[科普中國]-超音速巡航

發(fā)展歷史閃電戰(zhàn)斗機

1943年，英國電氣設(shè)計了一種戰(zhàn)斗機，該戰(zhàn)斗機嚴(yán)格按面積律設(shè)計，采用內(nèi)切式機翼，兩臺發(fā)動機上下布置，外形很奇特，命名為閃電戰(zhàn)斗機。1954年8月11日，搭配兩臺“藍寶石”發(fā)動機的閃電戰(zhàn)斗機原型機P1.0試飛，在不開后燃器的狀態(tài)下，速度超過了M1.0。這是最早的不開后燃器的超音速飛行記錄。

不過，由于閃電戰(zhàn)斗機試飛時沒有作戰(zhàn)載荷，而且在增加了作戰(zhàn)載荷和腹部保性形油箱后，便不再具有這樣的能力，加上M1.0處于阻力發(fā)散區(qū)，因此，它不能算是一種具有實際意義上的超音速巡航飛機。閃電戰(zhàn)斗機是英國60年代的主力戰(zhàn)機，后來因為政治因素和自身原因，被F-4和“狂風(fēng)”戰(zhàn)斗機替代。1

SR-71偵察機SR-71偵察機美國洛克希德公司的臭鼬工廠研制生產(chǎn)的噴氣式三倍音速長程高空高速戰(zhàn)略偵察機，配備兩臺 “普-惠”J-58軸流式變循環(huán)發(fā)動機，單臺加力推力為14.7噸，飛機正常起飛重量大于 50噸。SR-71能在26000米以上的高空用M3.0巡航，在其高空執(zhí)行任務(wù)期間沒有任何戰(zhàn)斗機對其進行過有效攔截，也沒有導(dǎo)彈將其擊落。SR-71的這種能力目前在世界上是獨一無二的，這主要是得益于它優(yōu)秀的氣動外形設(shè)計和獨特的變循環(huán)發(fā)動機與進氣道-尾噴口的綜合設(shè)計。

SR-71的主要任務(wù)是高空偵察，必須以3馬赫的速度巡航才能擺脫所有攔截飛機和導(dǎo)彈，所以其設(shè)計理念與戰(zhàn)斗機不同。SR-71是通過大幅降低亞音速機動能力和起降性能來提高它的高空高速性能的。同時，為了減輕重量和提高抗熱能力，SR-71大量使用復(fù)合材料和鈦合金等輕合金，并做了特殊的結(jié)構(gòu)處理。

SR-71強調(diào)的是M3.0的巡航能力，它是唯一可以在2小時內(nèi)橫跨大西洋的飛機，創(chuàng)造了從紐約到倫敦飛行時間為1小時54分的速度記錄,，能更快、更安全的進行偵察并取得敵人防區(qū)的信息，指導(dǎo)后續(xù)攻擊部隊的行動。從SR-71的任務(wù)完成效果來看，無一被擊落，說明這是一種很成功的飛機。2

米格-31戰(zhàn)斗機米格-31是由前蘇聯(lián)米高揚設(shè)計局設(shè)計的串列雙座全天侯重型截?fù)魬?zhàn)斗機。米格-31是全世界起飛重量最大、飛行速度最快的作戰(zhàn)機型，由米格-25戰(zhàn)斗機發(fā)展而來，因此米格-31氣動外形與米格-25很相近，采用上單翼、雙立尾、兩側(cè)進氣布局。根據(jù)俄羅斯官方資料，米格-31在發(fā)動機開小加力狀態(tài)下可以帶彈用M2.35巡航，但這并不屬于真正的超音速巡航。3

臺風(fēng)戰(zhàn)斗機臺風(fēng)戰(zhàn)斗機是一款由歐洲戰(zhàn)機公司（英、德、意和西班牙4國合作）設(shè)計的雙發(fā)、三角翼、鴨式布局、高機動性的多用途第四代半戰(zhàn)斗機。歐洲戰(zhàn)機公司聲稱臺風(fēng)戰(zhàn)斗機在典型空-空武器配置11000米高度的情況下，不開加力可以用M1.2左右的速度巡航，但是同時也聲明此狀態(tài)會縮短發(fā)動機壽命，不是一種正常的工作狀態(tài)，因此被認(rèn)為是第四代半戰(zhàn)斗機。4

