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高超声速,空天利器  

2014-08-27 14:23:56|  分类: 新刊推荐 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 高超声速,空天利器 - kxsj - Newton-科学世界
美国波音公司X-51A乘波者高超声速巡航导弹

(本文摘自《科学世界》2014年第9期文章:高超声速,空天利器)

据人民网消息,8月25日,美国陆军研制的“高超声速武器”在阿拉斯加测试时发生严重故障,升空仅四秒后爆炸并坠落在测试基地内。尽管如此,美军将继续推动“高超音速武器”的开发项目,以便实现在一小时内打击地球上的任何目标。
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美国高超声速武器发生故障爆炸的瞬间。图/人民网

那么,高超声速武器到底是什么?这个炫酷炸天的玩意儿,到底有多么牛逼哄哄呢?真的能一小时内打击地球上任意目标吗?我国是否有进行这方面研究呢?

撰文/郭亮(中国科学院力学研究所)

高超声速,技艺高超
所谓“高超声速飞行器”,是指飞行速度超过5倍声速的飞机、导弹、炮弹之类的有翼或无翼飞行器。
在英文中,高超声速称为“hypersonic”,这个词是我国著名科学家钱学森先生在1945年首次提出的。同时,他还提出了用“第一级喷气式飞机搭载第二级火箭的两级式发射”的方式来实现高超声速飞行的概念。直到20世纪80年代,还有许多国家遵循这个思路进行相关的研究工作。
简单来说,这种飞行器从美国纽约飞到我国北京,还用不了2个小时。毋庸讳言,这么快的飞行器当然具有巨大的军事价值,可以说是战场上的“倚天剑”、“屠龙刀”,以它遥遥领先于其他大气层飞行器的速度,无论是进行突防、侦察还是扩展战场空间,都能轻松完成。
概括来说,高超声速的优势有三个。
一是飞行速度快,2小时内可以打击全球任何目标。
二是探测难度大、突防能力强。由于通过时间短,防御雷达累积回波数量较少,不易被发现;即使被发现,地面防空武器系统也难以实现有效瞄准,因此突防概率极高。
三是射程远、威力大。目前正在研究的高超声速导弹,其射程都在几百千米甚至几千千米以上。根据动能公式可知,物体的动能与其速度的平方成正比,因此在进行高超声速飞行时,它的动能非常之大。与传统的亚声速飞行器相比,在同样质量的情况下,其威力将增大很多。


阻碍超声速飞行的“墙”——声障
我们常用“马赫数”(Ma)来描述飞行器的速度,它表示飞行器的飞行速度与当地声速之比。1Ma(1马赫)就表示飞行器以1倍声速飞行,小于1Ma即为亚声速飞行,高于1Ma则为超声速飞行。
当飞行器的速度逐渐接近声速后,声波会叠合,积累在飞行器前端,产生激波,形成了一堵“看不见的墙”。这堵“墙”会使飞行器产生强烈的振荡,不仅速度衰减,机翼下沉,机头也会往下栽,这就是声障。
为了突破激波的阻碍,飞行器除了要使用大推力的喷气发动机以外,还必须采用专门设计的空气动力外形。现在比较完善的方案,就是采用“后掠形机翼”或者“三角形机翼”,机翼也必须做得很薄。所以,我们看到一架飞机的外形,就可以判断出它是超声速还是亚超声速。
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进行超声速飞行时,飞机突破声障的瞬间。

高超声速推进技术
在冲压发动机的燃烧室中,气流只能达到亚声速。为了突破这个限制,人们设计了新一代的发动机,在它的燃烧室中流动的是超声速的气流。这样的发动机,被称为超燃冲压发动机。
超燃冲压发动机,即“超声速燃烧冲压发动机”(Supersonic Combustion Ramjet,缩写为Scramjet)的简称。它是一种进气流速超过声速的航空用冲压发动机,属于吸气式喷气发动机的一类。
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涡轮喷气、冲压、超燃冲压发动机对比图

高超声速风洞
目前,对高超声速飞行的研究、试验和评估,主要依靠三种方法:计算模拟与仿真(CFD)、地面试验和飞行试验,三者缺一不可。
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NASA的高超音速无人机“X-43A”及其CFD计算模拟达到7Ma时的流场

地面试验的主要设备就是“高超声速风洞”。
对于高超声速飞行器来说,目前已有的常规地面风洞已经不能完全满足实验要求了,必须要使用更先进的风洞才行。为此,激波风洞出现了。
激波是气体、液体或者固体介质中压力、密度或温度在波阵面上发生突跃变化的压缩波,在超声速流动、爆炸等过程中都会出现激波。至于激波管,简单来说就是两根管子,中间一个膜,串联在一起。膜的一边充高压气体,另一边充低压气体,膜一破,高压气体压缩低压气体,就会在低压气体里面产生一个运动的激波。这个激波可以将其扫过的气体加速、加压、升温,而且能力非常强,利用这种激波管连接喷管,就做成了激波风洞。

我国的JF12激波风洞
中国科学院力学研究所的高温气体动力学国家重点实验室,在2008年1月正式启动了“复现高超声速飞行条件激波风洞”项目,2012年该风洞研制成功并接受了验收,命名为“JF12风洞”。风洞总长265米,总重量约1000吨。无论是试验时间、复现飞行速度、试验区尺寸等都处于国际领先水平,可以说是世界第一的高超声速激波风洞。

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我国JF12高超声速激波风洞局部


更多关于高超声速飞行器的精彩内容,请阅览《科学世界》2014年第9期:高超声速,空天利器
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