解析超高温系统对于我国高超音速飞行器的意义

红月亮

原作者：鼎盛 拦阻着舰

资料图：高超音速飞行器，让传统的雷达预警体系形同虚设，只不过启动摩擦热于防御方而言将是克敌之法的突破点

我国在高超音速领域的基础配套建设

　　日前，中国航天科技集团公司五院总环部在空间环境模拟容器内真空冷黑环境下，利用自研超高温模拟系统成功将试验件加热至1850℃，实现了航天器真空热试验超高温模拟技术方面的重大突破。这一试验技术的突破，将开拓高超音速飞行器地面高温高热流模拟试验的技术途径，为高超音速飞行器的研制试验提供技术支持。特别是随着我国在深空探测、高超声速飞行器等领域的快速发展，对飞行器及其部件需要结合太空环境或高空低气压环境进行的超高温地面考核试验有着明确的需求。

　　当然在超音速飞行器领域，除了超高温模拟系统，另一更为“底层”基础的地面模拟系统就是风洞。在这方面，通过2012年6月《科技日报》的一篇报道我们可以管窥一斑。该报在报道我国钱学森工程科学实验基地时称，我国在北京市怀柔区建设了复现2540千米高空的高超音速飞行条件的大型风洞。世界同类型中的最大风洞，可以模拟5马赫至9马赫之间的飞行条件，温度可达3 000℃左右。高超音速发动机需要的实验时间至少需要60-70毫秒，该风洞已经能做到100毫秒，而国外的相关风洞大约只有30毫秒。该风洞喷管直径和实验舱直径都明显优于国外同类风洞。此外，该实验基地还建有高超实验室、超燃实验室、燃烧实验室、等离子实验室等。这些与高超音速飞行器领域配套的基础设施的建设，表明着我国早已紧盯高精尖技术前沿，致力于高超音速飞行器的研究。那么，近年来在此领域以WU-14、“神龙”为代表的高超音速的试射实属自然。

X-43的高温风洞测试

红月亮

热防护技术及材料选是高超音速飞行的基础

　　当飞行器以高超音速在大气中飞行时，气动加热严重。当飞行速度达到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。因此设计合适的热载荷管理系统成为必须。此前的太空“穿梭”航天器，航天飞机的热效应主要是集中在升空和再入阶段，时间相对有限，在热防护上是以隔离为主，机体材料可选余地较大。但高超音速飞行器在大气层内长时间飞行，摩擦热集中在机体的前端和翼面前缘，气动加热持续时间远比航天器要长，若没有有效的温度控制手段将无法保证结构安全，也无法保证机体内部设备的工作环境。对于热防护首先就是材料的选择，选用长寿命、耐高温、抗腐蚀、高强度、低密度的轻质材料。目前研制的和可能采用的新材料主要有轻金属材料、金属基复合材料、聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料、碳-碳复合材料等。

　　只不过高超音速飞行器，与空气的摩擦热量实在是太大，对飞行器的材料与结构的选择实在是巨大难题。机体材料很可能因温度的飙升发生着膨胀形变，加之机体内不同材料的膨胀系数不同，形变程度又有着差别。这细微的形变随之可能引发高速飞行的飞行器的气动控制的改变、机体的振动乃至解体。目前在美国多数高超音速飞行器的头部多采用钨基材料，但这种较高价值的金属材料，随之引发的就是成本的居高不下，对于未来的武器化、大范围的装备又会是不小的障碍。对于层出不穷的复合材料，在新材料的设计与加工都还有这加工难度的问题，就像在美国“猎鹰”的试验计划中多次推迟的原因就有碳基壳体材料出现了剥离问题，研制人员不得不改进工艺来使材料更易制造和性能稳定。

　　在基础材料之外，高超音速飞行器还必须在飞行器的总体设计和结构设计中考虑热防护因素，采用主动降温技术措施。比如，在X-51A上，不仅有着结构热防护措施，又将燃料作为结构散热的载体，在热交换器内流动后带走发动机的热量承担发动机散热的作用。在高温段吸热后的燃料裂解成低分子产物，循环到超燃冲压发动机动力系统后更适合工作要求。消耗，利用燃料循环系统作为外壳持续降温的手段。正是隔热层、耐热结构材料，降低热流，减少热应力、热传送和热冷却等多项措施的全面综合采用，才有热防护问题的解决可能，才有飞行器向高超音速的冲刺。

高超音速飞行器的头锥部位升温明显

高超音速飞行器的气动摩擦升温

红月亮

高超音速飞行器的摩擦热是防御方的克敌之法

　　高超音速飞行器的摩擦热，于“进攻方”而言的热防护问题外，但对于“防御方”而言这却是可以加以利用的软肋。高超音速飞行器的武器化，将使得传统的地面防空雷达和预警机的探测预警时间极大的被压缩，从对普通高空飞机的约半小时压缩到不超过1分钟。传统的防空预警网络在高超音速武器面前基本属于形同虚设。高超音速飞行器的红外信号特征却是在随着速度的增高显著增加，这就将会过早的暴露其飞行航迹。2~3马赫的超音速飞行器的雷达散射截面就通常为亚音速方案的10倍以上，在3-5微米的短波长红外区内，其红外信号特征通常为亚音速方案的20-50倍。那么红外预警这一在弹道导弹防御系统中已经实用化的预警手段，是可以轻易发现高超音速飞行器的。

　　对于高超声速飞行器而言，由于在高层大气中飞行时，与空气剧烈摩擦，会产生大量的热量，导致机体温度急剧升高，当速度超过10马赫时，表面最高温度可达2 400℃以上，整个高超声速飞行器都将处于红热状态下，会释放出剧烈的近红外辐射，这使得高超声速飞行器极易被红外传感器发现。以美国目前用于弹道导弹防御的红外预警卫星为例，采用了快速扫描+凝视确认的工作原理。平时值守用线型红外传感器进行大面积扫描，以取得较高的普查速度，而发现有异常信号时，则调用凝视型热成像仪进行精确分辨，这不但可以发现弹道导弹发射，也能发现高超声速飞行器。

　　只不过，较于弹道导弹的发射，高超声速飞行器的红外信号发射波段较窄，信号相对较弱，必须进一步改善和提高红外预警卫星的探测能力才能做到更好的预警。同时，为提高探测准确率减少虚警，可在红外预警卫星上增加紫外探测器。这是因为高超声速飞行器的巡航温度足以产生稳定的紫外辐射，即使经过大气臭氧层的吸收衰减，仍是可以探测的，这样可以更加有效的对高超声速飞行器进行预警。只不过红外预警卫星也有其不足之处，就是无法提供目标的三维坐标，仍需其他探测手段进行跟踪测量，才能对目标进行精确定位，才能保证快速反应能力，赢得必要的防御作战反应时间。(作者署名：鼎盛 拦阻着舰)

　　美国《华盛顿自由灯塔报》1月13日报道，美国国防部表示，中国军方在上周完成了针对突破美国弹道导弹防御系统的首次超高速导弹弹头载具测试。此次测试的时间为1月9日，使用的是被美国军方代号为WU-14的高超音速滑翔载具。