我國在高超音速領域的基礎配套建設

　　

　　日前，中國航天科技集團公司五院總環(huán)部在空間環(huán)境模擬容器內真空冷黑環(huán)境下，利用自研超高溫模擬系統(tǒng)成功將試驗件加熱至1850℃，實現(xiàn)了航天器真空熱試驗超高溫模擬技術方面的重大突破。這一試驗技術的突破，將開拓高超音速飛行器地面高溫高熱流模擬試驗的技術途徑，為高超音速飛行器的研制試驗提供技術支持。特別是隨著我國在深空探測、高超聲速飛行器等領域的快速發(fā)展，對飛行器及其部件需要結合太空環(huán)境或高空低氣壓環(huán)境進行的超高溫地面考核試驗有著明確的需求。

　　

　　當然在超音速飛行器領域，除了超高溫模擬系統(tǒng)，另一更為“底層”基礎的地面模擬系統(tǒng)就是風洞。在這方面，通過2012年6月《科技日報》的一篇報道我們可以管窺一斑。該報在報道我國錢學森工程科學實驗基地時稱，我國在北京市懷柔區(qū)建設了復現(xiàn)2540千米高空的高超音速飛行條件的大型風洞。世界同類型中的最大風洞，可以模擬5馬赫至9馬赫之間的飛行條件，溫度可達3 000℃左右。高超音速發(fā)動機需要的實驗時間至少需要60-70毫秒，該風洞已經能做到100毫秒，而國外的相關風洞大約只有30毫秒。該風洞噴管直徑和實驗艙直徑都明顯優(yōu)于國外同類風洞。此外，該實驗基地還建有高超實驗室、超燃實驗室、燃燒實驗室、等離子實驗室等。這些與高超音速飛行器領域配套的基礎設施的建設，表明著我國早已緊盯高精尖技術前沿，致力于高超音速飛行器的研究。那么，近年來在此領域以WU-14、“神龍”為代表的高超音速的試射實屬自然。

　　

　　X-43的高溫風洞測試

　　

　　熱防護技術及材料選是高超音速飛行的基礎

　　

　　當飛行器以高超音速在大氣中飛行時，氣動加熱嚴重。當飛行速度達到8馬赫時，飛行器的頭錐部位溫度可達1800℃，其它部位的溫度也將在600℃以上。因此設計合適的熱載荷管理系統(tǒng)成為必須。此前的太空“穿梭”航天器，航天飛機的熱效應主要是集中在升空和再入階段，時間相對有限，在熱防護上是以隔離為主，機體材料可選余地較大。但高超音速飛行器在大氣層內長時間飛行，摩擦熱集中在機體的前端和翼面前緣，氣動加熱持續(xù)時間遠比航天器要長，若沒有有效的溫度控制手段將無法保證結構安全，也無法保證機體內部設備的工作環(huán)境。對于熱防護首先就是材料的選擇，選用長壽命、耐高溫、抗腐蝕、高強度、低密度的輕質材料。目前研制的和可能采用的新材料主要有輕金屬材料、金屬基復合材料、聚合物基復合材料、陶瓷基復合材料、碳-碳復合材料等。

　　

　　只不過高超音速飛行器，與空氣的摩擦熱量實在是太大，對飛行器的材料與結構的選擇實在是巨大難題。機體材料很可能因溫度的飆升發(fā)生著膨脹形變，加之機體內不同材料的膨脹系數(shù)不同，形變程度又有著差別。這細微的形變隨之可能引發(fā)高速飛行的飛行器的氣動控制的改變、機體的振動乃至解體。目前在美國多數(shù)高超音速飛行器的頭部多采用鎢基材料，但這種較高價值的金屬材料，隨之引發(fā)的就是成本的居高不下，對于未來的武器化、大范圍的裝備又會是不小的障礙。對于層出不窮的復合材料，在新材料的設計與加工都還有這加工難度的問題，就像在美國“獵鷹”的試驗計劃中多次推遲的原因就有碳基殼體材料出現(xiàn)了剝離問題，研制人員不得不改進工藝來使材料更易制造和性能穩(wěn)定。

　　

