技术派|争先恐后:2018年度国外高超声速飞行器发展动向

天津相声广播主持人, 云南南伞, 北京大运村, 湘湖音乐喷泉

近日,俄罗斯总统普京在国情咨文中公布了多型高超声速武器的研制进展,有一些型号已经开始或即将开始战斗值班,引发了外界对高超声速武器的新一轮讨论。

2018年,国外高超声速飞行器发展呈现出“加速转化”和“加速分化”的总体态势。一方面,高超声速导弹加速从预研向型号转化;另一方面,各个国家的发展程度和高超三大分支方向的发展力度出现分化。

在高超声速导弹方向,全球首型高超声速导弹“匕首”进入战斗值班,美俄同步启动了多型高超声速助推滑翔导弹的型号研制,加速形成导弹装备;同时各国进展程度和技术水平加速分化,美俄已经进入型号研制阶段,导弹射程可达上万千米,而日法等国才刚开始启动技术研究,已落后10年以上,且射程仅数百千米,而前几年声势不小的印度在2018年甚至没有任何公开进展。

在高超声速飞机方向,总体呈现出加速发展的趋势,继美国洛·马公司之后,波音公司连续公布军用和民用高超声速飞机概念方案及研制计划,美国国防高级研究计划局(DARPA)高超声速飞机用TBCC发动机地面验证取得重要进展,坚定不移推动基于TBCC动力的高超声速飞机技术发展;欧洲等国持续推进民用高超飞机技术发展。在可重复使用航天运载飞行器方向,或许是受到了民营商用航天,特别是可重复使用运载火箭迅猛发展的影响,该方向发展力度有所减弱,美俄仍在继续推动基于纯火箭动力的可重复使用航天运载飞行器技术研发和验证,而在基于吸气式动力、水平起降的技术路线则进展寥寥,鲜见报道。

美国:积极研制,争取2020年前后形成战斗力

1.基于两套助推滑翔方案,快速系统推进高超声速导弹演示验证和型号研制

2018年,根据多份政府报告、项目合同、权威媒体报道等信息,美军高超声速导弹发展思路已基本明确:一是基于圆锥体构型滑翔飞行器方案,开展三型导弹的型号研制。2018年,在美国防部的统筹部署下,美陆海空三军达成合作协议,以“先进高超声速武器”(AHW)项目验证的圆锥体构型高超声速滑翔飞行器方案为基础,依托“远程高超声速武器”(LRHW)项目、“常规快速打击”(CPS)项目和“高超声速常规打击武器”(HCSW)项目,分别开展陆射型、潜射型和空射型高超声速助推滑翔导弹的型号研制,并计划在2022年前形成早期作战能力。二是基于楔形构型滑翔飞行器方案,开展三型导弹的演示验证或型号研制。以原“高超声速技术验证飞行器-2”(HTV-2)项目研发的楔形构型高超声速滑翔飞行器方案为基础,美军依托“战术助推滑翔”(TBG)、“空射快速响应武器”(ARRW)和“作战火力”(OpFires)等项目,正在分别开展空射/舰射型助推滑翔导弹演示验证、空射型助推滑翔导弹型号研制以及陆射型助推滑翔导弹演示验证,并计划在2019-2020年前后完成飞行试验和形成早期作战能力。此外,美国国防高级研究计划局(DARPA)仍依托“高超声速吸气式武器概念”(HAWC)项目继续推动空射型和舰射型高超声速巡航导弹技术验证,但投资强度大幅下降。

AHW项目圆锥体滑翔弹头和HTV-2项目楔形滑翔弹头的想象图(美国桑迪亚国家实验室和DARPA图片)

2.聚焦马赫数5级高超声速飞机,公布军/民用飞机概念方案并稳步推动技术攻关

2018年1月和6月,在DARPA和美空军研究实验室的部分资助下,美国波音公司连续公布了马赫数5级的军用和民用高超声速飞机概念方案。两个方案均采用涡轮基冲压组合发动机(TBCC)作为动力。以此为牵引,波音公司正在开展一型高超声速飞机验证机的研究工作,该验证机可用来验证军用和民用高超声速飞机相关的机体、系统和推进等关键技术,如经费支持充分,预计最早可在2023或2024年实现首飞,军机可在2030年前形成装备,民机可在2030年代末投入运营。与此同时,瞄准完成高超声速飞机用TBCC发动机地面集成验证的DARPA“先进全状态发动机”(AFRE)项目在2018年大幅增加了项目经费,总预算由最初0.65亿美元增加到1.02亿美元以上。在AFRE项目的主要资助下,美国洛克达因公司成功完成了一型新型亚燃/超燃双模态冲压发动机的自由射流试验,为后续开展TBCC地面集成验证奠定了基础。

