超音速巡航的发展

1超音速巡航的发展1．超音速巡航的物理意义最早来源于水面舰只，飞机出现后，没有创造自己的专有名词，而是沿用了舰船的很多名词，但是飞机的飞行时间和速度、飞行状态（空间包线）变化已经不是舰船所能比拟的，所以巡航的含义也有了变化。F-22问世后，引入了一个新的概念，F-22具有发动机不开加力保持M1.5飞行的能力，美国人称之为“supercruise（直译为：超级巡航）”，中国翻译为“超音速巡航”。2．超音速巡航的实战意义一般常规的使用单纯涡喷或者涡扇发动机的飞机必须要开加力才能达到超音速，而且持续时间不能太久，一般不超过30分钟，否则会发生发动机过热的问题导致烧坏发动机等很多不利情况，而且此时的耗油量增加1~3倍。而具有超音速巡航能力的飞机，克服了以上不足，故能大幅度提高其作战效能：一、更快的速度飞抵战区：普通的作战飞机只能是以M0.9左右巡航抵达战区，在发生应急事件的情况下将失去最佳时机，延误战机。具有超音速巡航能力的飞机具有更高的速度机动性，反应能力快，能争取更多的时间，甚至先发制人，变被动为主动，快速追击敌机。对于国土、领海广袤的国家，不可能密集的部署军事基地，对军用飞机的快速到达能力提出了很高要求，这样而言超音速巡航的意义更大。二、以高速摆脱威胁：现代的具有超音速巡航能力的飞机一般也有一定的隐身能力，以超音速M1.5以上巡航时，直接接抵达战区时间2短、不容易被发现，即使敌人的雷达发现了你，但是也只有很短的准备时间，而这段时间可能已经抵达作战区域或者冲出其警戒范围并远离，而敌方的防空武器也因为尾追困难很有可能最终成为强弩之末而失去作用。根据国外研究结果，M0.8突防时敌人导弹的瞄准射击时间100%，而以M1.5突防时则降低为14.3%。三、以扩大拦截范围：普通的战斗机因为机内燃油和巡航速度等限制，即使知道敌方轰炸机和攻击机已经在入侵的途中，也不可能快速的占据有利的拦截位置，而现在远程战略轰炸机可以在防区外发射攻击武器并安全返航，更使普通战斗机失去了作用。虽然普通战机在亚音速状态下可能比超音速巡航状态的飞机具有更大的作战半径，但是却没有超音速巡航的快速反应能力，当飞到预定空域时，敌机可能已经完成任务返航了。而具有超音速巡航能力的战斗机就可以解决这一难题，通过其快速抵达能力，加上武器初始动能更大，可以在敌机进入目标区域之前，将敌人拦截在其攻击范围之外而；四、以扩大武器攻击范围：在战场上没有预料到的情况随时可能发生，对于普通的飞机来讲，更多时间是处于亚音速状态下，而具有超音速巡航能力的战斗机具有更多的攻击机会，可以在超音速巡航状态下紧急发射攻击武器，此时武器的初速度很大，使武器能在更短的时间内和更大的范围内攻击目标。五、于红外隐身：由于具有超音速巡航的战斗机不需要开加力，可以减小红外特征。F-14的红外探测系统能在140km外发现开加力的目标，而不加力的则只有40~50km。虽然现在红外探测技术进步很大，3不开加力仍然可以有效的大幅度降低红外特征。3．超音速巡航的关键技术超音速巡航会给飞机设计和研究带来一系列技术难题：首先是飞行阻力，飞机在超音速飞行时会产生波阻，使飞机的阻力相对亚音速时成倍增加，而且还会使进气道附加阻力和总压损失成倍增长；再是长时间超音速飞行，飞机处于很高的气动力热加温，使飞机的结构材料性能下降；第三是超音速巡航的动力提供，超音速巡航需要小涵道比、大推重比的涡扇发动机；第四是为提高超音速巡航战机的综合作战效能，飞机应该有很高的生存能力和良好的隐身性能，超音速巡航的战机在借助优良操稳特性或推力矢量技术的情况下具有过失速机动能力，在先进的综合航电配置下，飞机呈现第四代战机的优越性能。但这些飞机特点给飞机研制带来了很多技术关键。除过失速机动和综合航电外，直接影响超音速巡航的主要关键技术有：3.1降低波阻的外形设计超音速巡航的飞机应该按照预定的巡航马赫数修形，以取得设计M数时最好的全机面4积律分布，可以借助先进的计算机辅助设计软件进行CFD计算或者风洞实验。