　　在基礎材料之外，高超音速飛行器還必須在飛行器的總體設計和結構設計中考慮熱防護因素，采用主動降溫技術措施。比如，在X-51A上，不僅有著結構熱防護措施，又將燃料作為結構散熱的載體，在熱交換器內流動后帶走發(fā)動機的熱量承擔發(fā)動機散熱的作用。在高溫段吸熱后的燃料裂解成低分子產物，循環(huán)到超燃沖壓發(fā)動機動力系統(tǒng)后更適合工作要求。消耗，利用燃料循環(huán)系統(tǒng)作為外殼持續(xù)降溫的手段。正是隔熱層、耐熱結構材料，降低熱流，減少熱應力、熱傳送和熱冷卻等多項措施的全面綜合采用，才有熱防護問題的解決可能，才有飛行器向高超音速的沖刺。

　　

　　音速飛行器的頭錐部位升溫明顯

　　

　　高超音速飛行器的氣動摩擦升溫

　　

　　高超音速飛行器的摩擦熱是防御方的克敵之法

　　

　　高超音速飛行器的摩擦熱，于“進攻方”而言的熱防護問題外，但對于“防御方”而言這卻是可以加以利用的軟肋。高超音速飛行器的武器化，將使得傳統(tǒng)的地面防空雷達和預警機的探測預警時間極大的被壓縮，從對普通高空飛機的約半小時壓縮到不超過1分鐘。傳統(tǒng)的防空預警網絡在高超音速武器面前基本屬于形同虛設。高超音速飛行器的紅外信號特征卻是在隨著速度的增高顯著增加，這就將會過早的暴露其飛行航跡。2~3馬赫的超音速飛行器的雷達散射截面就通常為亞音速方案的10倍以上，在3-5微米的短波長紅外區(qū)內，其紅外信號特征通常為亞音速方案的20-50倍。那么紅外預警這一在彈道防御系統(tǒng)中已經實用化的預警手段，是可以輕易發(fā)現(xiàn)高超音速飛行器的。

　　

　　對于高超聲速飛行器而言，由于在高層大氣中飛行時，與空氣劇烈摩擦，會產生大量的熱量，導致機體溫度急劇升高，當速度超過10馬赫時，表面最高溫度可達2 400℃以上，整個高超聲速飛行器都將處于紅熱狀態(tài)下，會釋放出劇烈的近紅外輻射，這使得高超聲速飛行器極易被紅外傳感器發(fā)現(xiàn)。以美國目前用于彈道防御的紅外預警衛(wèi)星為例，采用了快速掃描+凝視確認的工作原理。平時值守用線型紅外傳感器進行大面積掃描，以取得較高的普查速度，而發(fā)現(xiàn)有異常信號時，則調用凝視型熱成像儀進行精確分辨，這不但可以發(fā)現(xiàn)彈道發(fā)射，也能發(fā)現(xiàn)高超聲速飛行器。

　　

　　只不過，較于彈道的發(fā)射，高超聲速飛行器的紅外信號發(fā)射波段較窄，信號相對較弱，必須進一步改善和提高紅外預警衛(wèi)星的探測能力才能做到更好的預警。同時，為提高探測準確率減少虛警，可在紅外預警衛(wèi)星上增加紫外探測器。這是因為高超聲速飛行器的巡航溫度足以產生穩(wěn)定的紫外輻射，即使經過大氣臭氧層的吸收衰減，仍是可以探測的，這樣可以更加有效的對高超聲速飛行器進行預警。只不過紅外預警衛(wèi)星也有其不足之處，就是無法提供目標的三維坐標，仍需其他探測手段進行跟蹤測量，才能對目標進行精確定位，才能保證快速反應能力，贏得必要的防御作戰(zhàn)反應時間。(作者署名：鼎盛 攔阻著艦)

　　

　　美國《華盛頓自由燈塔報》1月13日報道，美國國防部表示，中國軍方在上周完成了針對突破美國彈道防御系統(tǒng)的首次超高速彈頭載具測試。此次測試的時間為1月9日，使用的是被美國軍方代號為WU-14的高超音速滑翔載具。

　　

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