印度成功試射高超聲速飛行器 比東風17的水平如何

2020-09-09 17:40 評論數:

  來源:兵工科技

  據《印度斯坦時報》報道,印度于2020年9月7日成功在奧里薩邦巴拉索爾的阿卜杜爾·卡拉姆測試場進行“高超聲速試驗驗證飛行器”(HSTVD)飛行測試,這標志著印度成為繼美國、俄羅斯和中國之后第四個開發并成功測試高超聲速技術的國家。HSTVD的試飛成功,給近日民族主義情緒爆棚的印度國內打了一針“興奮劑”,印度國內媒體紛紛報道聲稱HSTVD的試飛成功標志著印度已經距離擁有高超聲速導彈僅有“咫尺之遙”;國外一些媒體也認為HSTVD的試飛成功“將為印度開發6倍音速導彈鋪平道路”。那么,事實真是如此嗎?印度高超聲速試驗飛行器成功試飛,距離高超聲速導彈究竟還有多遠?

  十年磨一劍

  近年來,高超聲速技術在空間和導彈方面的應用潛力引發了印度的極大興趣。印度在著力設計和建造運載器和衛星之外,規劃了數個高超聲速飛行計劃,由印度最重要的國防科技研究組織——國防研究與發展組織DRDO負責牽頭研究。

  由于高超聲速空天飛機是一個由多個子系統組成的龐大系統工程,因此印度的空天飛機研究計劃包括太空艙回收試驗(SRE)、可重復使用運載器(RLV)、超燃沖壓發動機開發和高超聲速技術驗證器HSTDV。其中,HSTDV項目作為高超聲速技術的核心部分,被傾注了最大的力量和心血。

  HSTDV高超聲速項目的目的,是通過研制技術驗證機并進行試驗飛行,對無人駕駛、自主飛行模式下的飛行器性能進行驗證。除了對超燃沖壓發動機的設計和性能進行重點驗證之外,HSTDV項目還將對高馬赫數飛行時的氣動性能、氣動熱設計、材料和熱防護技術進行廣泛的驗證與研究。

  由于印度在航空航天技術上的積累相對美、俄等航空航天大國而言較為薄弱,因此在HSTDV項目上印度人進行了廣泛的國際合作和技術引進,例如以色列IAI公司和英國克蘭菲爾德大學對印度高超聲速技術驗證器計劃提供了部分援助,其中包括風洞試驗。此外,印度還與在空天高超聲速飛行器上擁有雄厚實力和豐富經驗的俄羅斯在高超聲速技術研究上展開長期合作,由俄羅斯在超燃沖壓發動機研制和耐高溫材料上為HSTDV提供直接支持,包括從俄羅斯進口部分核心部件。

印度成功試射高超聲速飛行器 比東風17的水平如何

  采用乘波體典型設計布局的HSTDV高超聲速飛行器技術驗證機

  印度曾于2007年2月在班加羅爾舉行的印度航空航天展覽會上展出過高超聲速技術驗證機HSTDV的模型,項目研究人員曾表示該機可能會在2008年進行飛行試驗,但之后多年并未見到任何該機已經試飛的公開報道,直到2019年6月12日,HSTDV終于“十年磨一劍”實現首飛,但由于作為試驗飛行器助推級的“烈火”-1在發射后出現了故障,未能將飛行器加速到預定的試驗高度和速度,由于飛行器飛行速度不到6馬赫,達不到印度國產超燃沖壓發動機的起動條件邊界,因此發動機未啟動,并未實現高超聲速試驗飛行任務。

  時隔一年之后,DRDO的科研人員們卷土重來,這次HSTDV終于一飛沖天,不僅達到了6馬赫的試驗速度,而且超燃沖壓發動機也成功起動并持續工作20余秒。

  “彎道超車”,技術難度不小

  根據印度方面公開報道,當日11時03分,“烈火”導彈將HSTVD推升至30千米的高度后與HSTVD分離。隨后,超燃沖壓發動機成功點火并持續工作20秒鐘以上,HSTVD的速度達到6馬赫。

  首先,印度高超聲速飛行器試驗試飛起點很高,技術難度較大。必須指出印度HSTVD試驗飛行器在第一次飛行試驗時就沒有像其他國家進行早期飛行試驗那樣采用無動力滑翔的試驗方式,而是在試驗飛行器上直接攜帶了超燃沖壓發動機,由火箭作為助推級將試驗飛行器打到30千米高空,具備較高的速度和動能后,達到了超燃沖壓發動機的起動邊際條件,超燃沖壓發動機順利實現起動。這點其實是很不容易的,因為除了火箭助推級分離時機要恰當,高度和速度條件要達標外,試驗飛行器在分離時的姿態控制也要非常精準,HSTVD試驗飛行器采用乘波體布局,這種布局的特點是對飛行器姿態控制要求極高,一旦側滑角、迎角等超出要求,飛行器姿態控制不穩,超燃沖壓發動機就難以達到進氣工作起動條件。美國X-51A在飛行試驗中就曾因控制問題導致超燃沖壓發動機起動失敗,進而導致試飛失敗。印度DRDO在2019年的首飛失敗后,第二次試飛仍然堅持直接上超燃沖壓發動機進行有動力試飛,體現出了非凡的勇氣,實際上也達到了“彎道超車”的目的,雖然計劃激進,但第二次試飛至少達到了試驗目標。

