高超声速时代已来,未来天空将巨变

业界 作者:全球技术地图 2021-04-04 22:50:08 阅读:22




飞机的发明不仅改变了世界,重要的是随着技术的发展它的速度在不断提高,从而使单位时间内的距离也在不断缩短。特别是军用飞机实现超声速后,很快也尝试转至民用。最具代表性的是由英法联合研制的超声速客机“协和(Concord)”,尽管协和客机营运时间不长,但却引领高超声速时代的方向。



当世界向高超声速时代推进时,不仅催生改变未来战争的高超声速武器,而且也在催生改变未来天空的高超声速飞机。那么,什么是高超声速飞机飞机?其研发现状如何?美空军缘何青睐高超声速“空军一号”?高超声速飞机将对未来天空产生那些影响?


军用高超声速飞机 捷足先登


高超声速飞行器是指飞行速度超过5倍声速(约合每小时6000公里)的飞行物体。高超声速飞行器首先是应用于军事领域,如高超声速巡航导弹、高超声速军用飞机等。根据动力系统的不同,在研的新型高超音速武器可分为滑翔型和吸气式发动机推进型。


1. 唯快不破


从飞机发明那天起,人们无时无刻不在设法提高飞行速度。因为从军事视角来讲,速度就是胜利;从民用角度来看,速度就是效率。所以,当飞机被广泛应用于军事领域后,它作为一项颠覆性技术很快又转向民用,从而改变了世界。



按新技术的发展应用规律,通常一项新技术的发明往往首先应用于军事领域。科技进步使得飞行速度不断提高,当飞行速度超过5倍声速进入高超声速时代时,不仅催生了高超声速武器,也为研发军用高超声速飞机提供了可能。


2. 黑鸟之子


2013年,美国洛克希德·马丁公司的“臭鼬”工厂向《航空周刊》独家透露了SR-71的后继机——SR-72打击平台的长期发展计划。这种被美国空军称为“黑鸟之子”的SR-72飞机,由于采用全新的设计理念和大量新技术,特别是具备高达马赫数6的飞行速度,不仅能让当今世界现有的防空系统望洋兴叹,还将会引发未来战争形态发生重大改变。


图:美媒报道的SR-71“黑鸟”侦察机后续机型SR-72对比宣传图


此消息一披露,顿时引起世界各国尤其是军方的高度关注。如果该计划如期完成,毫无疑问则意味着未来空战将进入高超声速时代。美国五角大楼对研制高超音速飞行器给以关注,美国空军司令部很快对有关SR-72高超音速无人侦察机进行了评价。具有高超声速的飞行器对美国空军的进一步发展具有重要意义。美军方认为,这类飞行器能够保证美国未来对潜在竞争对手的优势。


3. 速度是新的隐身手段


SR-72的前身SR-71,是由美国洛克希德·马丁公司研制的一种速度可达M3的高空战略侦察机。这种超音速侦察机是冷战时期的产物,主要用于越南战争,先后出动近千架次,创下了从未被击落的战绩。到1990年,该型机全部退役。


按洛克希德·马丁公司下属的“臭鼬”工厂有关SR-72飞机的长期发展计划,新开发的SR-72飞机将是一种可担负高超声速情报、监视与侦察(ISR)、攻击等多种任务的作战平台。


值得注意的是,SR-72在设计理念上发生了重大改变,将对现有的防空体系产生重大影响。时任“臭鼬”工厂副总裁阿尔·罗米格(Al Romig)强调:“速度是新的隐身手段”,这与五代战机的隐身设计理念完全不同。


4. 战略定位


但由于美空军并没有加入到SR-72高超音速飞机项目,因而该项目的真正用途并不明朗,所以研发进度也未能达到预期。2017年,洛克希德·马丁公司对SR-72高超音速飞机项目进度时间表进行了调整,决定将其主体设计工作推迟到本世纪20年代初进行。2018年,洛克希德·马丁公司宣布,SR-72高超音速无人侦察机将在2025年前制造完成,并进行飞行测试。该公司甚至公布了SR-72高超音速无人侦察机的未来战略定位,即用作高超音速武器的发射平台。


