3983金沙官网:72高超音速无人侦察机,美国未来

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  2015年5月19日,美国《大众科学》杂志官方网站透露,该杂志2015年6月号报道了美国洛克希德·马丁公司(洛马公司)的SR-72高超声速察打一体飞机。

3983金沙官网 3 资料图:美国SR-71“黑鸟”侦察机

3983金沙官网 4 美国SR-71“黑鸟”战略侦察机

  • 名称:SR-72高超音速无人侦察机
  • 首飞时间:2018年左右
  • 服役时间:2030年左右
  • 研发单位:洛克希德·马丁公司
  • 气动布局:飞翼
  • 发动机数量:双发
  • 飞行速度:高超音速

  2013年11月1日,美国《航空周刊》杂志网站刊登了其最新一期期刊的封面文章。首次披露了美国洛克希德·马丁公司正在秘密进行的SR-72高超音速无人侦察机研制工程。据该报道介绍,这种被称为“黑鸟之子”(Son of Blackbird)的美军下一代高速侦察机,由洛克希德·马丁公司下属的臭鼬工厂负责研发,根据计划安排,SR-72将于2018年左右进行原型机试飞,于2030年左右服役。

  该报道指出,SR-72将是一型以4000英里/时(6436千米/时)速度执行侦察任务并兼具打击能力的无人机。该机通过这种高达马赫数6的飞行速度来避免被攻击和实施侦察并打击目标,这一速度是SR-71高速战略侦察机(已于1998年退役)的两倍。该机将必须能够从80000英尺(约24.4千米)高度打击目标。洛马公司表示该机将在2030年部署,可实现1小时内到达全球任何区域。

  

3983金沙官网 5 J-58发动机工作示意图,可见该发动机需要的控制系统需要承受巨大的压力和温度,研制难度极高

技术数据

  • 发动机:超燃冲压发动机

  SR-72高超音速无人侦察机主要用于取代上世纪70年代研制的SR-71“黑鸟”高速高空侦察机,其最高飞行速度将达到惊人的马赫数6(也就是声音速度的6倍),是SR-71高速高空侦察机最大飞行速度的两倍,是目前第四代战斗机最大飞行速度的三倍,甚至其飞行速度比一些常见的导弹还要快,堪称人类制造的“最快飞机”。   

  因为其速度优势,高超音速飞行器给目前防空系统的压力极大,一些著名的地空导弹,如美国的“爱国者”、俄罗斯的S-400和中国的红旗-9甚至无法追上这种飞机,从而无法拦截和击落它。

  据介绍,SR-72高超音速无人侦察机主要用于取代上世纪70年代研制的SR-71“黑鸟”高速高空侦察机,其最高飞行速度将达到惊人的马赫数6(也就是声音速度的6倍),是SR-71高速高空侦察机最大飞行速度的两倍,是目前第四代战斗机最大飞行速度的三倍,甚至其飞行速度比一些常见的导弹还要快,堪称人类制造的“最快飞机”。正因为其速度优势,高超音速飞行器给目前防空系统的压力极大,一些著名的地空导弹,如美国的“爱国者”、俄罗斯的S-400和中国的红旗-9甚至无法追上这种飞机,从而无法拦截和击落它。臭鼬工厂则认为,“超高速特性比隐身特性的生存能力更强,技术进步已经让隐身飞机的优势变得不再明显,而飞行器的下一场革命将来自于‘速度’,其速度优势让各国现役防空导弹统统变成废铜烂铁”。有学者指出,中国必须尽快研制高超音速防空导弹和激光防空武器加以应对,否则,当SR-72掠过中国领空,我们也只能“望机兴叹”。

  美国《大众科学》网站此次公布的SR-72高超声速察打一体飞机想象图(上)及洛马公司在2013年11月公布的想象图(《大众科学》图片&洛马公司图片)