F-22戰(zhàn)斗機F-22戰(zhàn)斗機是由美國洛克希德·馬丁和波音聯(lián)合研制的單座雙發(fā)高隱身性第五代戰(zhàn)斗機。F-22在典型空戰(zhàn)配置下能以大于M1.5的速度巡航，而且，對于F-22來說，超音速巡航已經(jīng)不是簡單的一種獨立性能了，而變得與隱身能力、高機動性等密切相關(guān)。F-22是世界上第一種進入服役的第五代戰(zhàn)斗機。5

實戰(zhàn)意義一般常規(guī)的使用單純渦噴發(fā)動機或者渦扇發(fā)動機的飛機必須要開加力才能達到超音速，而且持續(xù)時間不能太久，一般不超過30分鐘，否則會發(fā)生發(fā)動機過熱導(dǎo)致燒壞發(fā)動機等不利情況，而且此時的耗油量增加1~3倍。而具有超音速巡航能力的飛機，克服了以上不足，作戰(zhàn)性能大幅提高。

更快抵達戰(zhàn)區(qū)普通的戰(zhàn)斗機只能以M0.9左右巡航抵達戰(zhàn)區(qū)，發(fā)生緊急情況時容易失去最佳時機，延誤戰(zhàn)機。而具有超音速巡航能力的飛機，有更高的速度機動性，反應(yīng)能力快，能爭取更多的時間，甚至先發(fā)制人，變被動為主動，快速追擊敵機。對于國土廣袤、領(lǐng)海寬廣的國家，不可能密集地部署軍事基地，這就對軍用飛機的快速到達能力提出了很高的要求，因此超音速巡航的意義更大。

高速擺脫威脅超音速巡航飛機一般具有一定的隱身能力，以超音速M1.5以上巡航時，直接抵達戰(zhàn)區(qū)時間短、不容易被發(fā)現(xiàn)。即使被敵人的雷達發(fā)現(xiàn)了，敵人也只有很短的準(zhǔn)備時間，而在這段時間內(nèi)可能已經(jīng)抵達作戰(zhàn)區(qū)域或者沖出其警戒范圍并遠離，而敵方的防空武器也因為尾追困難，成為強弩之末而失去作用。研究結(jié)果表明，M0.8突防時敵人導(dǎo)彈的瞄準(zhǔn)射擊時間100%，而M1.5突防時則降低為14.3%。

擴大攔截范圍普通戰(zhàn)斗機因受機內(nèi)燃油和巡航速度等限制，即使知道敵方轟炸機和攻擊機已經(jīng)在入侵的途中，也不可能快速地占據(jù)有利的攔截位置，并且現(xiàn)在遠程戰(zhàn)略轟炸機可以在防區(qū)外發(fā)射攻擊武器后安全返航，更使普通戰(zhàn)斗機失去作用。雖然普通戰(zhàn)機在亞音速狀態(tài)下可能比超音速巡航狀態(tài)的飛機具有更大的作戰(zhàn)半徑，但是卻沒有超音速巡航的快速反應(yīng)能力，當(dāng)飛到預(yù)定空域時，敵機可能已經(jīng)完成任務(wù)返航了。而具有超音速巡航能力的戰(zhàn)斗機就可以解決這一難題，通過其快速抵達能力，加上武器初始動能更大，可以在敵機進入目標(biāo)區(qū)域之前，將敵人攔截在其攻擊范圍之外。

擴大武器攻擊范圍戰(zhàn)場上，普通戰(zhàn)斗機大多處于亞音速狀態(tài)下，超音速巡航戰(zhàn)斗機則有更多的攻擊機會，它可以在超音速巡航狀態(tài)下緊急發(fā)射攻擊武器，此時武器的初速度很大，能在更短的時間內(nèi)和更大的范圍內(nèi)攻擊目標(biāo)。

