中美高超音速飞机领域的较量,我国已从望尘莫及到暂时领先

前言

目前,同处尖端军事科技前沿的第一梯队的是中美两国,之所以有如此论断,一个重要依据就是二者在高超音速飞机领域展开的激烈竞争。高超音速飞机是指飞行速度大于5倍音速,即5马赫的飞机。但另一种说法是,5马赫是对导弹而言的,对飞机来说,达到3马赫已经算得上是高超音速了,这更合理一些,毕竟飞机的重量、尺寸和阻力普遍大于导弹。但即使如此,高超音速飞机的研制难度仍然要比高超音速导弹大得多,目前只有中美两国(米格25是苏联研制的)有实用型号面世。

我国高超音速飞机的早期探索——三号任务机

早在1959年,洛克希德公司就为美国中央情报局研制了A-12高速侦察机,代号“牛车”,其速度高达3.29马赫,于1962年率先服役。而SR71,即著名的“黑鸟”高超音速侦察机就是由A-12按比例放大演化而来的双座型号,1966年“黑鸟”开始装备。它可在24000米的高度侦察飞行,最大飞行速度可达3.2马赫,更重要的是,得益于超前的J58涡喷-冲压变循环发动机,“黑鸟”可用3马赫的速度持续飞行。正因为如此,“黑鸟”在执行实际侦察任务时没有被击落的记录。

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除了A-12和“黑鸟”,北美航空公司还研制了另一款高超音速飞机,那就是XB70“女武神”,它于1964年9月首飞。虽然“女武神”像米格25一样装备的是常规的涡轮喷气发动机,却采用了超前的“乘波体”气动设计。同样的,“女武神”的机体材料也跟米格25一样是不锈钢,但为了减重却用了蜂窝夹层结构,这种“投机取巧”的做法导致飞机强度不足,再加上随着雷达导弹技术的发展,即使以3马赫进行高空突防也不再安全,而“女武神”的超薄三角翼又让它不适合低空突防,最终不得不黯然下马。

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XB70“女武神”高超音速飞机

为对付“黑鸟”和苏联专为侦察中国核试验改装的米格25RR,我国于1968年开始研发三号任务机,它采用了比米格25更轻且阻力更小的无尾三角翼布局,外倾双垂尾和双腹鳍可确保高速飞行时的方向安定性,动力装置为两台911涡扇发动机,其设计指标达到了“双三”标准,即最大飞行速度3马赫,升限30000米。

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昙花一现的三号任务机

但仅仅过了不到两年,三号任务机的研发便于1970年基本停止了,原因也很简单,就是“双三”指标完全脱离了我国当时的航空技术水平和经济承受能力,别的不说,单是材料就就远远无法满足要求,结果就是少一对平尾的三号任务机达到了48吨的最大起飞重量,不仅远超米格25,也超过了后来的米格31,对三号任务机的研制根本不具备现实可行性,后来指标降为“双2.6”的歼9都被迫下马就充分证明了这一点,可以说当时我国在高超音速飞机领域对美国是望尘莫及的。但通过三号任务机的研发,我国对3马赫飞行器的气动性能进行了早期探索,特别是对类似米格25的二元斜切式进气道进行了充分研究。

关键时刻,美军送的“大礼”D-21从天而降

在当时基础薄弱而又引进无门的情况下,我国要在短期内研制成功高超音速飞机可以说根本无望,更不要说在这个领域同美国竞争了。但就在此时,美军送的一件“大礼”悄然而至,1971年3月20日,一架神秘飞机因故障坠入西双版纳森林,很快就被我军缴获。由于热带雨林的缓冲作用,飞机保存相对完好,事后证明,这架编号527的飞行器竟是美国冷战时期高度保密的高空高速无人侦察机D-21,对我国来说可是价值极高的战利品。D-21于1964年首飞,1969年装备部队,但在1971年就匆匆退役,与在其我国上空失踪有很大关系。

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在小汤山博物馆展示的D-21无人机残骸

D-21全长约12.8米,翼展5.79米,高2.14米,起飞重量约5吨,虽然与“黑鸟”一样采用三角翼布局,但翼身融合程度更高,也没有采用“黑鸟”复杂笨重的变循环发动机,仅装备一台RJ43-MA-20S4冲压发动机,因此,当时D-21创造了3.2倍音速、2.9万米升限的无人机最高飞行纪录。另外,D-21还大量应用了A-12/SR-71的现成技术,全机采用钛合金制造,还喷有当时罕见的“铁球漆”隐身涂层,该涂层拥有悬浮在环氧涂料中的、特定尺寸的电绝缘羰基铁球,能形成特定磁场,可吸收一部分雷达波能量,以达到减小飞机雷达反射信号的目的。

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D21高超音速侦察机

需要强调的是,仅装备一台冲压发动机的D-21在低速下无法工作,得依靠母机挂载,达到一定速度后投射。至于D-21的母机,先是由A-12发展而来的M-21充当,但因为M-21必须在高速飞行时才能进行投射,还涉及D-21尾喷口和进气口整流罩的分离,但在高速下完成这样的动作是非常困难而危险的。后来改由B52投射,但因母机速度太低,D-21不得不加装了长达13.5米,重达6吨的助推火箭。

