乘波体高超音速武器简介

Jack5个月前军史331

什么是乘波体

乘波体,顾名思义,就是好像骑着激波在飞行的飞行体。这种武器的原型是在1959年被提出,Nonweiler首次提出适用于平面入射激波的高超音速飞行器的设计方法,并将其命名为楔导乘波体。乘波体高超音速武器可以达到5马赫以上的飞行速度,并形成一层贴在下表面的激波层,经过激波的空气将被均匀地压缩,从而使这种飞行器的下表面产生可观压力,上下表面的巨大的压力差使得飞行器获得非常大的升力,使其在大气层临近空间像打水漂一样高速滑翔飞行。由于这种武器没有特定弹道,使得任何导弹拦截系统都难以拦截,是目前中美俄正在研究的最热门武器之一。

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高超音速武器攻击模式示意图

这种武器与导波体的概念相对,导波体是将激波劈开,不会贴合飞行体的表面,比如弹道导弹的对称的旋成体弹头就是一种典型的导波体,这种形状就无法获得升力,但是阻力小,末端速度可达到25马赫,可以尽快击中目标,但其抛物线弹道比较容易被解算并实施拦截;而乘波体的激波则是紧贴在飞行体表面,飞行的形状是按照激波的形状来设计的,乘波体赋予飞行器很高的升力,因此可以不断滑翔飞行;虽然速度一般在5~10马赫,但其可以滑翔非常远的距离,并且难以预测其弹道。


导波体和乘波体的区别


高超音速武器的两种滑翔弹道:钱学森弹道和桑格尔弹道

什么是激波

要想彻底搞清楚乘波体的概念,首先要知道什么是“激波”(Shock Wave)。这种波的形成是因为物体飞行超过音速的时候,会在飞行器前端产生一个强烈的压缩波。经过压缩波的空气将被减速增压,好像撞到了一堵墙上一样。根据激波的形成种类,可以分为正激波和斜激波。

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正激波的波阵面与来流方向垂直,而斜激波波阵面与来流方向不垂直,成一定斜角。当飞行器斜坡角度突变且和气流方向不一致的时候,就会在坡面不连续点产生一个斜激波。经过正激波压缩过的气流不会改变运动方向,而斜激波不然,它会使气流的方向发生改变。斜激波在飞行器设计中有很重要的应用,比如战斗机的超音速进气道,就是利用多个斜激波将空气逐渐减速并调整角度,使之与发动机进气适配。根据斜波数量的不同可以分为单波系和多波系进气道。


锥形进气道往往会在尖端形成斜激波并在进气道内形成正激波


米格-21度激波锥进气道就是利用了斜激波对空气进行减速压缩

现在回到乘波体。乘波体一样是利用了斜激波对空气的压缩效应,经过激波的空气将被减速增压,同时将上下表面的空气压力完全隔绝开。这样,在上下表面就获得了一个压力差,从而产生升力。利用这个思想,将高超音速武器进气道下表面的外形,修成在斜激波的形状,就可以获得一个能够让空气在表面均匀压缩的效果。

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这个时候的斜激波其实是一个与飞行体运动方向成一个角度的曲线。所以要想设计出合适的乘波体,只要按照这个形状进行修形,就能获得压力分布可控的飞行器。模拟出来的就是这么个样子:可以看到通过外形的修饰,进气道上表面的压力分布达到了从小变大的预期结果。


当然,乘波体的实际设计非常复杂,此处只做一些简略的描述。中美俄欧日在乘波体上已经进行了非常多的设计尝试,有多种乘波体的设计思路。但最为经典的还是Nonweiler提出的利用二维楔流场生成了具有“∧”形横截面的乘波体,以及锥导乘波体和吻切乘波体。美国马里兰大学的Rasmussen提出了由圆锥绕流流场生成乘波构型的方法。1990年,Sobieczky提出了吻切锥法生成乘波构型。1966年,Mlder首次提出将Busemann内锥形流场用于高超声速进气道设计的概念。基本上这四种乘波体构型构成了今天乘波体高超音速武器的基石,所有的模型都是在这几种模型基础上的变体。


利用二维楔流场设计的乘波体吻切锤


中美俄的撒手锏

美 国

美国在乘波体高超音速武器上,可以说是先驱了。在2004年,NASA推出的X-43A成功发射,维持了较长时间的飞行。

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在这之后,美国国防高级研究计划局提出发展高超音速武器的计划,其中一种就是吸气式的乘波体高超音速武器X-51。

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美国的另一种高超音速武器,则是高速助推滑翔弹头,利用空射型弹道导弹发射,这与俄罗斯“匕首”导弹有异曲同工之妙。从宣传图上看,也是一种乘波体弹头。然而不论是TBG还是HAWC,美国都还在试验阶段,可能要到2020-2030年期间才能正式服役,在进度上,已经落后中国和俄罗斯。

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美国未来计划列装两种高超音速武器:TBG和HAWC

俄罗斯

俄罗斯的两种高超音速武器“匕首”和“先锋”。从目前披露情况看,俄罗斯的高超音速武器采用的还是弹道导弹锥形弹头的一种变体,采用弹道导弹来发射。通过将锥形弹头做成不对称的形状,来获得高升力。这应该属于是一种锥导乘波体的变体。根据俄罗斯自己的说法,“先锋”导弹的末端速度达到了20马赫,这显然和洲际导弹的25马赫差不太多,而与高超音速武器通常的5~10马赫左右的速度差别很大;因此,可以猜测这种弹头的升阻比并不是很高,只能在末端突防时做有限的滑翔动作,本质上还是一种弹道导弹,与弹道完全打乱,可以滑翔数千公里的水漂弹还是有差别。


先锋上的YU-71弹头


匕首导弹灌顶攻击,仔细看也是一种不对称的弹头结构

目前俄罗斯的匕首和先锋都已经服役,进度大幅领先了美国。

中 国

我国在高超音速武器的研究上起步较晚,但是近年来已经开花结果。按照官方披露的说法,2018年我们试射的“星空-2”属于第一款乘波体高超音速飞行器。这款高超音速飞行器在高度30km,马赫数5.5~6飞行窗口自主飞行了400秒以上。这很有可能是人类历史上首次在临近空间实现这样的飞行。

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能设计出这样的高超音速武器,得益于我们的JF-12激波风洞,这也是世界上第一个能实现持续130ms的激波风洞。而此前我们也多次成功试射DF-ZF高超音速武器;除此之外,还有多锥体带滑翔弹翼的弹头,装备在DF-26导弹上,可以用来打击机动中的航母战斗群,已经比较成熟。


激波风洞中的一款乘波体高超音速武器,应该是一款楔导乘波体构型


多锥体带弹翼的滑翔弹头

除此之外,我们在一款战术级弹道导弹DF-17上也实现了高超音速滑翔弹头。DF-17基于DF-16设计,本身的射程只有1500公里,在使用高超音速滑翔弹头后,成功将射程拓展到了2500公里,这说明DF-17也是一款水漂弹,与只能做有限滑翔变轨的DF-21、DF-26相比技术有很大提高。

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东风17高超音速导弹

因此,在高超音速武器上,我们的进度也已经领先了美国,这也让美国在这一领域倍感压力;美国的DARPA计划在今年同时试射本国的HAWC和TBG。不过从技术难度上讲,美国的HAWC即采用吸气式乘波体的X-51,它的技术含量是最高的,它采用超压冲燃发动机+乘波体设计,可以获得持续的动力,有利于末端突防;不过到今天美国也没有做到成熟。但是要考虑到X-51是一种可以由战斗机进行空射的战术级武器,体积小,发射成本低,它的威胁也不可小看。

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