[科普中國]-超音速巡航

發(fā)展歷史閃電戰(zhàn)斗機(jī)

1943年，英國電氣設(shè)計(jì)了一種戰(zhàn)斗機(jī)，該戰(zhàn)斗機(jī)嚴(yán)格按面積律設(shè)計(jì)，采用內(nèi)切式機(jī)翼，兩臺發(fā)動(dòng)機(jī)上下布置，外形很奇特，命名為閃電戰(zhàn)斗機(jī)。1954年8月11日，搭配兩臺“藍(lán)寶石”發(fā)動(dòng)機(jī)的閃電戰(zhàn)斗機(jī)原型機(jī)P1.0試飛，在不開后燃器的狀態(tài)下，速度超過了M1.0。這是最早的不開后燃器的超音速飛行記錄。

不過，由于閃電戰(zhàn)斗機(jī)試飛時(shí)沒有作戰(zhàn)載荷，而且在增加了作戰(zhàn)載荷和腹部保性形油箱后，便不再具有這樣的能力，加上M1.0處于阻力發(fā)散區(qū)，因此，它不能算是一種具有實(shí)際意義上的超音速巡航飛機(jī)。閃電戰(zhàn)斗機(jī)是英國60年代的主力戰(zhàn)機(jī)，后來因?yàn)檎我蛩睾妥陨碓?，被F-4和“狂風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)替代。1

SR-71偵察機(jī)SR-71偵察機(jī)美國洛克希德公司的臭鼬工廠研制生產(chǎn)的噴氣式三倍音速長程高空高速戰(zhàn)略偵察機(jī)，配備兩臺 “普-惠”J-58軸流式變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺加力推力為14.7噸，飛機(jī)正常起飛重量大于 50噸。SR-71能在26000米以上的高空用M3.0巡航，在其高空執(zhí)行任務(wù)期間沒有任何戰(zhàn)斗機(jī)對其進(jìn)行過有效攔截，也沒有導(dǎo)彈將其擊落。SR-71的這種能力目前在世界上是獨(dú)一無二的，這主要是得益于它優(yōu)秀的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)和獨(dú)特的變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)與進(jìn)氣道-尾噴口的綜合設(shè)計(jì)。

SR-71的主要任務(wù)是高空偵察，必須以3馬赫的速度巡航才能擺脫所有攔截飛機(jī)和導(dǎo)彈，所以其設(shè)計(jì)理念與戰(zhàn)斗機(jī)不同。SR-71是通過大幅降低亞音速機(jī)動(dòng)能力和起降性能來提高它的高空高速性能的。同時(shí)，為了減輕重量和提高抗熱能力，SR-71大量使用復(fù)合材料和鈦合金等輕合金，并做了特殊的結(jié)構(gòu)處理。

SR-71強(qiáng)調(diào)的是M3.0的巡航能力，它是唯一可以在2小時(shí)內(nèi)橫跨大西洋的飛機(jī)，創(chuàng)造了從紐約到倫敦飛行時(shí)間為1小時(shí)54分的速度記錄,，能更快、更安全的進(jìn)行偵察并取得敵人防區(qū)的信息，指導(dǎo)后續(xù)攻擊部隊(duì)的行動(dòng)。從SR-71的任務(wù)完成效果來看，無一被擊落，說明這是一種很成功的飛機(jī)。2

米格-31戰(zhàn)斗機(jī)米格-31是由前蘇聯(lián)米高揚(yáng)設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)的串列雙座全天侯重型截?fù)魬?zhàn)斗機(jī)。米格-31是全世界起飛重量最大、飛行速度最快的作戰(zhàn)機(jī)型，由米格-25戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)展而來，因此米格-31氣動(dòng)外形與米格-25很相近，采用上單翼、雙立尾、兩側(cè)進(jìn)氣布局。根據(jù)俄羅斯官方資料，米格-31在發(fā)動(dòng)機(jī)開小加力狀態(tài)下可以帶彈用M2.35巡航，但這并不屬于真正的超音速巡航。3

臺風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)臺風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)是一款由歐洲戰(zhàn)機(jī)公司（英、德、意和西班牙4國合作）設(shè)計(jì)的雙發(fā)、三角翼、鴨式布局、高機(jī)動(dòng)性的多用途第四代半戰(zhàn)斗機(jī)。歐洲戰(zhàn)機(jī)公司聲稱臺風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)在典型空-空武器配置11000米高度的情況下，不開加力可以用M1.2左右的速度巡航，但是同時(shí)也聲明此狀態(tài)會縮短發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，不是一種正常的工作狀態(tài)，因此被認(rèn)為是第四代半戰(zhàn)斗機(jī)。4