波音公司公布的马赫数5级高超声速军用(左)和民用(右)飞机概念方案(波音公司图片)

3.瞄准纯火箭动力的可重复使用航天运载飞行器,完成了火箭发动机热试车

在美国政府投资最大的可重复使用航天运载飞行器在研项目——DARPA“实验性太空飞机”(XSP)项目的支持下,波音公司“鬼怪快车”团队在2018年完成了大型氢氧发动机AR-22的热试车考核试验(10天内10次点火试车),并开始启动大型低温油箱等大部件的制造工作,预计该飞行器将在2021年开始进行飞行试验,比最初计划的2020年有所推迟。

波音公司“鬼怪快车”概念方案(垂直起飞、水平降落)想象图(波音公司图片)

4.围绕高超声速飞行试验能力建设,军地联合推动高超声速飞行试验平台研发工作

2018年10月,美空军宣布将编号X-60A授予美国时代轨道发射服务公司“GO发射者一号”(GO1)高超声速飞行试验平台,并明确X-60A将用于低成本、大规模地开展超燃冲压发动机、高温材料和自主控制等一系列高超声速技术的飞行试验,推动美军现有高超声速武器快速原型化和未来高超声速飞机、可重复使用航天运载飞行器的发展。X-60A可提供高度15.4~37千米、马赫数3-8、最大动压1.4个大气压范围内的真实飞行环境,已于2018年完成发动机全尺寸样机的首次热试车,计划在2019年完成首次飞行试验。此外,美国平流层发射系统公司在9月份也公布了两型高超声速飞行试验平台的概念方案与研制计划,并明确将用于支撑军方和政府各类高超声速技术科研项目。

美空军2018年10月在官方网站公布的X-60A构想图(美空军图片)

俄罗斯:先声夺人,一些型号开始战斗值班

1.突袭式公布两型涉核的高超声速导弹装备,稳步推进舰载高超声速反舰导弹

2018年3月1日,俄罗斯总统普京在年度国情咨文中首次公开披露了“匕首”空射型高超声速导弹系统和“先锋”井射型高超声速导弹系统,前者采用米格-31K作为专用载机,最大速度马赫数10,最大射程达2000千米,已于2017年底开始战斗值班;后者最大速度超过马赫数20,射程推测可达10000千米以上,计划2019年进入战斗值班。两者均可携带核或常规战斗部。与此同时,俄军继续同步推进“锆石”舰射型高超声速反舰导弹的研制工作,于2018年底完成了最新一次飞行试验,试验中最大飞行速度再次达到了马赫数8。该弹计划2022年完成列装。2019年2月,普京在年度国庆咨文中披露该弹最大飞行速度达马赫数9,射程达1000千米,并确认正按计划如期推进。

“匕首”空射型高超声速导弹系统实景图和“先锋”导弹高超声速滑翔弹头外形示意图(俄罗斯国家电视台视频截图)

2.继续开展马赫数4级米格-41飞机技术研究,持续推动项目立项

俄罗斯米高扬飞机设计局早在2016年就披露,正在开展米格-41(最大飞行速度可达马赫数4.1~4.3)的设计工作,并期望在2025年前进入大批量生产。2018年,米高扬领导层透露,米格-41项目正在努力争取列入俄罗斯《2018-2027年国家武器装备计划》,从而实现国家立项。截止目前,未见公开报道披露米格-41是否实现立项。