  近日,有媒体报道,我国某新型飞机试飞成功,实现了试飞中心在高超音速试飞领域的突破。相关媒体更是将这型飞机与美国高空侦察机SR-71“黑鸟”相比较。

3983金沙官网 6 号称“苏联黑鸟”的米格301项目设想图

结构特点研制历程

  高超音速飞行器在军事上的巨大应用潜力

  在过去数年之中,洛马公司与航空喷气•洛克达因公司的航空工程师一直在洛马公司的“臭鼬工厂”开展SR-72的设计工作。首先,该机需要一个组合的推进系统:传统的现货涡轮喷气发动机可以使飞机从起飞加速至马赫数3,而亚燃/超燃冲压发动机(双模态超燃冲压发动机)将完成剩余的加速。为了解决涡喷发动机工作的极限飞行速度与双模态超燃冲压发动机起动工作的下限速度之间的鸿沟,工程技术人员开发了一种组合发动机,可以工作在三种模态:在由涡喷动力加速至马赫数3之后,双模态超燃冲压发动机以亚燃模态将飞机继续加速至马赫数5,之后再转换至超燃模态。

  “这已经不是媒体第一次报道我国正在发展的高超音速飞机的情况。”军事专家、空军装备研究院高级工程师张文昌告诉科技日报记者,“但据此判断说我国已成功研制并试飞了大体类似‘黑鸟’,最高飞行速度等指标超越‘黑鸟’的高超音速载人战略侦察机,还为时尚早。”

  昨日,《中国航空报》发表文章表彰中航工业安庆公司发动机组在多型产品方案评审中的事迹。其中提到“我国为某飞机配套的首次新研的串联式涡轮冲压组合发动机项目”,从文字描述来看,这是一种类似美国SR-71“黑鸟”的J58变循环发动机的新型发动机。

结构特点

SR-72高超音速无人侦察机有别于上一代“黑鸟”侦察机,采用了无人驾驶结构,将使用涡喷发动机与超燃冲压发动机的组合体作为动力,涡喷发动机将飞机加速到马赫数3后,超燃冲压发动机点火继续加速至马赫数5到6。

3983金沙官网:72高超音速无人侦察机,美国未来侦察机将让防空导弹变废铜烂铁。  由于高超音速飞行器在军事上的巨大应用潜力,让世界各主要航空大国争相投入高超音速飞行器的研制。除美国外,中国、俄罗斯和日本在该领域投入了大量研究,也取得了一些研究成果。高超音速飞行器主要包括3类:高超音速巡航导弹、高超音速飞机以及空天飞机。由美国空军研究实验室(AFRL)与国防高级研究计划局(DARPA)联合主持研制的超燃冲压发动机验证机——乘波飞行器X-51就是高超音速巡航导弹的原形,它采用的超音速冲压发动机被认为是继螺旋桨和喷气推进之后的“第三次动力革命”——相比之下,美军目前装备最多的“战斧”巡航导弹仅能以亚音速缓慢飞行,根本没法和X-51相提并论。

  在高超声速飞行过程中,该机的机体结构将承受极为严重的气动加热,常规的钢材将难以承受。当飞行速度超过马赫数5时,气动摩擦加热将使飞机表面温度升至2000华氏度(1093℃)。在此温度环境,常规钢结构机体将熔化。因此,工程师正在考虑采用复合材料——这与洲际弹道导弹和航天飞机前端使用的高性能碳纤维、陶瓷和金属混合物相似。此外,任何连接部都必须密封:一旦高超声速下出现空气泄漏,涌进的热量将导致飞机解体(例如“哥伦比亚”航天飞机的事故。)

  高超音速一般是指流动或飞行的速度达到或超过5倍声速,即马赫数大于或等于5。实现高超音速飞行的飞行器,目前国际上很少,洲际弹道导弹就是其中之一,其弹头的再入速度远大于声速。

  有接近空军的消息灵通人士对本网表示,这是国内某研究所正在进行预研的高超声速载人飞机项目的一部分,其最终成品的飞行速度将会超过“黑鸟”,不过目前这一项目尚未正式立项。据资料,中航工业庆安公司是我国大型的机载设备研制、生产企业,在机载武器装备、飞行器操纵控制系统方面有专业优势,目前其防务产品包括机械、液压、气动、电子、电气装置及控制系统,他们可能在上述中国“黑鸟”研制项目中承担了部分与发动机相关液压装备的攻关任务。

3983金沙官网:72高超音速无人侦察机,美国未来侦察机将让防空导弹变废铜烂铁。研制历程

SR-72高超音速无人该侦察机由美国《航空周刊》杂志网站于2013年11月1日正式披露。根据计划安排,SR-72将于2018年左右进行原型机试飞,于2030年左右服役。