未来的飞机还要考虑修改外形达到雷达隐身目的，要使飞机能比较容易的达到超音速巡航的速度，需要对外形做很细致的修改，尽量降低飞机的波阻。除此以外，摩擦阻力、形阻等阻力都要尽量减小，应该使用更合适的翼型，更小的浸润面积，避免过多鼓包等修形。超音速巡航状态一般是在中、高空，这就需要飞机在中高空具有良好的阻力特性和良好的升阻比。3.2隐身技术未来的战斗机既有隐身的需求也要有优良的气动性能，而通过修改飞机外形达到雷达隐身和红外隐身是目前比较常用的手段，但是解决隐身外形和获取超音速巡航的气动特性这两者经常会有矛盾，最后只能是气动与隐身这两者按照作战需求综合考虑的结果。3.3适合超音速巡航的动力系统首先，发动机的飞行包线必须要能很好的适应设计的超音速巡航速度。在相同的静推力要求下，推重比高的发动机，耗油率低，使之提供更多的剩余能量，使超音速巡航变得相对5容易实现；并且能保证在超音速巡航状态下仍然具有合适的机动能力。因此，超音速巡航应尽量采用推重比10一级的发动机。3.4武器内置与发射武器内置不只是隐身的需求，也是超音速巡航降低飞机阻力的要求，否则外挂本身表面积大，亚音速状态下摩擦阻力增量也大，跨音速时也会产生很大的激波干扰阻力，有些战斗机在带外挂后甚至达不到超音速。即使达到了超音速巡航状态，也因为过大的阻力导致作战半径急剧下降。内置武器的发射也是一个课题。3.5高温与材料长时间的超音速巡航，尤其是M2.5之后，会导致飞机表面温度急剧升高超过250°C，飞机的金属结构因为高温而变软，很多复合材料也到了温度极限，各种结构件热胀冷缩不均匀，导致结构损坏或者连接处出现过大缝隙破坏表面流场，甚至导致飞机解体。这种情况下铝合金已经不能使用，需要采用更加耐热的材料。高温条件也对燃油、滑油、液压油等性能提出了课题。SR-71由于长时间高空M3巡航飞机部分表面温度达到了600°C，在此温度6下铝合金已经完全不能使用，只能使用特种钛合金、钢等耐高温材料。__4．超音速巡航的发展历史♦英国电气“闪电”早在1954年，英国电气设计了一种战斗机，该机严格按面积律设计，采用内切式机翼，两台发动机上下布置，外形很奇特，命名为“闪电”。该机原型机P.1（配两台“蓝宝石”发动机）在1954年8月11日试飞的时候在不开加力的状态下速度超过了M1.0。这是最早的不开加力超音速飞行记录。不过由于它没有作战载荷，后来的“闪电”增加了作战载荷和腹部保性形油箱后，不再具有这样的能力，加上M1.0处于阻力发散区，它不能算是一种具有实际意义上的超音速巡航飞机。“闪电”战斗机是英国60年代的主力战机，但是后来因为政治因素和自身的部分原因，闪电战斗机被F-4和“狂风”战斗机替代。♦SR-71战略侦察机←图1SR-71高空高速侦察机SR-71配备两台“普-惠”J-58轴流式变循环发动机，单台加力推力14.7吨，飞机正常起飞重7量大于50吨。SR-71能在26000米以上的高空用M3巡航，在其高空执行任务期间没有任何战斗机对其进行过有效拦截，也没有导弹将其击落。SR-71的这种能力目前在世界上是独一无二的，这其一是得益于其优秀的气动外形设计，其二是其独特的变循环发动机和进气道-尾喷口的综合设计。图2SR-71的动力系统（M3.0状态）J-58发动机是一种变循环发动机，在低速模式下近似于涡喷发动机工作模式，而在高速模式下近似于冲压发动机工作模式。按常规计算，SR-71的全机推重比只有0.56，他是如何实现3马赫巡航的呢？在M3.2飞行时，SR-71的所需推力只有20%左右是来自于发动机本身，此时发动机以冲压模式工作，油耗反而最小，而80%得益于他复杂的进气和排气系统（包括发动机引射）。所以SR-71的3马赫巡航能力并不是靠单纯的J-58就能做到的，而应该把SR-71的进/排气系统、J-58与舱壁之间的流管、J-58发动机一起看做一台复杂的发动机。并非一定要发动机推力特别大才能实现超音速巡航，这也是我们国家需要研究的一个方向。