我國(guó)在高超音速領(lǐng)域的基礎(chǔ)配套建設(shè)

　　

　　日前，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院總環(huán)部在空間環(huán)境模擬容器內(nèi)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(yàn)件加熱至1850℃，實(shí)現(xiàn)了航天器真空熱試驗(yàn)超高溫模擬技術(shù)方面的重大突破。這一試驗(yàn)技術(shù)的突破，將開拓高超音速飛行器地面高溫高熱流模擬試驗(yàn)的技術(shù)途徑，為高超音速飛行器的研制試驗(yàn)提供技術(shù)支持。特別是隨著我國(guó)在深空探測(cè)、高超聲速飛行器等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)飛行器及其部件需要結(jié)合太空環(huán)境或高空低氣壓環(huán)境進(jìn)行的超高溫地面考核試驗(yàn)有著明確的需求。

　　

　　當(dāng)然在超音速飛行器領(lǐng)域，除了超高溫模擬系統(tǒng)，另一更為“底層”基礎(chǔ)的地面模擬系統(tǒng)就是風(fēng)洞。在這方面，通過2012年6月《科技日?qǐng)?bào)》的一篇報(bào)道我們可以管窺一斑。該報(bào)在報(bào)道我國(guó)錢學(xué)森工程科學(xué)實(shí)驗(yàn)基地時(shí)稱，我國(guó)在北京市懷柔區(qū)建設(shè)了復(fù)現(xiàn)2540千米高空的高超音速飛行條件的大型風(fēng)洞。世界同類型中的最大風(fēng)洞，可以模擬5馬赫至9馬赫之間的飛行條件，溫度可達(dá)3 000℃左右。高超音速發(fā)動(dòng)機(jī)需要的實(shí)驗(yàn)時(shí)間至少需要60-70毫秒，該風(fēng)洞已經(jīng)能做到100毫秒，而國(guó)外的相關(guān)風(fēng)洞大約只有30毫秒。該風(fēng)洞噴管直徑和實(shí)驗(yàn)艙直徑都明顯優(yōu)于國(guó)外同類風(fēng)洞。此外，該實(shí)驗(yàn)基地還建有高超實(shí)驗(yàn)室、超燃實(shí)驗(yàn)室、燃燒實(shí)驗(yàn)室、等離子實(shí)驗(yàn)室等。這些與高超音速飛行器領(lǐng)域配套的基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，表明著我國(guó)早已緊盯高精尖技術(shù)前沿，致力于高超音速飛行器的研究。那么，近年來在此領(lǐng)域以WU-14、“神龍”為代表的高超音速的試射實(shí)屬自然。

　　

　　X-43的高溫風(fēng)洞測(cè)試

　　

　　熱防護(hù)技術(shù)及材料選是高超音速飛行的基礎(chǔ)

　　

　　當(dāng)飛行器以高超音速在大氣中飛行時(shí)，氣動(dòng)加熱嚴(yán)重。當(dāng)飛行速度達(dá)到8馬赫時(shí)，飛行器的頭錐部位溫度可達(dá)1800℃，其它部位的溫度也將在600℃以上。因此設(shè)計(jì)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(jī)的熱效應(yīng)主要是集中在升空和再入階段，時(shí)間相對(duì)有限，在熱防護(hù)上是以隔離為主，機(jī)體材料可選余地較大。但高超音速飛行器在大氣層內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間飛行，摩擦熱集中在機(jī)體的前端和翼面前緣，氣動(dòng)加熱持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)比航天器要長(zhǎng)，若沒有有效的溫度控制手段將無法保證結(jié)構(gòu)安全，也無法保證機(jī)體內(nèi)部設(shè)備的工作環(huán)境。對(duì)于熱防護(hù)首先就是材料的選擇，選用長(zhǎng)壽命、耐高溫、抗腐蝕、高強(qiáng)度、低密度的輕質(zhì)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(fù)合材料、聚合物基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳-碳復(fù)合材料等。

　　

　　只不過高超音速飛行器，與空氣的摩擦熱量實(shí)在是太大，對(duì)飛行器的材料與結(jié)構(gòu)的選擇實(shí)在是巨大難題。機(jī)體材料很可能因溫度的飆升發(fā)生著膨脹形變，加之機(jī)體內(nèi)不同材料的膨脹系數(shù)不同，形變程度又有著差別。這細(xì)微的形變隨之可能引發(fā)高速飛行的飛行器的氣動(dòng)控制的改變、機(jī)體的振動(dòng)乃至解體。目前在美國(guó)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(jià)值的金屬材料，隨之引發(fā)的就是成本的居高不下，對(duì)于未來的武器化、大范圍的裝備又會(huì)是不小的障礙。對(duì)于層出不窮的復(fù)合材料，在新材料的設(shè)計(jì)與加工都還有這加工難度的問題，就像在美國(guó)“獵鷹”的試驗(yàn)計(jì)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(jìn)工藝來使材料更易制造和性能穩(wěn)定。