印度成功試射高超聲速飛行器 比東風17的水平如何

  X-51A高超聲速導彈技術驗證機在試驗中其超燃沖壓發動機僅工作120秒,在技術上尚不成熟

  其次,印度高超聲速飛行器目前屬于典型的第一代高超聲速技術,其熱防護技術、飛行控制技術、發動機技術得到了一定驗證。從印度科學家透露的“承受2500度高溫”以及“飛行速度達到6馬赫”來看,應該說HSTVD試驗飛行器達到了典型第一代高超聲速飛行器的技術標準。我們一般將5馬赫作為一個門檻,跨過這個門檻就達到了第一代高超聲速飛行器技術水平。目前在戰術級別的乘波體布局高超聲速飛行器領域,美國、中國、俄羅斯此前都成功實現和達到了這個門檻,印度可以說是成功獲得了進入這個“世界高超聲速技術俱樂部”的許可證。

  超燃沖壓發動機水平如何?

  根據印度方面此前公布的資料來看,HSTDV采用的是碳氫燃料(如航空煤油)的超燃沖壓發動機,碳氫燃料通過一系列交錯的噴射桿噴入燃燒室,以保證其能在高速進氣中充分燃燒。HSTDV設計的全尺寸超燃沖壓燃燒室在其國產HST4激波風洞中已經進行了試驗。設計的超燃沖壓發動機燃燒室長度為1.8米,矩形截面,靠近進氣道一端為10厘米×23厘米,出口端為25厘米×23厘米,發動機內表面用鈮合金材料,外表面采用鎳鉻鈦合金材料。此前,印度DRDO已經對國產超燃沖壓發動機進行了較長時間的試車,對燃燒室燃燒情況、進氣壓力、耐熱材料等技術難點進行廣泛而系統的試驗和驗證。應該說,HSTDV的發動機選擇的燃料與X-51A基本類似(后者采用JP7航空煤油)。

  如果論空中工作時間,20多秒的工作時間,究竟算什么樣的水平呢?我們可以對比一下美俄兩個超燃沖壓發動機技術領先的大國。美國著名的X-51A技術驗證機,超燃沖壓發動機在空中工作時間的紀錄是210秒(原本計劃工作時長為300秒)。而俄羅斯格羅莫夫試飛院的GLL-31試驗飛行器,在上世紀末的飛行試驗中就已經做到了超燃沖壓發動機持續工作50秒。也就是說,印度這次HSTDV超燃沖壓發動機的試驗水平,大概達到了俄羅斯和美國在上世紀90年代初的水平。距離俄、美現在所代表的世界最高水平,還有很遠的距離。         

  離高超聲速導彈還有多遠?離高超聲速導彈還有多遠? 

  HSTDV試驗飛行器首飛一成功,一向超級自信的印度人就開始展望本國高超聲速導彈武器的研制甚至列裝了。那么,從乘波體試驗飛行器到高超聲速導彈究竟有多遠?

  首先,乘波體飛行器技術經美國、俄羅斯和中國等多方試驗,在飛行中暴露出了姿態控制難度大,超燃沖壓發動機進氣條件惡劣,難以正常起動的問題,這個問題目前沒有得到很好的解決。這使得乘波體布局用于戰術級別的高超聲速導彈武器遇到了很大障礙。目前無論美國、中國還是俄羅斯,都沒有乘波體布局的戰術導彈項目研制成功或在研。只有俄羅斯和中國,將乘波體布局導彈與彈道導彈結合,形成了“用彈道導彈的固體火箭發動機發射和運載乘波體高超聲速彈頭”的組合,算是暫時巧妙規避了這一技術難題,使得高超聲速導彈得以投入實用。而目前美俄等國在研的戰術級別高超聲速導彈,全部都拋棄了乘波體布局,轉而采用傳統的雙錐體或旋成體布局。

印度成功試射高超聲速飛行器 比東風17的水平如何

  HSTDV飛行器的總體氣動布局設計、飛行控制系統和耐高溫材料等技術都有待驗證

  由此看來,印度高超聲速試驗飛行器飛行試驗成了,并不意味著就能順勢利用該技術展開乘波體高超聲速導彈的研制。畢竟美俄等老牌強國都沒有走通這條路。而如果印度要采用彈道導彈+乘波體彈頭的方案,其彈道導彈在技術水平和可靠性上遠不如中俄同類導彈。2019年“烈火”-1導彈發射HSTDV試驗飛行器失敗就是前車之鑒。以“烈火”系列導彈近年來的發射紀錄來看,成功率也是明顯偏低。至于雙錐體或旋成體布局的高超聲速導彈,其技術路線與HSTDV這樣的乘波體布局方案就有明顯不同。HSTDV的成功,對于研制這種類型導彈幫助并不大。

  由此看來,HSTDV試驗飛行器首飛成功,距離研制高超聲速導彈,要走的路還很漫長遙遠。而且,即便要以HSTDV試驗飛行器為基礎,研制類似X-51A那樣的乘波體布局戰術級別高超聲速導彈,印度的超燃沖壓發動機工作時間還顯得太短,距離美俄差了20年以上的水平。同時,印度對乘波體布局的研究還需要進一步深入,畢竟無論是美國、俄羅斯還是中國,對乘波體布局飛行器展開的試驗遠不是一次兩次,印度想通過兩次試驗就“一步登天”,絕對是難上加難。

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