F-22戰(zhàn)斗機(jī)F-22戰(zhàn)斗機(jī)是由美國洛克希德·馬丁和波音聯(lián)合研制的單座雙發(fā)高隱身性第五代戰(zhàn)斗機(jī)。F-22在典型空戰(zhàn)配置下能以大于M1.5的速度巡航，而且，對于F-22來說，超音速巡航已經(jīng)不是簡單的一種獨(dú)立性能了，而變得與隱身能力、高機(jī)動(dòng)性等密切相關(guān)。F-22是世界上第一種進(jìn)入服役的第五代戰(zhàn)斗機(jī)。5

實(shí)戰(zhàn)意義一般常規(guī)的使用單純渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)或者渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的飛機(jī)必須要開加力才能達(dá)到超音速，而且持續(xù)時(shí)間不能太久，一般不超過30分鐘，否則會發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)過熱導(dǎo)致燒壞發(fā)動(dòng)機(jī)等不利情況，而且此時(shí)的耗油量增加1~3倍。而具有超音速巡航能力的飛機(jī)，克服了以上不足，作戰(zhàn)性能大幅提高。

更快抵達(dá)戰(zhàn)區(qū)普通的戰(zhàn)斗機(jī)只能以M0.9左右巡航抵達(dá)戰(zhàn)區(qū)，發(fā)生緊急情況時(shí)容易失去最佳時(shí)機(jī)，延誤戰(zhàn)機(jī)。而具有超音速巡航能力的飛機(jī)，有更高的速度機(jī)動(dòng)性，反應(yīng)能力快，能爭取更多的時(shí)間，甚至先發(fā)制人，變被動(dòng)為主動(dòng)，快速追擊敵機(jī)。對于國土廣袤、領(lǐng)海寬廣的國家，不可能密集地部署軍事基地，這就對軍用飛機(jī)的快速到達(dá)能力提出了很高的要求，因此超音速巡航的意義更大。

高速擺脫威脅超音速巡航飛機(jī)一般具有一定的隱身能力，以超音速M(fèi)1.5以上巡航時(shí)，直接抵達(dá)戰(zhàn)區(qū)時(shí)間短、不容易被發(fā)現(xiàn)。即使被敵人的雷達(dá)發(fā)現(xiàn)了，敵人也只有很短的準(zhǔn)備時(shí)間，而在這段時(shí)間內(nèi)可能已經(jīng)抵達(dá)作戰(zhàn)區(qū)域或者沖出其警戒范圍并遠(yuǎn)離，而敵方的防空武器也因?yàn)槲沧防щy，成為強(qiáng)弩之末而失去作用。研究結(jié)果表明，M0.8突防時(shí)敵人導(dǎo)彈的瞄準(zhǔn)射擊時(shí)間100%，而M1.5突防時(shí)則降低為14.3%。

擴(kuò)大攔截范圍普通戰(zhàn)斗機(jī)因受機(jī)內(nèi)燃油和巡航速度等限制，即使知道敵方轟炸機(jī)和攻擊機(jī)已經(jīng)在入侵的途中，也不可能快速地占據(jù)有利的攔截位置，并且現(xiàn)在遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)可以在防區(qū)外發(fā)射攻擊武器后安全返航，更使普通戰(zhàn)斗機(jī)失去作用。雖然普通戰(zhàn)機(jī)在亞音速狀態(tài)下可能比超音速巡航狀態(tài)的飛機(jī)具有更大的作戰(zhàn)半徑，但是卻沒有超音速巡航的快速反應(yīng)能力，當(dāng)飛到預(yù)定空域時(shí)，敵機(jī)可能已經(jīng)完成任務(wù)返航了。而具有超音速巡航能力的戰(zhàn)斗機(jī)就可以解決這一難題，通過其快速抵達(dá)能力，加上武器初始動(dòng)能更大，可以在敵機(jī)進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域之前，將敵人攔截在其攻擊范圍之外。

擴(kuò)大武器攻擊范圍戰(zhàn)場上，普通戰(zhàn)斗機(jī)大多處于亞音速狀態(tài)下，超音速巡航戰(zhàn)斗機(jī)則有更多的攻擊機(jī)會，它可以在超音速巡航狀態(tài)下緊急發(fā)射攻擊武器，此時(shí)武器的初速度很大，能在更短的時(shí)間內(nèi)和更大的范圍內(nèi)攻擊目標(biāo)。

