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我國在高超音速領(lǐng)域的基礎(chǔ)配套建設(shè)
日前，中國航天科技集團公司五院總環(huán)部在空間環(huán)境模擬容器內(nèi)真空冷黑環(huán)境下，利用自研超高溫模擬系統(tǒng)成功將試驗件加熱至1850℃，實現(xiàn)了航天器真空熱試驗超高溫模擬技術(shù)方面的重大突破。這一試驗技術(shù)的突破，將開拓高超音速飛行器地面高溫高熱流模擬試驗的技術(shù)途徑，為高超音速飛行器的研制試驗提供技術(shù)支持。特別是隨著我國在深空探測、高超聲速飛行器等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對飛行器及其部件需要結(jié)合太空環(huán)境或高空低氣壓環(huán)境進行的超高溫地面考核試驗有著明確的需求。
當然在超音速飛行器領(lǐng)域，除了超高溫模擬系統(tǒng)，另一更為“底層”基礎(chǔ)的地面模擬系統(tǒng)就是風(fēng)洞。在這方面，通過2012年6月《科技日報》的一篇報道我們可以管窺一斑。該報在報道我國錢學(xué)森工程科學(xué)實驗基地時稱，我國在北京市懷柔區(qū)建設(shè)了復(fù)現(xiàn)2540千米高空的高超音速飛行條件的大型風(fēng)洞。世界同類型中的最大風(fēng)洞，可以模擬5馬赫至9馬赫之間的飛行條件，溫度可達3 000℃左右。高超音速發(fā)動機需要的實驗時間至少需要60-70毫秒，該風(fēng)洞已經(jīng)能做到100毫秒，而國外的相關(guān)風(fēng)洞大約只有30毫秒。該風(fēng)洞噴管直徑和實驗艙直徑都明顯優(yōu)于國外同類風(fēng)洞。此外，該實驗基地還建有高超實驗室、超燃實驗室、燃燒實驗室、等離子實驗室等。這些與高超音速飛行器領(lǐng)域配套的基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，表明著我國早已緊盯高精尖技術(shù)前沿，致力于高超音速飛行器的研究。那么，近年來在此領(lǐng)域以WU-14、“神龍”為代表的高超音速的試射實屬自然。
X-43的高溫風(fēng)洞測試
熱防護技術(shù)及材料選是高超音速飛行的基礎(chǔ)
當飛行器以高超音速在大氣中飛行時，氣動加熱嚴重。當飛行速度達到8馬赫時，飛行器的頭錐部位溫度可達1800℃，其它部位的溫度也將在600℃以上。因此設(shè)計合適的熱載荷管理系統(tǒng)成為必須。此前的太空“穿梭”航天器，航天飛機的熱效應(yīng)主要是集中在升空和再入階段，時間相對有限，在熱防護上是以隔離為主，機體材料可選余地較大。但高超音速飛行器在大氣層內(nèi)長時間飛行，摩擦熱集中在機體的前端和翼面前緣，氣動加熱持續(xù)時間遠比航天器要長，若沒有有效的溫度控制手段將無法保證結(jié)構(gòu)安全，也無法保證機體內(nèi)部設(shè)備的工作環(huán)境。對于熱防護首先就是材料的選擇，選用長壽命、耐高溫、抗腐蝕、高強度、低密度的輕質(zhì)材料。目前研制的和可能采用的新材料主要有輕金屬材料、金屬基復(fù)合材料、聚合物基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳-碳復(fù)合材料等。
只不過高超音速飛行器，與空氣的摩擦熱量實在是太大，對飛行器的材料與結(jié)構(gòu)的選擇實在是巨大難題。機體材料很可能因溫度的飆升發(fā)生著膨脹形變，加之機體內(nèi)不同材料的膨脹系數(shù)不同，形變程度又有著差別。這細微的形變隨之可能引發(fā)高速飛行的飛行器的氣動控制的改變、機體的振動乃至解體。目前在美國多數(shù)高超音速飛行器的頭部多采用鎢基材料，但這種較高價值的金屬材料，隨之引發(fā)的就是成本的居高不下，對于未來的武器化、大范圍的裝備又會是不小的障礙。對于層出不窮的復(fù)合材料，在新材料的設(shè)計與加工都還有這加工難度的問題，就像在美國“獵鷹”的試驗計劃中多次推遲的原因就有碳基殼體材料出現(xiàn)了剝離問題，研制人員不得不改進工藝來使材料更易制造和性能穩(wěn)定。
