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東風17型彈道導彈的順利成軍,標誌著其高超音速乘波體彈頭的高超音速飛行控制問題已經得到很好的解決。這正是美國缺憾的一個環節,美國醉心於超燃動力的研究,期盼能做出一個超燃動力平臺,以便實現大氣層內一小時打遍全球的夢想,但是步子太大了,至今是失敗的。已在世界之巔,東風17彈頭代表中國高超音速乘波體技術進入成熟階段。

因為空氣摩擦生熱,高超音速飛行物必然只能在超過3萬米的高空存在,那裡不但環境溫度寒冷,空氣分子也稀少,空氣分子的間距可忽視。但是在超過M5.5-6高超音速的猛烈壓縮下,空氣的行為又趨於極端複雜。空氣的熱力學性質和空氣動力學性質都很活躍,都要重點給予考慮,稱作空氣熱動力學。

飛行體速度超過音速後,就會產生激波。在高超音速後,不但機翼、彈翼的阻力急速提升,降溫冷卻問題需要另外想辦法。其中一條路是:改由機體(或是彈體)直接產生升力,這便是升力體。一些導彈平飛時仰著頭,彈體在增加阻力的同時,空氣動壓下也產生升力,這便是升力體的原理。但是當速度超過6馬赫以上,飛行器的翼尖成為阻力和氣動升溫的熱點,結構和散熱都得重來。乘波體是最好的辦法。

只有利用激波造成升力與精確的氣動控制的飛行器才是有意義的乘波體。乘波體一般為扁平形狀,可以達到高的升阻比,可具備改錐一樣彎曲的前緣,或是如同梭鏢一樣,平面形狀大致作為三角形。這就是我們今天看到的東風17導彈彈頭所具有的外形。

理想狀況下,乘波體下表面正好“坐”在激波的鋒面之上,彷彿飛機的地效一樣。乘波體下表面和下激波鋒面間的壓力最高,這裡是發動機進氣口的理想位置。美國X43、X51、HTV-2、美澳合研的HiFIRE均是“改錐體”或是“梭鏢體”的某種變型。

乘波體透過激波造成升力,也得利用激波造成側向力。變化飛行姿態時,激波狀況發生改變,甚至還有扭曲現象,這便需控制激波形狀與位置了,難度比利用激波產生升力要高一個層次。

美國X51的主要研究目的是超燃動力,考慮了使用激波造成升力的氣動外形問題,但是精確控制與機動絕不是主要研究目的,能確保有動力的飛行便是達到目的。事實上,2018年中國“星空2號”是世界上披露的第一個具有高超音速大幅機動的乘波體。從這一點而言,星空2號乘波體是真的創造了世界之最。中國可能實現了人工轉捩技術,這種技術是指對控制面附面層厚度的主動控制,或許最終與主動激波形狀控制有關。2017年中國《空氣動力學報》裡提到激波裝配法,就暗示了通過附面層厚度控制激波邊界的問題。

中國率先掌握高超音速乘波體可靠控制

但“星空2號”絕不是完美的。理想的高超音速乘波體應當搭載超燃發動機,最好的仍然是TBCC(Turbine Based Combined Cycle)那樣和渦噴相互組合的迴圈發動機,可完成水平降落到水平起飛整個過程。中國超燃動力與TBCC方面的發展非常迅速。至少“星空2號”已是世界上首次實現了全面可控的完全乘波體。“星空2號”射程亦相當喜人,400秒的M6可飛行約750-800公里距離。中國的高超音速科技走的是與美國不同的另外路線,而且已經枝繁葉茂,東風17型導彈上的乘波體彈頭只不過是才露尖尖角。作為一款已經裝備的現役導彈,其技術已不是最新最高的高度,只代表最可靠。也許中國的超燃動力的乘波體彈頭或飛機正在做可靠性的改進吧,THE NEXT,我們期待。

中國率先掌握高超音速乘波體已成軍

中國高超音速技術領先了。美國的高超音速路線是走了彎路的。美國的重點是超燃動力,只有擁有可靠的超燃動力,高超音速對於美國就有大意義。但是這方面到今天沒有實質性衝破,導致美國今天的困境。

中國率先掌握高超音速乘波體可靠控制

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