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日志

 
 

扶桑妖刀-浅析日本高超声速飞行器技术   

2014-01-19 16:02:54|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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   扶桑妖刀-浅析日本高超声速飞行器技术 - 小飞猪 - 小飞猪的博客

 日本HOPE-X轨道飞机,标志着日本高超声飞行器项目的起步

   前不久,我国完成了高超音速飞行器试射,引起海内外的关注,甚至有人声称它是专为对付美国的反导系统而研制,海外媒体会根据自己的需要夸大或者贬低我国武器装备的发展,对此我们应有清楚的认识。

   实际上高超声速飞行器是新世纪航空技术发展的趋势和方向,各国都在发展,包括我们的邻国-日本,并且取得了较大的进展,对于取得的成绩,我们庆贺的同时,也需要保持清楚的头脑。

     日本高超声速飞行器及重复使用航天飞行器技术始于上世纪80年代,当时日本经过高速长展,经济技术实力雄厚,所以拟订了庞大的计划,它包括航天飞机、新一代超音速运输机计划、新型发动机、材料及导航系统、技术研究设施等,计划在新世纪完成新一代高超声速飞行器和可重量使用的轨道飞机,同时实现单级或者二级入轨的目标。

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 日本通过HYFLEX对高超声飞行器进行了初步的验证


     1986年日本正式开展轨道飞机项目(HOPE),该计划最初被用来向国际空间站日本舱运送货物,日本希望它能够象航天飞机那样,由运载火箭发射,然后在普通跑道上水平着陆,通过这个项目,日本希望能够掌握返回式飞行器、热防护系统及材料技术,1994年,日本进行了首次轨道再入试验,掌握了返回式飞行器空气动力、热防护方面的知识,此后日本又进行了高超声速飞行项目验证,1996年,利用运载火箭将验证飞行器发射到100公里高空,然后成功分离,飞行器实现了10倍音速的速度,此次飞行,飞行器安装了导航系统,机体表面也采用了新的防护材料,进一步对高超声速地进行探索和验证。此后日本又先后进行了高速飞行、自动着陆等方面的测试,为未来发展空天飞行器打下了坚实的基础。

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日本ATREX-500发动机正在地面试车

 

在新型高超声速飞行器动力系统方面,日本从1986年开始空气涡轮冲压发动机ATREX,是一种空气涡轮火箭发动机将喷气式涡轮发动机和冲压发动机串列或并联在一起,在马赫0~2.52.5~5时分别由喷气式涡轮发动机和冲压发动机提供推力,在整个飞行包线内具有比冲高的优势。与涡轮冲压发动机简单的在流路上耦合两个发动机不同,ATR有机融合了火箭发动机、涡轮发动机和冲压发动机的循环特点,从地面到临近空间具有均衡的综合性能。

ATR的基本工作原理是:涡轮驱动压气机压缩从进气道吸入的空气,涡轮中的工质为燃气发生器产生的高温、高压富燃燃气,富燃燃气驱动涡轮做功后与压缩空气掺混在冲压燃烧室内燃烧,产生的高温燃气经尾喷管排出产生推力。ATR采用的燃气发生器有助于提高单位推力,吸气式的涡轮基有助于提高比冲,压气机助力的冲压燃烧室使飞行器具备了水平起飞能力。ATR使用的燃料与火箭发动机类似,可以分为固体或液体燃料,固体燃料便于快速反应、液体燃料航程较远。碳氢燃料ATR的推重比可达12~20,比冲为800~1200s,处于火箭发动机和涡轮发动机之间,因此有效的填补了这两个发动机之间的性能空白。

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日本设想的两级入轨飞行器

 

按照日本方面的计划,ATREX将被安装在高超声速发动机,作为单级入轨飞行器的载机,同时也可以做为新一代高超声速飞行器的动力系统,ATREX的计划参数是推力190千牛,宽1.5米,高1.5米,长20米,重量为5吨,最大飞行速度可以达到6马赫,从这个指标来看,ATREX应该是一种超燃冲压发动机,因为一般亚燃冲压发动机的工作速度被局限在4马赫以内。所谓超燃冲压发动机,超燃冲压发动机是指气流不经过减速。,直接进入燃料室进行燃烧,这样发动机可能得到较大的速度,一般认为在采用碳氢燃料时,超燃冲压发动机的飞行M数在8以下,当使用液氢燃料时,其飞行M数可达到6~25,它具备具有结构简单、重量轻、成本低、比冲高和速度快的优点,因此超燃冲压发动机飞行器具有效载荷大、速度快、航程远等优点,适用于高超声速巡航导弹、高超声速航空器、跨大气层飞行器、可重复使用的空间发射器和单级入轨空天飞机的动力。由于有重要的军事和航空航天应用前景。根据相关资料,ATREX将会是日本未来高超声速飞行器的动力系统,它将搭载新一代HOPE-X,利用涡轮发动机让整个联合体从普通跑道起飞,爬升到预定的高度,然后加速到冲压发动机的工作速度,由后者进一步将联合体的高度和速度增加,然后HOPE-X的发动机工作,将其送入预定轨道。不过它的缺点就是在静止状态下不能自行启动,须用助推方法将其推进到一定速度后才能有效工作,且其低速性能不好。需要与其他动力系统组成联合动力系统才能满足飞行器全包线范围内的使用要求。

 1988JAXA开始研制ATREX发动机的缩小验证机-ATREX-500,它的推力只有5千牛左右,到本世纪初,ATREX-500共进行了67次,时间大约55分钟的地面试车,对整机及各个部件的系统进行验证,通过模拟实际使用环境,确认了发动机的可行性,为此在新世纪。ATREX发动机转入飞行验证,它利用气球将发动机升入高空,然后发动机下落,利用重力加速创造出高超声速环境。