在基礎(chǔ)材料之外，高超音速飛行器還必須在飛行器的總體設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮熱防護因素，采用主動降溫技術(shù)措施。比如，在X-51A上，不僅有著結(jié)構(gòu)熱防護措施，又將燃料作為結(jié)構(gòu)散熱的載體，在熱交換器內(nèi)流動后帶走發(fā)動機的熱量承擔發(fā)動機散熱的作用。在高溫段吸熱后的燃料裂解成低分子產(chǎn)物，循環(huán)到超燃沖壓發(fā)動機動力系統(tǒng)后更適合工作要求。消耗，利用燃料循環(huán)系統(tǒng)作為外殼持續(xù)降溫的手段。正是隔熱層、耐熱結(jié)構(gòu)材料，降低熱流，減少熱應(yīng)力、熱傳送和熱冷卻等多項措施的全面綜合采用，才有熱防護問題的解決可能，才有飛行器向高超音速的沖刺。
音速飛行器的頭錐部位升溫明顯
高超音速飛行器的氣動摩擦升溫
高超音速飛行器的摩擦熱是防御方的克敵之法
高超音速飛行器的摩擦熱，于“進攻方”而言的熱防護問題外，但對于“防御方”而言這卻是可以加以利用的軟肋。高超音速飛行器的武器化，將使得傳統(tǒng)的地面防空雷達和預(yù)警機的探測預(yù)警時間極大的被壓縮，從對普通高空飛機的約半小時壓縮到不超過1分鐘。傳統(tǒng)的防空預(yù)警網(wǎng)絡(luò)在高超音速武器面前基本屬于形同虛設(shè)。高超音速飛行器的紅外信號特征卻是在隨著速度的增高顯著增加，這就將會過早的暴露其飛行航跡。2~3馬赫的超音速飛行器的雷達散射截面就通常為亞音速方案的10倍以上，在3-5微米的短波長紅外區(qū)內(nèi)，其紅外信號特征通常為亞音速方案的20-50倍。那么紅外預(yù)警這一在彈道防御系統(tǒng)中已經(jīng)實用化的預(yù)警手段，是可以輕易發(fā)現(xiàn)高超音速飛行器的。
對于高超聲速飛行器而言，由于在高層大氣中飛行時，與空氣劇烈摩擦，會產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致機體溫度急劇升高，當速度超過10馬赫時，表面最高溫度可達2 400℃以上，整個高超聲速飛行器都將處于紅熱狀態(tài)下，會釋放出劇烈的近紅外輻射，這使得高超聲速飛行器極易被紅外傳感器發(fā)現(xiàn)。以美國目前用于彈道防御的紅外預(yù)警衛(wèi)星為例，采用了快速掃描+凝視確認的工作原理。平時值守用線型紅外傳感器進行大面積掃描，以取得較高的普查速度，而發(fā)現(xiàn)有異常信號時，則調(diào)用凝視型熱成像儀進行精確分辨，這不但可以發(fā)現(xiàn)彈道發(fā)射，也能發(fā)現(xiàn)高超聲速飛行器。
只不過，較于彈道的發(fā)射，高超聲速飛行器的紅外信號發(fā)射波段較窄，信號相對較弱，必須進一步改善和提高紅外預(yù)警衛(wèi)星的探測能力才能做到更好的預(yù)警。同時，為提高探測準確率減少虛警，可在紅外預(yù)警衛(wèi)星上增加紫外探測器。這是因為高超聲速飛行器的巡航溫度足以產(chǎn)生穩(wěn)定的紫外輻射，即使經(jīng)過大氣臭氧層的吸收衰減，仍是可以探測的，這樣可以更加有效的對高超聲速飛行器進行預(yù)警。只不過紅外預(yù)警衛(wèi)星也有其不足之處，就是無法提供目標的三維坐標，仍需其他探測手段進行跟蹤測量，才能對目標進行精確定位，才能保證快速反應(yīng)能力，贏得必要的防御作戰(zhàn)反應(yīng)時間。(作者署名：鼎盛 攔阻著艦)
美國《華盛頓自由燈塔報》1月13日報道，美國國防部表示，中國軍方在上周完成了針對突破美國彈道防御系統(tǒng)的首次超高速彈頭載具測試。此次測試的時間為1月9日，使用的是被美國軍方代號為WU-14的高超音速滑翔載具。
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1、一級空氣、二級輕氣及附屬設(shè)備、附件，用于動能武器侵徹、高壓物理、太空航天器隕石防護、彈載電子裝置、火工品的侵徹過載測試等試驗；
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