　　

　　在基礎(chǔ)材料之外，高超音速飛行器還必須在飛行器的總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮熱防護(hù)因素，采用主動(dòng)降溫技術(shù)措施。比如，在X-51A上，不僅有著結(jié)構(gòu)熱防護(hù)措施，又將燃料作為結(jié)構(gòu)散熱的載體，在熱交換器內(nèi)流動(dòng)后帶走發(fā)動(dòng)機(jī)的熱量承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱的作用。在高溫段吸熱后的燃料裂解成低分子產(chǎn)物，循環(huán)到超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)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(jié)構(gòu)材料，降低熱流，減少熱應(yīng)力、熱傳送和熱冷卻等多項(xiàng)措施的全面綜合采用，才有熱防護(hù)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(dòng)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(jìn)攻方”而言的熱防護(hù)問題外，但對(duì)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(dá)和預(yù)警機(jī)的探測(cè)預(yù)警時(shí)間極大的被壓縮，從對(duì)普通高空飛機(jī)的約半小時(shí)壓縮到不超過1分鐘。傳統(tǒng)的防空預(yù)警網(wǎng)絡(luò)在高超音速武器面前基本屬于形同虛設(shè)。高超音速飛行器的紅外信號(hào)特征卻是在隨著速度的增高顯著增加，這就將會(huì)過早的暴露其飛行航跡。2~3馬赫的超音速飛行器的雷達(dá)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(zhǎng)紅外區(qū)內(nèi)，其紅外信號(hào)特征通常為亞音速方案的20-50倍。那么紅外預(yù)警這一在彈道防御系統(tǒng)中已經(jīng)實(shí)用化的預(yù)警手段，是可以輕易發(fā)現(xiàn)高超音速飛行器的。

　　

　　對(duì)于高超聲速飛行器而言，由于在高層大氣中飛行時(shí)，與空氣劇烈摩擦，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致機(jī)體溫度急劇升高，當(dāng)速度超過10馬赫時(shí)，表面最高溫度可達(dá)2 400℃以上，整個(gè)高超聲速飛行器都將處于紅熱狀態(tài)下，會(huì)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(guó)目前用于彈道防御的紅外預(yù)警衛(wèi)星為例，采用了快速掃描+凝視確認(rèn)的工作原理。平時(shí)值守用線型紅外傳感器進(jìn)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(hào)時(shí)，則調(diào)用凝視型熱成像儀進(jìn)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(hào)發(fā)射波段較窄，信號(hào)相對(duì)較弱，必須進(jìn)一步改善和提高紅外預(yù)警衛(wèi)星的探測(cè)能力才能做到更好的預(yù)警。同時(shí)，為提高探測(cè)準(zhǔn)確率減少虛警，可在紅外預(yù)警衛(wèi)星上增加紫外探測(cè)器。這是因?yàn)楦叱曀亠w行器的巡航溫度足以產(chǎn)生穩(wěn)定的紫外輻射，即使經(jīng)過大氣臭氧層的吸收衰減，仍是可以探測(cè)的，這樣可以更加有效的對(duì)高超聲速飛行器進(jìn)行預(yù)警。只不過紅外預(yù)警衛(wèi)星也有其不足之處，就是無法提供目標(biāo)的三維坐標(biāo)，仍需其他探測(cè)手段進(jìn)行跟蹤測(cè)量，才能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確定位，才能保證快速反應(yīng)能力，贏得必要的防御作戰(zhàn)反應(yīng)時(shí)間。(作者署名：鼎盛 攔阻著艦)

　　

　　美國(guó)《華盛頓自由燈塔報(bào)》1月13日?qǐng)?bào)道，美國(guó)國(guó)防部表示，中國(guó)軍方在上周完成了針對(duì)突破美國(guó)彈道防御系統(tǒng)的首次超高速彈頭載具測(cè)試。此次測(cè)試的時(shí)間為1月9日，使用的是被美國(guó)軍方代號(hào)為WU-14的高超音速滑翔載具。

　　

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