  事实上,自从高超音速技术在上世纪90年代取得重大技术突破,军用高超音速飞行器正在得到全方位发展,主要研制目标是高超音速巡航导弹、高超音速飞机、空天飞机和高超音速弹药。

  气动力特性也是问题。飞机承受的应力会随着飞机飞行速度的变化而变化。例如,当飞机在亚声速段加速时,飞机升力中心会后移。但是一旦飞机达到高超声速段,在飞机前缘阻力作用下,升力中心再次前移。如果升力中心过于接近重心,将导致危险的不稳定。飞行器外形必须进行剪裁以适应这些变化,防止出现破坏。

  对兵器来说,“快”既是制胜法宝,也是生存法则。SR-71最大速度为3.5马赫。从最大速度来说,SR-71尚不能称为高超音速飞机,但它对于后续高超音速飞机研制的意义不言而喻。

  8月25日出版的《中国航空报》提到,2015年上半年内,他们(中航工业庆安公司发动机组)先后完成了三型发动机多型产品的方案设计工作,并分别于5月、7月顺利通过主机所的方案评审。”

  美国军方对高超音速巡航导弹的发展极为重视,并将其列为近期优先任务。1996年,美国空军开始执行高超音速巡航导弹计划。1997年,美国海军也提出了高超音速攻击导弹计划。1998年,美国空军、海军和国防高级研究计划局经过研究,确定由国防高级研究计划局将美国空军和海军的计划合并为“低成本快速反应导弹演示器”(ARRMD)计划,单独的军种计划向后安排。1999年,国防高级研究计划局选定波音公司的“骑波者”超燃冲压发动机设计作为ARRMD的设计方案,并确定波音公司在2001年底前完成样机制造并进行试飞。

  当前已知的、具有可重复性的高速飞行条件下武器投放,速度最快的纪录由美国空军YF-12高速截击机(左)保持,1965-1966年,该机累计进行7次超声速发射有动力AIM-47空空导弹(右图为YF-12截击机内埋弹舱中的该导弹)的试验,发射速度马赫数2.2- 3.2,其中6次成功(唯一失败的一次是因为导弹自身动力出现问题)。其中最后一次是在飞行速度马赫数3.2、高度22-23千米的条件下完成成功发射,击落了一架飞行高度仅152高的JQB-47E靶机(美国空军图片)

  “如果某型飞机的飞行速度达到或超过5马赫,其作战效能和生存能力何等之高是可想而知的。”张文昌说。

  关于该单位参与的“三型发动机”,文章中介绍为:“我国为某飞机配套的首次新研的串联式涡轮冲压组合发动机项目”、“某重点型号发动机”和“某重点型号中涵道比发动机”。根据文中相关描述,可以推测后两者是此前国内已经公开的涡扇-10改进型发动机和涡扇-18发动机。

  飞行速度约6倍音速的“低成本快速反应导弹”主要用于对抗时间敏感、严密设防的高价值目标。该导弹采用固体火箭助推器和超燃发动机,质量为1135千克,可以从战斗机、军舰和潜艇上发射,其生产型导弹的最大射程1200公里,最小射程740公里,并能在7分钟内到达目标区域,命中精度为9米。

  有效载荷也是一项挑战。SR-72的具体任务载荷仍处于保密状态,很可能相关载荷尚未完成研制。在马赫数6的飞行条件下进行图像情报侦察或完成投弹需要高超的工程技术。飞机完成转弯需要数百英里,需要强大的制导计算机建立从所在飞行高度到目标的瞄准线,在马赫数6的情况下打开武器舱也是严峻的技术挑战。因此,SR-72将需要能够在此高速下工作的新型传感器和武器。

  一般来说,高超音速飞行器的研究方式、方法,技术途径都不同于传统飞行器。要实现飞行器高超音速飞行,必须突破高超音速发动机技术和一体化设计技术,如飞行器机体和推进系统设计一体化、气动设计一体化、结构设计一体化等技术,以及材料与结构技术、高超音速空气动力技术、燃料高超音速推进系统、高超音速地面模拟和飞行试验技术等。

