去年十一国庆假日期间,中央电视台在喜迎十九大的节目中,首次介绍了中国从未对外公开过的,既便美俄也眼馋不以的杀手锏技术,JF12激波风洞。JF12激波风洞是我国首个具有独立自主知识产权,并在性能上达到世界领先的高超声速风洞,央视对其的报道自然令国人欣喜不已。但有心的观众会注意到,在央视拍摄的高超声速风洞画面中,出现了数款正在高超声速风洞中试验的高超音速飞行器。
高超音速飞行器,就是能以超过5倍音速飞行的飞行器,未来由其发展出的高超音速武器,被人们认为将和电磁武器、激光武器一同引领新一次武器革命,重要性比制造更多的核武器重要一万倍,所以各国都在加大此领域的研发投入。可以说,目前世界正处在一场危险的高超音速武器军备竞赛的风口浪尖上,谁能首先掌握高超音速武器,谁就能在未来掌握战争的主动权。但既然高超音速武器是一种能引领变革的武器,研制难度自然可想而知。
高超音速武器飞行速度超过5马赫,这速度是现代导弹类武器的6到25倍,如果能研发出一款由战机携带的高超音速巡航导弹,打击1000公里外的目标只需不到10分钟,将使敌人防不胜防,但要让导弹加速到如此高度的飞行速度,所需的动能十分可观。现今能远距离打击敌人目标的巡航导弹,所使用的涡轮发动机速度上限在超音速3倍左右,这是因为飞行器的速度越快,发动机的推力就必须越大,为了提供更多的氧气与燃料混合燃烧,空气的压缩率就必须足够大。这时,涡轮发动机就需要更多更大的压气机,这必然导致自身重量大幅增加。增加的推力又被额外的重量消耗,甚至得不偿失,这也是涡轮发动机难以逾越3倍音速的关键,即便唯一的特例,美军SR-71黑鸟的发动机,其实也是一台冲压和涡喷的混合体发动机。
既然涡轮发动机无法实现将飞行器加速到超过5倍音速,那就必须引入颠覆性的新技术发动机。目前,各国大力研发的,也是最有希望成功的就是超声速燃烧冲压发动机,简称为超燃冲压发动机。所谓冲压,就是利用飞行器飞行时的迎面气流的压力,使其进入发动机后自然压缩。而超燃冲压就是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机,也就是说,燃料必须在高于声速的气流中与气流混合并完成燃烧,即所谓超声速燃烧。
但要实现将超音速的空气,在通过发动机几毫秒的时间内,完成压缩,并使燃料与空气迅速、均匀、稳定、高效地混合、点火并燃烧,技术上十分困难,这也是困扰高超音速飞行器实用化的主要原因之一。
而影响高超音速飞行器实用化的另一个主要因素,就是飞行器本身。当飞行器以高超音速在大气中飞行时,飞行器与空气的摩擦热量十分巨大,当飞行器速度达到8马赫时,飞行器的头锥部位温度可达1800℃,其它部位的温度也将在600℃以上,如果飞行器速度超过10马赫,表面最高温度可达2 400℃以上。这对飞行器的材料与结构的选择造成了巨大的困难。飞行器表面材料很可能因温度的飙升发生膨胀形变,加之飞行器表内部不同材料的膨胀系数不同,形变程度又有所差别。这些形变随之可能引发高超音速飞行器气动控制的改变、机体的振动乃至解体。
如今央视报道的JF12激波风洞,解决的就是高超音速飞行器结构以及材料的问题,JF12激波风洞长达265米,由其制造的风速最大可达9马赫,温度达3000摄氏度左右,也就是说JF12可模拟25至40公里高空、5到9倍高超音速下的飞行条件,并且,JF12风洞的喷管直径可达2.5米,实验舱直径3.5米,JF12的这些数据远超美国现今使用中的激波风洞,更是将没有激波风洞的俄罗斯远远在了身后,这同样意味着中国可以利用JF12对直径3.5米内的高超音速武器,进行全尺寸测试,这将在未来让中国的高超音速飞行器发展,获得领先美俄的优势。
而在现如今的高超音速飞行器研发领域,美国虽然几经失败,但也取得了X-43A 9.7马赫的世界最快飞行器记录,以及X-51A持续300秒,飞行425公里的最长时间记录。而俄罗斯虽然推出了锆石高超音速导弹,但考虑到俄国糟糕的经济,可怜的经费开支,高超音速武器高额的研发成本,以及一向做PPT武器的惯例,人们很怀疑现在的锆石就是个模型。而我国JF12激波风洞已经建成,高超音速飞行器的模型已经出现在央视画面中,加上我国对外公布的武器总是落后一代的优良传统,以及对王振国等高超声速推进技术领域专家,在超燃冲压发动机及其地面试验、飞行试验技术等方面进行了开拓性研究,实现了技术水平的跨越的报道,可以看出中国即便仍然落后美国,但亦不远矣,只要撸起袖子加油干,平起平坐就在眼前。(每日点兵)