美空军青睐高超声速“空军一号”


然而,高超声速的速度优势还是受到美国空军却特别青睐,一方面加紧研发装备高超声速武器,另一方面开始计划投入研发未来高超声速“空军一号”。


1. 空军一号


据媒体报道,2020年8月6日,美国空军在新的创新中心(AFWERX)创新计划下授予赫尔缪斯(Hermeus)公司价值150万美元的合同。赫尔缪斯(Hermeus)公司将与美国空军合作,为国防部提供高超声速空运能力,并将制造高超音速版总统的专机“空军一号”。据悉,由于依托新的冲压推进发动机,新的空军一号可以以Ma4-5的速度进行长时间的飞行,这已经接近高超声速武器的Ma5速度。


2. 空中的白宫


“空军一号”被认为是技术先进、功能齐全、安全舒适的“空中白宫”。美国目前的“空军一号”专机称为VC-25A,是基于波音747-200民用客机而设计的。但特朗普总统在任期内又批准建造两架新的“空军一号”,这两架经过改装的波音747-8大型客机将会被命名为VC-25B。按计划新“空军一号”将在2024年准备就绪,也就是说预备替换目前的“空军一号”早已准备好,按预计服役至少30年来计算,至少要到2054年之后总统机队才会有新飞机的空缺。


图:美国空军目前正在建造的两架新“空军一号”是经过特殊改装的波音747


图:Ma5高超声速飞机概念图


那么,美空军为何现在就开始着手研发高超声速“空军一号”?显然这不是急需,但却是必需。目前美“空军一号”从纽约飞到巴黎需要7小时,而Ma为5的高超声速飞机可以在90分钟内完成这个飞行任务。然而,这只是表面上的速度优势,其背后还隐含着多重目的。


一是借机加速推动高超声速飞机的研发;

二是以“空军一号”的名义可以在高超声速领域索要更多的资金和资源投入;

三是对“空军一号”的投入具有巨大潜在的军事价值;

四是对未来航空装备发展以及民用市场将产生重大影响。


美国总统及行政空运项目执行官、空军准将瑞安·布里顿在声明中表示:“利用商业投资将新技术引入空军,能最大限度地提高国防部投资的回报。”


另据媒体报道,目前,赫尔缪斯(Hermeus)公司的重点任务是评估对Ma5飞机的改装,使其能够支持总统和行政人员的空运机队。总统和行政空运局希望赫尔缪斯(Hermeus)公司能把飞行器设计与空军对高速机动性的独特需求结合到一起,并把高超声速飞行器融入现有的空中运输、机场和通信基础设施网络中,为将来的部署打好基础。


民用高超声速飞机同步跟进


1. 十年内投入运营


但随着高超声速技术的突破与发展,这项技术不再仅限于军事领域,同时也在加速向民用领域扩展。据媒体披露,美国初创企业赫尔缪斯(Hermeus)公司开始进军高超声速民用飞机领域,并于2019年5月公开披露了Ma5级高超声速民用飞机研发项目,计划充分利用现有和短期内可实现的技术,研制一型最大巡航速度Ma5、载客20人左右、航程约7400km的高超声速民用飞机,初步目标是在2020年代末投入商业运营。


2. 协和式超声速客机


实际上,以法英联合研制的“协和(Concord)”和前苏联研制的图-144超声速客机,代表了超声速时代民用客机技术和速度的最高水平。特别是协和式以2.02倍音速的巡航速度飞行,从巴黎飞到纽约只需约3小时20分,比普通客机节省一半时间。1996年2月7日,协和飞机从伦敦飞抵纽约仅耗时2小时52分钟59秒,不仅创下了航班飞行的最快纪录,而且成为成为民航客机史上的一段传奇。


