用魔法打败魔法!中国研制吸气式高超音速导弹,性能对标美国HAWC

来自外媒《欧亚时报》的消息,中国正在研制超燃冲压式发动机,而且进展非常迅速,发动机在模拟高超音速试飞期间实现了长时间稳定运行。《欧亚时报》认为在高超音速武器领域占据绝对优势地位的中国似乎正通过研制几乎所有类型的高超音速飞行器来构筑起对美国的绝对技术优势,从而全方位堵死美国发展高超音速武器的道路。

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《欧亚时报》指出,AGM-183A本应该是美国空军第一款高超声速武器,这是一款采用火箭助推的滑翔体高超音速导弹。但是由于在最近的三次测试中全部失败,再加上中国已经研制出比AGM-183A更先进的东风17并实现了大规模列装,自感追赶中国无望的美国空军不得不放弃了AGM-183A转而选择了洛马公司的“HAWC”。

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“HAWC”其实就是采用超燃冲压发动机的高超音速武器,最大的特点就是无需携带氧化剂。因此具有结构简单、成本低、重量轻、单位推力高和速度快的优点。在军事和航空航天领域具有广阔的应用前景,因而备受世界各国重视。与之前通过研制东风17“迫使”美国空军停止发展AGM-183A类似,中国针对“HAWC”给出的回答就是研制比“HAWC”更加先进的吸气式高超音速武器。

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虽然有分析认为美国空军之所以放弃AGM-183A 而选择“HAWC”,是因为后者的技术难度更低。但实际情况却正好相反,超燃冲压发动机虽然结构上要比火箭发动机和喷气式发动机更简单,但是结构简单往往也意味着对材料和加工工艺的要求会更为苛刻。美国空军选择“HAWC”更多是因为其在这个领域有相对AGM-183A更加雄厚的技术储备的,美国空军和NASA分别在上世纪50年代末和60年代中期开始研究超燃冲压发动机,先后推出了7倍音速的X-43A飞行器和6倍音速的X-51A飞行器,还与澳大利亚进行了低成本HIFiRE超燃冲压发动机的合作。

虽然这些项目进展均不太顺利,不仅遭遇多次失败,X-43A和X-51A也是一直没能修成正果。很显然,随着相关领域的空心化,美国在超燃冲压发动机领域提前遇到了瓶颈。但即便如此,相比AGM-183A ,美国空军在超燃冲压发动机领域的积累还是要好很多。

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洛马公司的“HAWC”在去年进行了首次测试并获得成功,在今年三月份进行了第二次试射也获得了成功。和AGM-183A主要由B-52H这样的轰炸机发射不同,“HAWC”得益于超燃冲压发动机的特性,在尺寸上拥有极大的优势(有利于小型化),美国空军对“HAWC”的定位就是能够用F-15E、F-22A和F-35A这样的战术机队挂载。

不过“HAWC”的整体进度并不算理想,以3月份的这次秘密测试为例,虽然美国宣布试射成功,但是并未像以往那样对这次测试进行大张旗鼓地宣传,图片和视频统统没有,仅给出了一系最基本的数据,比如速度超过5马赫,并在这个速度上保持了较长一段时间,导弹飞行高度大于65,000英尺的高度,飞行了300多海里。

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这些数据其实并不出彩,即使按照高超音速武器最低的5马赫的速度计算,“HAWC”的飞行时间也只持续了5.44分钟,刚刚达到了美军的最低要求。中国在上个月底公开的舰载版鹰击-21弹道反舰导弹(一种双锥体高超音速武器)最大射程超过1000公里,最大速度在6~7马赫之间,持续飞行时间达到了6.99分钟~8.16分钟。不要小看这1.55分钟或者2.72分钟,对于高超音速导弹而言,发动机多工作哪怕一秒钟都需要付出巨大的努力。