有利于紅外隱身具有超音速巡航的戰(zhàn)斗機(jī)不需要開加力，可以減小紅外特征。F-14的紅外探測系統(tǒng)能在140km外發(fā)現(xiàn)開加力的目標(biāo)，而不加力的則只有40~50km的范圍。雖然現(xiàn)在紅外探測技術(shù)在進(jìn)步，但不開加力的方式依然可以有效地降低紅外特征。6

關(guān)鍵技術(shù)超音速巡航會給飛機(jī)設(shè)計(jì)和研究帶來一系列技術(shù)難題。首先是飛行阻力問題，飛機(jī)在超音速飛行時(shí)會產(chǎn)生波阻，使飛機(jī)的阻力相對亞音速時(shí)成倍增加，而且還會使進(jìn)氣道附加阻力和總壓損失成倍增長。其次是由于長時(shí)間超音速飛行，飛機(jī)處于很高的氣動(dòng)力熱加溫中，使飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料性能下降。第三是超音速巡航的動(dòng)力提供問題，超音速巡航需要小涵道比、大推重比的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)。第四是為提高超音速巡航戰(zhàn)機(jī)的綜合作戰(zhàn)效能，飛機(jī)應(yīng)該有很高的生存能力和良好的隱身性能，超音速巡航的戰(zhàn)機(jī)在借助優(yōu)良操穩(wěn)特性或推力矢量技術(shù)的情況下具有過失速機(jī)動(dòng)能力，在先進(jìn)的綜合航電配置下，飛機(jī)呈現(xiàn)第五代戰(zhàn)機(jī)的優(yōu)越性能。

降低波阻的外形設(shè)計(jì)超音速巡航的飛機(jī)應(yīng)該按照預(yù)定的巡航馬赫數(shù)修形，以取得設(shè)計(jì)M數(shù)時(shí)最好的全機(jī)面積律分布，可以借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行CFD計(jì)算或者風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。未來的飛機(jī)還要考慮修改外形以達(dá)到雷達(dá)隱身目的，要使飛機(jī)能比較容易地達(dá)到超音速巡航的速度，需要對外形做很細(xì)致的修改，盡量降低飛機(jī)的波阻。除此以外，摩擦阻力、形阻等阻力都要盡量減小，應(yīng)該使用更合適的翼型，更小的浸潤面積，避免過多鼓包等修形。超音速巡航狀態(tài)一般是在中、高空，這就需要飛機(jī)在中高空飛行時(shí)具有良好的阻力特性和良好的升阻比。

隱身技術(shù)未來的戰(zhàn)斗機(jī)既有隱身的需求又要有優(yōu)良的氣動(dòng)性能，而通過修改飛機(jī)外形實(shí)現(xiàn)雷達(dá)隱身和紅外隱身是目前比較常用的手段，但是很難解決隱身外形的同時(shí)獲取超音速巡航的氣動(dòng)特性，最后只能是氣動(dòng)與隱身這兩者按照作戰(zhàn)需求綜合考慮的結(jié)果。

適合超音速巡航的動(dòng)力系統(tǒng)首先，發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行包線必須要能很好的適應(yīng)設(shè)計(jì)的超音速巡航速度。在相同的靜推力要求下，推重比高的發(fā)動(dòng)機(jī)耗油率低，可以提供更多的剩余能量，使超音速巡航變得相對容易實(shí)現(xiàn)；并且能保證在超音速巡航狀態(tài)下仍然具有合適的機(jī)動(dòng)能力。因此，超音速巡航應(yīng)盡量采用推重比10級的發(fā)動(dòng)機(jī)。

武器內(nèi)置與發(fā)射武器內(nèi)置不只是隱身的需求，也是超音速巡航降低飛機(jī)阻力的要求，否則外掛本身表面積大，亞音速狀態(tài)下摩擦阻力增量也大，跨音速時(shí)會產(chǎn)生很大的激波干擾阻力，有些戰(zhàn)斗機(jī)在帶外掛后甚至達(dá)不到超音速。即使達(dá)到了超音速巡航狀態(tài)，也會因過大的阻力導(dǎo)致作戰(zhàn)半徑急劇下降。

高溫與材料長時(shí)間的超音速巡航，尤其是M2.5之后，會使飛機(jī)表面溫度急劇升高并超過250℃，飛機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)因?yàn)楦邷囟冘?，很多?fù)合材料也到了溫度極限，各種結(jié)構(gòu)件熱脹冷縮不均勻，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞或者連接處出現(xiàn)過大縫隙而破壞表面流場，甚至導(dǎo)致飛機(jī)解體。現(xiàn)在鋁合金已經(jīng)不能使用，需要采用更加耐熱的材料。同時(shí)，高溫條件也對燃油、滑油、液壓油等性能提出了要求。6