有利于紅外隱身具有超音速巡航的戰(zhàn)斗機不需要開加力，可以減小紅外特征。F-14的紅外探測系統(tǒng)能在140km外發(fā)現(xiàn)開加力的目標(biāo)，而不加力的則只有40~50km的范圍。雖然現(xiàn)在紅外探測技術(shù)在進步，但不開加力的方式依然可以有效地降低紅外特征。6

關(guān)鍵技術(shù)超音速巡航會給飛機設(shè)計和研究帶來一系列技術(shù)難題。首先是飛行阻力問題，飛機在超音速飛行時會產(chǎn)生波阻，使飛機的阻力相對亞音速時成倍增加，而且還會使進氣道附加阻力和總壓損失成倍增長。其次是由于長時間超音速飛行，飛機處于很高的氣動力熱加溫中，使飛機的結(jié)構(gòu)材料性能下降。第三是超音速巡航的動力提供問題，超音速巡航需要小涵道比、大推重比的渦扇發(fā)動機。第四是為提高超音速巡航戰(zhàn)機的綜合作戰(zhàn)效能，飛機應(yīng)該有很高的生存能力和良好的隱身性能，超音速巡航的戰(zhàn)機在借助優(yōu)良操穩(wěn)特性或推力矢量技術(shù)的情況下具有過失速機動能力，在先進的綜合航電配置下，飛機呈現(xiàn)第五代戰(zhàn)機的優(yōu)越性能。

降低波阻的外形設(shè)計超音速巡航的飛機應(yīng)該按照預(yù)定的巡航馬赫數(shù)修形，以取得設(shè)計M數(shù)時最好的全機面積律分布，可以借助先進的計算機輔助設(shè)計軟件進行CFD計算或者風(fēng)洞實驗。未來的飛機還要考慮修改外形以達到雷達隱身目的，要使飛機能比較容易地達到超音速巡航的速度，需要對外形做很細(xì)致的修改，盡量降低飛機的波阻。除此以外，摩擦阻力、形阻等阻力都要盡量減小，應(yīng)該使用更合適的翼型，更小的浸潤面積，避免過多鼓包等修形。超音速巡航狀態(tài)一般是在中、高空，這就需要飛機在中高空飛行時具有良好的阻力特性和良好的升阻比。

隱身技術(shù)未來的戰(zhàn)斗機既有隱身的需求又要有優(yōu)良的氣動性能，而通過修改飛機外形實現(xiàn)雷達隱身和紅外隱身是目前比較常用的手段，但是很難解決隱身外形的同時獲取超音速巡航的氣動特性，最后只能是氣動與隱身這兩者按照作戰(zhàn)需求綜合考慮的結(jié)果。

適合超音速巡航的動力系統(tǒng)首先，發(fā)動機的飛行包線必須要能很好的適應(yīng)設(shè)計的超音速巡航速度。在相同的靜推力要求下，推重比高的發(fā)動機耗油率低，可以提供更多的剩余能量，使超音速巡航變得相對容易實現(xiàn)；并且能保證在超音速巡航狀態(tài)下仍然具有合適的機動能力。因此，超音速巡航應(yīng)盡量采用推重比10級的發(fā)動機。

武器內(nèi)置與發(fā)射武器內(nèi)置不只是隱身的需求，也是超音速巡航降低飛機阻力的要求，否則外掛本身表面積大，亞音速狀態(tài)下摩擦阻力增量也大，跨音速時會產(chǎn)生很大的激波干擾阻力，有些戰(zhàn)斗機在帶外掛后甚至達不到超音速。即使達到了超音速巡航狀態(tài)，也會因過大的阻力導(dǎo)致作戰(zhàn)半徑急劇下降。

高溫與材料長時間的超音速巡航，尤其是M2.5之后，會使飛機表面溫度急劇升高并超過250℃，飛機的金屬結(jié)構(gòu)因為高溫而變軟，很多復(fù)合材料也到了溫度極限，各種結(jié)構(gòu)件熱脹冷縮不均勻，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞或者連接處出現(xiàn)過大縫隙而破壞表面流場，甚至導(dǎo)致飛機解體。現(xiàn)在鋁合金已經(jīng)不能使用，需要采用更加耐熱的材料。同時，高溫條件也對燃油、滑油、液壓油等性能提出了要求。6