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而这种比较其实并不公平,毕竟空射版由于高空发射,以及导弹载机的速度加成,其最大射程要大于同款的舰载版版本。事实上鹰击-21的空射版本已经出现在了中国空军的轰-6N轰炸机的机腹,换装了更为巨大的二级助推器的鹰击-21的最大射程据称超过3000公里,因此其发动机的工作时间显然更长。所以,美国空军这次试射虽然获得了成功,但是“HAWC”离正式定型量产还需要非常漫长的路要走。

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造成这一切的唯一原因就是极高的技术难度。现有的超燃冲压发动机的主要技术难点是如何实现足够大且稳定的推力。相关研究的难点在于如何尽可能高地提高超燃冲压发动机的燃烧效率,增大发动机的推力水平,以及尽可能长的持续工作时间。简单地说就是如何确保经过压缩的高超声速气体在燃烧室中长时间稳定高效地工作。

在这一点上,中国的科研团队已经取得重大突破。首先是修建了目前世界上唯一能模拟超大型高超声速飞行器的JF-12激波风洞,这也是国际上第一座可以复现飞行条件的地面空气动力学实验设施。此外,中国还将在今年建成更大更先进的JF-22超高速风洞,它可以复现40到100公里高空、时速最高达10公里/秒(约30倍声速)的飞行条件。它的建成将进一步巩固中国在高超音速飞行器领域的领导地位。

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此外,中国还研制出了世界上首台航空煤油超燃冲压发动机,再加上凌云2号临近空间平台超燃发动机的成功研制,每一步走得都非常扎实。并且中国还再次弯道超车,在更先进的“旋转爆震发动机”领域发力,研制出了更先进的“连续旋转爆震发动机”和“站立式斜爆轰冲压发动机”。

区别于美国研制的超燃冲压发动机,“连续旋转爆震发动机”采用了特殊的同心圆结构,利用旋转部件使燃料在气缸之间的间隙中流动,省去了额外的机械部件,发动机的体积重量还有成本都得到了有效控制。并且在点火后,内部冲击波的压力和温度要明显高于传统的超燃冲压发动机,因此无论是燃油效率还是推力都比传统的超燃式冲压发动机更高。当然,爆震发动机要产生足够的爆震波,必须要在发动机内部实现每秒数百次以上的爆炸,无论是技术难度还是对材料的性能要求都远高于传统的超燃冲压发动机。

位于四川省绵阳市的中国空气动力学研究与发展中心声称,中国的“旋转爆震发动机”已经能够实现每秒数千次的爆炸,可以以5马赫或更快的速度推动飞机或导弹飞行。在模拟高超音速试飞期间已经实现了长时间的稳定运行,显示技术已经非常成熟,离正式装弹/机试验已经不远了。而值得一提的是,该发动机采用的是低成本的碳氢化合物燃料,经济性也更好。

而“站立式斜爆轰冲压发动机”则是由中国科学院力学研究所高温气体动力学重点实验室姜宗林团队研制成功,相关论文发表在了2022年的《中国航空学报》上。这款发动机是对目前超燃冲压发动机的一次重大技术革新。在高超音速风洞测试中,这款发动机无论是推力、燃油效率,还是操作稳定性上都展现出了对传统超燃冲压发动机的巨大优势。而理论上,装备“站立式斜爆轰冲压发动机”的飞行器的最大飞行速度可达16倍音速。

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有分析人士认为,中国在爆震发动机领域的水平至少领先美国30年。因为美国现在连超燃冲压发动机的稳定性都还没解决,这也导致了“HAWC”研制进度的异常缓慢。美国连最传统的超燃冲压发动机都搞不定,就更不用说更复杂的爆震发动机了。

因此,《欧亚时报》认为中国将会成为世界上最先研制出成熟的超燃冲压发动机和采用该类型发动机的高超声速飞行器的国家,并在高超声速导弹的研制上取得先机,意义可谓非常重大。很显然,中国在高超音速领域的地位已经是无人能够撼动,就是不知道面对中国在超燃冲压发动机领域的巨大技术优势,美国空军会不会像放弃AGM-183A一样在此选择放弃“HAWC”呢?