  但“串联式涡轮冲压组合发动机”是一种国内此前从未开展过的项目,文章中描述:“没有可借鉴的先例……国内没有合适的耐高温特种材料,他们就通过各种渠道联系国外经销商;没有合适的工具,他们就自己造;没有值得借鉴的先例,他们就争做第一。甚至连70多岁的老专家都亲自上阵指导方案论证工作,确保方案设计的顺利进行。……数月的辛苦劳作化作了丰硕的果实……”。这表明该单位在几个月内完成了与此型发动机相关的预研任务,可能是与发动机控制系统相关。

  法国也把射程大于1000公里的高超音速巡航导弹作为高超音速技术的首选应用目标。法国航空航天研究院和法国宇航-马特拉公司正在研究空射型Promethee导弹。该导弹的基本型设计是带半椭圆外形的“南瓜子形”无翼骑波器,弹长6米,采用双模烃燃料冲压/超燃冲压发动机,巡航飞行速度为8倍音速,总发射质量1700千克(包括固体助推器)。

 

  “正因为高超音速飞机研究需要跨越多项技术门槛,进行多次验证,研制成功需要相当长的周期。相关媒体的报道其实并不准确,有很多细节值得商榷,可能会给军事爱好者泼一盆冷水。”张文昌判断说。

  所谓“串联式涡轮冲压组合发动机”,属于变循环发动机的一种,目前世界上已经实用化的此类发动机主要是美国SR-71“黑鸟”战略侦察机所用的J58发动机。这种发动机实际上是将一台涡轮喷气式发动机外围增加一圈空气通路,在后方有一个冲压燃烧室,在飞机飞行速度达到1.5倍音速以上时,通过液压活门关闭沃伦喷气式发动机的进气通路,让气流直接进入冲压燃烧室燃烧。这样就可以发挥冲压式发动机在超音速到高超音速条件下效率高的优势,而在低速时则使用涡轮喷气发动机,提供起降阶段的动力。70年代研制的“黑鸟”飞机在J58发动机的推动下可以达到3.5倍声速,至今仍是速度最快的实用化喷气式飞机。

  高超音速巡航导弹可以在2分钟内飞行200公里,在8分钟内飞行超过1000公里,敌方的机动弹道导弹阵地很难在这么短的时间内完成转移。高超音速巡航导弹的飞行高度一般在25千米至40千米之间,防空系统也难以拦截这一高度的高速目标。总之,高超音速巡航导弹将对未来作战样式、防空系统的发展和导弹防御技术的发展产生重大影响。

  首先,即使我国已经开始了高超音速飞机技术研究,但起步和美国相比还是较晚。从报道看,这次试飞的是从跑道上自由起降的飞机。美国自20世纪50年代开始研究吸气式高超音速技术,虽进行了不懈的努力,但到目前还没有研制出可在跑道上自由起降的吸气式高超音速飞机。

  通过其原理可以看出,此类发动机的进气活门等机构对于控制作动系统提出了极高技术指标要求,依托国内现有水平是否可能突破这一技术,可能就是庆安公司在上述方案研究方案中的主要论证课题。

  美国无人机解决了重大科学难题 前景广阔

  其次,在发展高超音速飞机的路上,我国还有许多基础性技术需要突破,如高性能喷气发动机技术。因为如果像有些专家猜测的那样,我国这次试飞的飞机采用了“串联式涡轮冲压组合发动机”,拥有高性能喷气发动机技术将是前提。

  有接近空军的消息灵通人士向本网透露,采用此型发动机的飞机项目已经开展几年,是西南某飞机研究所抓总研制的一个探索性项目。该项目中涉及的飞机目标指标将超越美国SR-71“黑鸟”,最高飞行速度达到接近5倍声速,也就是冲压发动机工作速度上限(更高速度需要使用超燃冲压发动机)。该机为有人驾驶的大型飞机,其动力系统设计与苏联末年米格设计局提出的“301项目”相似。

  据了解,SR-72高超音速无人侦察机有别于上一代“黑鸟”侦察机,采用了无人驾驶结构,将使用涡喷发动机与超燃冲压发动机的组合体作为动力,涡喷发动机将飞机加速到马赫数3后,超燃冲压发动机点火继续加速至马赫数5到6。

  第三,飞机移交试飞中心试飞前,一般都要在工厂进行首飞和较长时间的试飞,而这次报道中所说的飞机已是移交到试飞中心的飞机,说明该机此前已经进行过若干次试飞。如果是高超音速飞机,取得这样重大的技术突破,却长时间没有任何消息,在今天的网络时代,似乎有些不可思议。