8SR-71的外形按面积律修形，并且考虑隐身，机体非常扁平，细长的边条从机头一直向后延伸，翼身融合设计，无尾布局。SR-71的发动机舱位于机翼中部。由于SR-71飞机很长（32.73m），要抵抗侧风引起的偏航将很困难，同时也考虑到隐身，发动机舱上的全动垂尾设计为向内倾斜。SR-71的主要任务是高空侦察，必须以3马赫巡航才能摆脱所有拦截飞机和导弹，所以其设计理念就与战斗机不同，SR-71大幅降低了亚音速机动能力和起降性能来提高高空高速性能，同时也为减轻重量和提高抗热能力大量使用钛合金和其他轻合金和复合__材料并做了特殊的结构处理。在M-12（SR-71改运载机）高速投放D-21无人机的一次事故中，D-21碰上了母机，导致飞机解体，这说明了在如此高速下任何飞行状态的突然改变都会对机体造成很大的损害。在M2.0以上有机动能力（5g过载）要求的战斗机机体强度就必须要足够强，相近性能的MIG-25主要结构是钢。SR-71强调的是M3的巡航能力，它是唯一可以在2小时内横跨大西洋的飞机（创造了从纽约到伦敦飞行时间为1小时54分的速度记录），可以更快、更安全的进行侦察取得敌人防区的状况以指导后9面攻击部队的行动。从其众多任务完成效果来看，无一被击落，这是一种很成功的飞机。♦MiG-31截击机前苏联设计的MiG-31采用两台D-30F6发动机，单台静推力93千牛，加力推力152千牛。MiG-31是MiG-25的后继机，机体近一半采用合金钢结构以保证超音速状态下能做5g的机动动作。根据俄官方资料MiG-31在发动机开小加力状态下可以带弹用M2.35巡航，但这并不属于真正的超音速巡航。MiG-31实用升限超过20000米，而目前在此高度上能与之单机对抗的战斗机寥寥无几。一是因为发动机包线高度不够，一是机载导弹的升限也基本是20000米。因此，对于防空力量不是很强的国家，MiG-31可以采用高空突防。图3MiG-31MiG-31的主要任务是截击美国入侵的B-52、B-2、超音速战略轰炸机B-1B、巡航导弹；10和作为准预警机使用，其机头安装有直径达1米的无源相控阵雷达，探测距离可达300千米，还可以引导多架其他型号的飞机如SU-27协同作战。其主要部署在地形开阔而防卫力量分散的远东地区。4机协同可以起到一架E-3预警机的作用，加上其杰出的高空能力和超音速持续飞行能力，这样解决了国土面积大而防卫力量有限的问题。♦EF2000“台风”战斗机EF2000是一种“三代半”战斗机，其发动机EJ200推重比为10一级，EJ200有种特殊工作状态设置：称为“war”状态，在此状态下发动机静推力可以增加15%，既静推力由原来的60千牛增加到69千牛，从而实现不开加力的超音速巡航，Eurojet声称EF2000在典型空-空武器配置/11000米高度的情况下，不开加力可以用M1.2左右的速度巡航，但是同时也说明了此状态会缩短发动机寿命，可见不是一种正常的工作状态。也11许只有在EJ200发动机的推力改进计划完成后我们才能看到其真正意义上的超音速巡航。F-22采用正常布局，双发（两台“普-惠”F-119涡扇发动机，单台静推力90千牛，加力推力155千牛）双垂尾、梯形机翼和平尾，垂尾外倾29度，带有可上下偏转的矢量尾喷管。←图5F-22在F-22的设计中，超音速巡航已经不是简单的一种独立性能了，而变得与隐身能力、高机动性等紧密结合。F-22采用隐身外形设计，重点降低前方和侧面的雷达反射截面积，采用“CARET”进气道，机翼、平尾前后缘平行，垂尾挡住了发动机尾喷口的侧面红外辐射，武器内置，采用这些外形设计却没有降低多少飞行性能。其前向雷达反射截面相当于一个玻璃球大小，为F-15C的1/100，后向雷达反射截面略大，但是设计者认为当从后向12发现F-22时，此时F-22已经突破敌人的防线并且在高速远离，尾追的敌人难以进行有效拦截，就没有刻意追求隐身效果而降低飞行性能，所以F-22的隐身性能比F-117A和B-2要差。F-22在典型空战配置下能以大于M1.5