3.瞄准火箭动力的可重复使用航天运载飞行器,开展样机研制

2019年2月,俄媒透露,俄罗斯科学院管理的“国际科学光学检测网”(ISON)机构研制一型采用单台火箭发动机的可重复使用航天运载飞行器。俄航天局对该机表达了兴趣,并且据称投入科研经费。据ISON总经理宣称,该机采用现役的火箭发动机(即“安加拉”号运载火箭上面级采用的14D30发动机),无人驾驶,由母机从空中投放后点火爬升、加速,可在160千米高空达到马赫数7,可将载荷发射至500千米的地球轨道,发射完载荷后利用降落伞辅助完成水平着陆,每架飞行器可重复飞行50架次。该机目前尚处于技术发展研究阶段,该阶段获得了84万美元的启动投资,预计第二阶段需要430万美元经费,预计2023年开始可进行相关飞行试验。

ISON设计的可重复使用航天运载飞行器概念图(俄罗斯新闻社图片)

欧日等国家:不甘人后,启动相关技术研制

1.瞄准高超声速导弹应用,法日等分别启动和加速相关技术研究与飞行验证

2019年1月,法国防长宣布,将在2021年进行一型高超声速滑翔飞行器验证机的飞行试验。该项目编号为V-max(意为“实验性机动飞行器”),主管部门是法国国防采办局,总承包商是欧洲阿里安集团。项目目标是评价鉴定滑翔飞行器概念的潜在优势和局限,开展相关关键技术研究,如探索适合的结构材料、分析研究该滑翔飞行器所能携带的战斗部重量等。

2018年,日本加大了高超声速助推滑翔导弹技术研究力度,在2018财年已获批0.4亿美元预算的基础上,在2019财年预算中进一步申请了1.2亿美元经费,加快推动关键技术攻关,并计划在2026年形成第一代高超声速助推滑翔导弹(采用圆锥体滑翔弹头),2028年形成第二代高超滑翔导弹(采用扁平滑翔弹头),据称导弹射程均为300~500千米。同时,日本还披露,瞄准高超声速巡航导弹应用,计划开展超燃冲压发动机、热防护材料等技术研究,并计划在2023年到2025年间进行相关试验。

2.瞄准高超声速民用飞机应用,欧洲联合俄澳等多个国家继续推动高超声速飞行平台技术研究与验证

2018年年底,欧洲联合俄罗斯、澳大利亚和巴西等国,通过“高超声速飞行试验-国际合作”(Hexafly-Int)项目,完成了一型马赫数7-8级高超声速滑翔飞行平台概念方案的评审工作。Hexafly-Int项目计划试飞一型速度马赫数7-8、无动力的滑翔飞行平台缩比样机。其中,俄罗斯中央空气流体力学研究院负责在2019年完成该样机的研制,目前正在进行计算流体力学分析和风洞试验。该样机计划在2020年进行飞行试验,其远景目标是发展一型能够2~3小时从欧洲飞至亚洲和澳洲的高超声速民用飞机。欧洲长期致力于高超声速民用飞机技术研究,曾依托LAPCAT、ATLLAS、Hexafly等一系列科研项目开展了马赫数5级和马赫数8级高超声速民用飞机概念方案研究,在气动、动力、结构和材料等方面取得了一系列研究成果。

3.英反作用发动机公司再获波音和罗罗的战略投资,稳步推进“佩刀”发动机验证机地面试验台建设

2018年,英国反作用发动机公司(REL)成功完成新一轮融资,获投资金达3750万美元。更重要的是,在本轮融资中,继BAE系统公司之后,波音和罗罗成为新的战略投资方,极大增强了公司“佩刀”发动机验证机的发展前景。2018年,REL公司在美国新建的TF2号试验站完成了首台预冷却器样机(HTX)与相关辅助设备的装配,选定了美国通用电气公司J79涡喷发动机作为热源来开展HTX高温考核地面试验验证,并完成了J79的安装试车等工作。同时,REL公司稳步推进英国TF1试验站的建设工作,预计2019年具备试验运行条件。根据目前进度,公司计划在2020年进行20吨推力量级的“佩刀”发动机验证机核心机试验,2021年进行整机试验。

20吨推力量级的SABRE发动机验证机概念图(美国《航空周刊与空间技术》图片)

结束语

随着需求不断细化和技术不断进展,高超声速飞行器的发展重心已从技术研究逐步向型号装备转进,总体技术路线和装备技术方案正在发生调整和细化,这些小变化的逐渐积累可能最终会引起一些方向性的大变化,值得密切关注和高度重视。