  不过,这个项目目前尚未正式立项,还处于预研阶段。

  据《航空周刊》报道,臭鼬工厂称SR-72侦察机的研制过程中遇到的最大困难是协调两种发动机的工作状态,即如何弥补涡喷发动机以及超燃冲压发动机之间的速度差距,由于涡喷发动机只能将飞行器加速到马赫数2.5,而通常,超燃冲压发动机的最小点火速度为马赫数3至3.5,为此,臭鼬工厂花费了7年时间终于获得重大突破,在HTV-3X“黑燕”项目的支持下,研制出了一种有较低点火速度(低于马赫数3)的超燃冲压发动机,同时也可以用另外一些技术手段增强涡喷发动机的性能使之能将飞机速度提高到马赫数4。

  最后,从报道中所提到的试飞中心投入的技术力量来看,也不符合高超音速飞机试飞情况。如果说,这次试飞,以某型飞机为载机,验证了我国预研的某项高超音飞机技术,还有些可信。当然,即使如此,也是非常可喜的。

  美国70年代研制的“黑鸟”飞机在其研制之初曾计划用于高速截击机 、战略侦察机等多种不同用途,目前中国正在预研的这种高超声速飞机可能也将会有相似的多用途设计要求。

  据了解,臭鼬工厂(SkunkWorks)是洛克希德·马丁公司高级开发项目(Advanced Development Programs)的官方认可绰号,它是世界闻名的美国高精尖飞机的“孵化器”,以担任秘密飞行器研究计划为主,研制了洛马公司的许多著名飞行器产品,包括U-2“龙夫人”高空侦察机、SR-71“黑鸟”高速侦察机以及F-117“夜鹰”隐身战斗机、F-35“闪电”II隐身战斗机、F-22“猛禽”隐身战斗机和RQ-170“坎大哈巨兽”隐身无人机等。2013年6月,臭鼬工厂宣传片还首次泄露了洛马公司的第六代战斗机方案。

  张文昌介绍说,世界上开展高超音速飞机研究的国家虽然很多,但真正取得重大进展、制造出验证机的只有美国。目前,美国研制过的高超音速飞机有 X-43A、X-37B等。最值得关注的是美国正在发展的SR-72高超音速无人侦察机。SR-72是SR-71的后继机,其最大特点是采用涡轮喷气发动机和超燃冲压发动机组合动力,采用飞翼布局,可6马赫高超音速飞行,能连续飞行24小时。

  8月24日,美国《防务周刊》报道,美国洛克希德·马丁公司“臭鼬工厂”已经开始进行旨在取代U-2和RQ-4“全球鹰”的下一代高空战略长航时飞机研制,该机可能采用有人、无人两用设计,至于飞行速度和高度等数据目前尚未公开。此外,传说该公司已经研制成功了飞行速度5-6马赫的“曙光女神”战略侦察机。

  通常情况下,臭鼬工厂的研制项目均被列为美军绝密范畴,在项目没有出现阶段性成果或接近成功的情况下,不会公开报道,所以一些分析人士称,SR-72高超音速无人侦察机或许已经取得了重要突破,臭鼬工厂的发动机技术进展预示着这个项目将获得成功,这也意味着以超燃冲压发动机为动力的高超音速飞行器从实验阶段走入实用阶段,美国再次引领人类进入一个新的时代。

  张文昌指出,高超音速飞机将无疑极大改变未来进攻和防御作战样式,其研制无疑是一个重大的战略研究方向,值得追踪和研究。(来源:科技日报  张强)

  可见美国从未中止在航空技术方面的前沿性探索,在高空高速战略侦察机方面其仍然具有很大优势。中国开展的新高空高速飞机项目如果成功,将一举填补中国在这一方面的空白,并大大缩小中美两国在这方面的差距。

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  目前世界上研制成功飞行速度超过3倍声速的实用化飞机的国家只有美俄两国,其最著名的机型是SR-71和米格-25飞机。美国空军和中央情报局使用SR-71和A-12在全世界各地进行了大量间谍侦察任务,从未被击落。俄罗斯的米格-25则一直承担截击和轰炸任务,后来又研制了速度稍慢的米格-31截击机,至今该机仍是俄罗斯最重要的截击机。

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