图:协和飞机突破音速时,会产生音爆,由于超音速飞机的音爆影响,许多国家一度禁止超音速飞机起降,导致协和超音速客机多条航线被迫停飞


但由于技术、环境、成本、安全等问题,协和式客机实际运营效果并不理想。尤其是2000年7月25日,协和式客机AF4590航班,在从法国巴黎戴高乐国际机场起飞后不久便坠毁在巴黎市郊的戈内斯,空难共造成113人死亡(地面4人),成为压倒它的最后一根稻草,此事件最终导致协和式客机退出历史舞台。


然而,人们并没有停止对飞行速度的追求。其实在法英联合研制协和超音速客机时,波音公司和洛马军工巨头也在研制超音速客机,但由于爆发中东石油危机,考虑超高的燃油成本,波音和洛马才停止了对超音速客机及相关项目的研制。


3. 后起之秀


特别值得注意的是,美国初创企业赫尔缪斯(Hermeus)公司,这家后起之秀以研制高超声速飞机为目标的初创公司正在快速发展。目前,该公司已完成了高超声速飞机用涡轮基冲压组合发动机(TBCC)缩比验证机静态和高速(达到了马赫数5 )试验。这台涡轮基冲压组合发动机包含一台现货涡轮发动机、一套室内试验设计状态的预冷却器和亚燃冲压发动机,涡轮发动机和冲压发动机共用同一套进气道和尾喷管。其中涡轮发动机的工作区间是0到马赫数3.3,亚燃冲压发动机是马赫数2.8到5。


4. 美国空军加入投资


这一试验成果得到美国空军的关注和首肯,并决定投入该项目,2020年8月6日,美国空军在AFWERX创新计划下授予赫尔缪斯(Hermeus)公司价值150万美元高超声速总统专机可行性评估研究合同。10月,赫尔缪斯(Hermeus)公司成功获得1600万美元A轮融资,支持开展全尺寸涡轮基冲压组合发动机发动机研制和地面试验。


由涡轮发动机与亚燃冲压发动机组合而成的涡轮基组合循环(TBCC)发动机,仍然采用常规的航空燃油,这种组合循环发动机可以在高超声速和低亚声速速度两种模式下工作,无需单独的发动机或火箭助推器。它既可以用于军用飞机,也可用于民用飞机。有关资料显示,配装TBCC的飞机还能够与现役加油机进行空中对接加油,可进一步拓展其任务能力。毫无疑问,高超声速飞机一旦投入应用将使未来天空发生重大改变。


图:赫尔缪斯(Hermeus)缩比发动机试验


5. 未来大势 已然明确


目前,高超声速飞机正处于技术验证阶段,还不是具体的工程项目,但高超声速飞机无疑代表着未来发展趋势。尽管美军高超声速飞机技术发展的重心仍是涡轮基冲压组合发动机(TBCC)组合发动机技术攻关,但最关键的是,赫尔缪斯(Hermeus)公司的高超声速飞机方案明确提出采用普通的航空燃油,而不是氢燃料,从而扫除了该飞机可改型为军用飞机的最大障碍,完全具备军事应用的潜力。同时,将商业投资的新技术直接转为军事用途的做法也为军品研制提供了借鉴。


美国空军之所以青睐高超声速飞机,并不仅仅是重视未来的“空军一号”,而是更关注其背后高超声速技术的军事应用,其军事意义远高于商业价值。由此看来,高超声速飞机作为一种颠覆性技术,无论是在军事领域还是民用领域都将产生极为深远的影响。



END


参考资料:

https://www.fx361.com/page/2020/0810/7043001.shtml

http://www.cannews.com.cn/2021/03/23/99322993.html

http://mil.qianlong.com/2018/0119/2340387.shtml



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转自丨 学术plus

作者丨 徐秉君

编辑丨 刘瑾



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