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 RJTF是日本高超声飞行技术重要的实验设施


为了支持新一代动力系统的研制,1989年,日本宇宙技术推进中心-JAXA决定建造新一代高超声速发动机测试系统-RJTF,这个系统可以模拟8马赫、35公里高空等条件下的飞行状态,可以为相关发动机提供较为真实的工作环境,可以较好的支持新一代发动机的研制,1993RJTF投入使用以后,先后进行了多次新型发动机的试验工作,尤其在2002JAXA利用RJTF首次取得超燃冲压发动机的有效推力,然后在2003年,又在8马赫条件下,取得当时世界最高的等效推力。标志着日本在高超声发动机研制方面取得了长足的进步。在建造RJTF的同时,日本还设计、建造了大型高超声速风洞-HIEST,它可以模拟再入飞行器超燃冲压发动机的再入特点,并且在此风洞中进行了大量的试验,通过这些试验设施的建造,有力的增强了日本研制新一代发动机的能力。

尽管通过一系列的科研技术,日本在高超声速飞行领域取得了一定的成绩,但是高超声速飞行要比现在的常规飞行困难的多,另外相关发动机还没有取得较为明显的突破,加上90年代以后,日本经济逐渐处于停滞状态,科研投入降低,已经无法承担如此庞大的项目成本,加上美国几型空天飞行器都因为未能解决相关技术难关而下马,而经济技术实力逊于美国的日本短时期内能够解决这些问题的可能性并不大,所以最终日本决定调整原来的计划,2001年日本停止了HOPE-X项目,按照原计划,HOPE-X将在2001年开始制造,2004年进行首次发射,这是因为日本已经意识到依靠日本自己的经济技术实力完成这样的项目已经力不从心,所以日本希望更多的把自己高超声速计划纳入国际化的项目之中,加强与国外的技术合作,同时继续在国内进行相关系统的研制和验证,做到优势互补,同时降低项目的投入和成本,更加稳妥的推进整个计划的进行。

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 日本参与的HYSHOT项目,它是是第一个成功地实现净推力的超燃冲压发动机


前面说过,日本非常重视用于高超音速飞行动力系统的发展,特别是对超燃冲压发动机投入了较大的技术力量,并且取得了一定的进展,但是距离实用还是有较大的差距,1999年日本参加了HYSHOT项目,这是由澳大利亚牵头,英国、德国、韩国和日本共同参与,研究内容就是氢燃料超燃冲压发动机。该项目把装备有超燃冲压发动机的火箭发射到距地面350公里的太空,当再入大气层后,在30公里高度火箭降落速度可以达到8马赫,此时启动超燃冲压发动机,测试发动机的相关性能参数,包括燃料室在实际飞行之中压力、温度分布等数据,以验证长期地面试验所得到的相关数据。在此基础上日本希望能够研制更高马赫数的超燃冲压发动机,做为未来高超声速飞行器的动力系统。

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 日本NEXST-1超声速试验机

 由于高超声速飞行器的复杂性和困难性,目前日本已经把重点放在大气层内飞行器上面,这就是所谓的超声速运输飞机项目,它的目标是研制下一代超声速、静音客机,为此日本研制了NEXST-1NEXST-2超声速试验机,前者是火箭助推无动力滑翔飞行器,用于测试下一代超声飞机的气动、导航等系统,NEXST-2是双发无人驾驶小型验证机,用来验证进气道设计、主翼复合材料等,在此基础上日本还开开展了静音超声速飞行技术的开发验证工作。作为未来超声声飞机的动力系统,日本也开展新一代动力系统的研究工作,它以上世纪80年代开展的超声速动力系统为基础-HYPR,这是一种变循环涡扇发动机加亚燃冲压发动机构成的组合动力系统,难度小于超燃冲压发动机,但是相应的速度也要小于后者。日本希望通过这些项目能够掌握大气层内高超声飞行器所需要的技术,并最终为研制高超声速飞行器积累经验,打好基础。

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 日本未来超声速飞机想像图


从现在来看,日本在高超声速飞行领域起步较早,投入较大,也取得相当大的成果,特别是通过一系列技术研究计划和项目,建设起来了一定的基础设施,并且对高超声速飞行器的气动布局、结构、导航系统、材料进行了相当程度的研究和验证,尤其是在超燃冲压发动机方面取得了较大的进展,这些都为将来发展高超声速飞行器打下了坚实的基础。未来日本高超声速飞行器发展方向可能还是大气层内高超声飞行器、单级/二级入轨飞行器、可重复使用航天系统等。

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日本超声速飞机发展路线图

 

对于日本在高超声速飞行器领域取得的进展,我们需要认真的对待,并保持足够的警惕,高超声速飞行器的军民用途比较模糊,象超燃冲压发动机既可用于超声速运输机,也可以用于超声速轰炸机、导弹,并且高超声速飞行器速度快、航迹变化大,难以防范,威力极大,防御非常困难,因此从未雨绸缪角度出发,密切注视日本在相关领域的发展,找出对应之策,是我们未来需要做的工作之一。

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高超声速飞机军民界限模糊,既可以是运输机,也可以是侦察机、轰炸机


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注:

参考资料:

1、盘点日本高超声速飞行计划

2、超声速飞机开发设想 JAXA

3、世界飞机手册

4、本文配图来源于网上,权利归原作者所有

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