度左右,这就需要通过多层隔热材料达到有效降低温度的目的。装配这些耐热材料,需要相当高的加工技术。

美国防部在HTV-2的两次测试中,获得了500秒以上的热防护与气动加热数据,美国国家航空航天局曾经对HTV-2进行了前缘截面的等离子体射流测试。目前在20马赫的飞行环境下,HTV-2在某些方面的性能和可靠性仍然存在空白,在极端环境下热防护系统能否发挥出作用也存在质疑。

高超音速助推滑翔武器:实现全球快速打击

中国发展WU-14需进行地面耐高温测试

从HTV-2两次的飞行测试中可以看出,美国的碳/碳隔热材料的工艺并没有出现重大问题,这主要得益于地面上进行了耐高温测试。这一点对中国发展WU-14而言,也是至关重要的。另外在高超音速飞行过程中,飞行器的外壳可能出现裂缝,进而形成强激波,严重时完全可以导致飞行器坠毁。
实现高超音速飞行的途径较多,HTV-2和WU-14选择的高超音速机动滑翔这条路面临的技术难度相对会小一些,至少不需要涉及动力系统。相比较另一种高超音速飞行器X-51A而言,HTV-2不存在动力上的问题,但是X-51A这样的高超音速飞行器验证的技术是未来高超音速飞行器所必备的。目前这一领域的主要动力模式为超燃冲压和组合循环,在美国防部和空军主导的项目中,这两种发动机已经进行了相关研究,形成可进行跨大气层飞行的组合循环动力系统,21世纪将是高超音速打击的时代,最终目标是实现水平起降的空天飞机,配合滑翔弹道的高超音速打击武器,可从普通的机场起飞,1小时内打击地球上任一一处目标或者摧毁任何一个轨道目标。

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