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外挂两架D-21的B52轰炸机

通过坠落后保存比较完整的D-21,我国对其冲压发动机、钛合金耐高温材料、“铁球漆”隐身涂层、JP7耐高温燃油都展开了深入研究,它们在当时无一不是世界顶级的“黑科技”,更重要的是,得到它们的是学习能力超强的中国人。

无侦8的跨代反超

进入21世纪以来,随着卫星侦察技术的发展,传统侦察机的很多功能得以被取代,但侦察卫星缺乏对目标的连续监视能力,尤其欠缺对时间敏感目标的大范围快速连续定位能力,且轨道相对固定,容易遭到反卫星武器的打击,因此,高速侦察机还是大有用武之地的。

但此时“双三”的指标已经不够了,很多防空导弹和空空导弹已经达到了6马赫的速度,它们完全有能力击落“黑鸟”之类的传统高速侦察机,高超音速飞机只有达到5马赫以上的速度才能恢复以往的优势,但研制难度也有了数量级的增加,因为速度超过5马赫后,飞行器的实际气动特性颠覆了人类的传统气动飞行理论,呈现出全新的特性。高超音速侦察机之所以在“黑鸟”和米格25退役之后陷入沉寂,并不是被卫星取代了,而是因为它们的发展遭遇了瓶颈。

此时,我国后来居上,一鸣惊人,率先打破了这个沉寂,在国庆70周年大阅兵中推出了无侦8,它采用与D-21类似的大后掠无尾三角翼,长11.5米,高2.2米,宽6.7米,通过两台液体火箭发动机,其速度可以达到5-6马赫,最大飞行高度可以达到50000米的临近空间,已经远远超过了上一代的“黑鸟”和D-21,当代没有任何防空武器可以对它构成威胁,即使侦察美国本土,也将如入无人之境。

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无侦8高超音速无人机

无侦8最大的创新就是采用了液体火箭发动机。超5马赫高超音速飞机之所以长期无法实用化,主要的瓶颈就出在超燃冲压发动机上,超音速燃烧状态下,无论燃料还是进气的控制调节难度都超高。曾被吹得神乎其神的“曙光女神”高超音速侦察机,用的就是超燃冲压发动机,据称速度超过6马赫,但从美国高超音速飞行器放弃超燃冲压发动机转向助推滑翔路线,已经从侧面证明了“曙光女神”的失败。

有鉴于此,我国另辟蹊径,走了液体火箭发动机路线,通过精确控制推力和多次交替点火,无侦8可实现连续助推滑翔飞行。采用液体火箭也使无侦8省去了助推发动机,以致无侦8的尺寸比D-21的助推火箭还小,可由轰6挂载。还规避了结构复杂、控制难度大的进气道,提高了整个系统的可靠性,机动性也不再受进气效率的约束,使无侦8获得了堪比东风17的横向机动距离。

无侦8解决的另一个大问题气动加热。三倍音速时,空气在飞行器上的驻点温度理论上可达335℃,发动机尾喷管周围区域的温度更是高达510度,而当航速达到6马赫以上时,飞行器表面温度将达到500至1000摄氏度,而钛合金只能在550℃以下工作,得用耐更高温度的碳纤维复合材料,此外还需要比JP7冷却效率更高的燃料为飞机降温。

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公开展示的无侦8头锥

且与一次性使用的D-21不同,无侦8设有起落架,表明它是一种可重复使用的高超音速无人侦察机,完成任务后可在机场降落,这就为进化为一种无人高超音速轰炸机提供了可行性,这种轰炸机能够解决轰20可能存在的造价高昂,产量稀少的问题,且其速度和升限也是前者难以企及的。

反观此时的美国,其高超音速飞机的研发很大程度上已经失去了冷战时期尊重科学,勇于开拓创新的精神支持,且缺乏总体规划,各部门和各军种蜂拥而上,光是叫就得上名字的高超音速项目就有10种之多,关键指标又定得过高,动不动就十几马赫,还没学会走就想跑,看上去百花齐放,实际却是“低水平重复建设”,至今还是没有任何一款超高音速飞行器装备服役,这就给了我国后来居上的反超机会。

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繁杂的美国高超音速项目

结语

总之,经过长期的不懈努力和持续投入,我国高超音速飞机终于实现了逆袭,率先推出了速度5马赫以上的实用型号无侦8,且可重复使用的无侦8还是一种非常理想的试验平台,其关键技术的验证效果非美国的半拉子平台可比。但也要看到,我国只是暂时在应用领域取得领先地位,而在基础科研方面仍与美国有不小差距,毕竟后者研发过A-12、黑鸟这样的实用型号,以及X43A、X51等诸多验证型号,技术储备非常雄厚。但好在我国已经站到了一个非常理想的起点上,希望再接再厉,创造新的辉煌。