什么是超音速巡航?发展沿革

超音速巡航是指飞机在不开启后燃器的情况下能够持续在1.5马赫以上进行超过30分钟的超音速飞行。超音速巡航的提出主要是基于快速突防的战术思想,因此,该技术其在未来的超视距作战中具有很大的优势。超音速巡航是第五代战斗机的主要技术特征之一。

发展沿革

闪电战斗机

1943年,英国电气设计了一种战斗机,该战斗机严格按面积律设计,采用内切式机翼,两台发动机上下布置,外形很奇特,命名为闪电战斗机。1954年8月11日,搭配两台“蓝宝石”发动机的闪电战斗机原型机P1.0试飞,在不开后燃器的状态下,速度超过了M1.0。这是最早的不开后燃器的超音速飞行记录。

什么是超音速巡航?发展沿革

不过,由于闪电战斗机试飞时没有作战载荷,而且在增加了作战载荷和腹部保性形油箱后,便不再具有这样的能力,加上M1.0处于阻力发散区,因此,它不能算是一种具有实际意义上的超音速巡航飞机。闪电战斗机是英国60年代的主力战机,后来因为政治因素和自身原因,被F-4和“狂风”战斗机替代。

SR-71侦察机

SR-71侦察机美国洛克希德公司的臭鼬工厂研制生产的喷气式三倍音速长程高空高速战略侦察机,配备两台“普-惠”J-58轴流式变循环发动机,单台加力推力为14.7吨,飞机正常起飞重量大于 50吨。SR-71能在26000米以上的高空用M3.0巡航,在其高空执行任务期间没有任何战斗机对其进行过有效拦截,也没有导弹将其击落。SR-71的这种能力目前在世界上是独一无二的,这主要是得益于它优秀的气动外形设计和独特的变循环发动机与进气道-尾喷口的综合设计。

什么是超音速巡航?发展沿革

SR-71的主要任务是高空侦察,必须以3马赫的速度巡航才能摆脱所有拦截飞机和导弹,所以其设计理念与战斗机不同。SR-71是通过大幅降低亚音速机动能力和起降性能来提高它的高空高速性能的。同时,为了减轻重量和提高抗热能力,SR-71大量使用复合材料和钛合金等轻合金,并做了特殊的结构处理。

SR-71强调的是M3.0的巡航能力,它是唯一可以在2小时内横跨大西洋的飞机,创造了从纽约到伦敦飞行时间为1小时54分的速度记录,,能更快、更安全的进行侦察并取得敌人防区的信息,指导后续攻击部队的行动。从SR-71的任务完成效果来看,无一被击落,说明这是一种很成功的飞机。

米格-31战斗机

米格-31是由前苏联米高扬设计局设计的串列双座全天侯重型截击战斗机。米格-31是全世界起飞重量最大、飞行速度最快的作战机型,由米格-25战斗机发展而来,因此米格-31气动外形与米格-25很相近,采用上单翼、双立尾、两侧进气布局。根据俄罗斯官方资料,米格-31在发动机开小加力状态下可以带弹用M2.35巡航,但这并不属于真正的超音速巡航。

台风战斗机

台风战斗机是一款由欧洲战机公司(英、德、意和西班牙4国合作)设计的双发、三角翼、鸭式布局、高机动性的多用途第四代半战斗机。欧洲战机公司声称台风战斗机在典型空-空武器配置11000米高度的情况下,不开加力可以用M1.2左右的速度巡航,但是同时也声明此状态会缩短发动机寿命,不是一种正常的工作状态,因此被认为是第四代半战斗机。

F-22战斗机

F-22战斗机是由美国洛克希德·马丁和波音联合研制的单座双发高隐身性第五代战斗机。F-22在典型空战配置下能以大于M1.5的速度巡航,而且,对于F-22来说,超音速巡航已经不是简单的一种独立性能了,而变得与隐身能力、高机动性等密切相关。F-22是世界上第一种进入服役的第五代战斗机。

实战意义

一般常规的使用单纯涡喷发动机或者涡扇发动机的飞机必须要开加力才能达到超音速,而且持续时间不能太久,一般不超过30分钟,否则会发生发动机过热导致烧坏发动机等不利情况,而且此时的耗油量增加1~3倍。而具有超音速巡航能力的飞机,克服了以上不足,作战性能大幅提高。

更快抵达战区

普通的战斗机只能以M0.9左右巡航抵达战区,发生紧急情况时容易失去最佳时机,延误战机。而具有超音速巡航能力的飞机,有更高的速度机动性,反应能力快,能争取更多的时间,甚至先发制人,变被动为主动,快速追击敌机。对于国土广袤、领海宽广的国家,不可能密集地部署军事基地,这就对军用飞机的快速到达能力提出了很高的要求,因此超音速巡航的意义更大。

高速摆脱威胁

超音速巡航飞机一般具有一定的隐身能力,以超音速M1.5以上巡航时,直接抵达战区时间短、不容易被发现。即使被敌人的雷达发现了,敌人也只有很短的准备时间,而在这段时间内可能已经抵达作战区域或者冲出其警戒范围并远离,而敌方的防空武器也因为尾追困难,成为强弩之末而失去作用。研究结果表明,M0.8突防时敌人导弹的瞄准射击时间100%,而M1.5突防时则降低为14.3%。

扩大拦截范围

普通战斗机因受机内燃油和巡航速度等限制,即使知道敌方轰炸机和攻击机已经在入侵的途中,也不可能快速地占据有利的拦截位置,并且现在远程战略轰炸机可以在防区外发射攻击武器后安全返航,更使普通战斗机失去作用。虽然普通战机在亚音速状态下可能比超音速巡航状态的飞机具有更大的作战半径,但是却没有超音速巡航的快速反应能力,当飞到预定空域时,敌机可能已经完成任务返航了。而具有超音速巡航能力的战斗机就可以解决这一难题,通过其快速抵达能力,加上武器初始动能更大,可以在敌机进入目标区域之前,将敌人拦截在其攻击范围之外。

扩大武器攻击范围

战场上,普通战斗机大多处于亚音速状态下,超音速巡航战斗机则有更多的攻击机会,它可以在超音速巡航状态下紧急发射攻击武器,此时武器的初速度很大,能在更短的时间内和更大的范围内攻击目标。

有利于红外隐身

具有超音速巡航的战斗机不需要开加力,可以减小红外特征。F-14的红外探测系统能在140km外发现开加力的目标,而不加力的则只有40~50km的范围。虽然现在红外探测技术在进步,但不开加力的方式依然可以有效地降低红外特征。

关键技术

超音速巡航会给飞机设计和研究带来一系列技术难题。首先是飞行阻力问题,飞机在超音速飞行时会产生波阻,使飞机的阻力相对亚音速时成倍增加,而且还会使进气道附加阻力和总压损失成倍增长。其次是由于长时间超音速飞行,飞机处于很高的气动力热加温中,使飞机的结构材料性能下降。第三是超音速巡航的动力提供问题,超音速巡航需要小涵道比、大推重比的涡扇发动机。第四是为提高超音速巡航战机的综合作战效能,飞机应该有很高的生存能力和良好的隐身性能,超音速巡航的战机在借助优良操稳特性或推力矢量技术的情况下具有过失速机动能力,在先进的综合航电配置下,飞机呈现第五代战机的优越性能。

外形设计

超音速巡航的飞机应该按照预定的巡航马赫数修形,以取得设计M数时最好的全机面积律分布,可以借助先进的计算机辅助设计软件进行CFD计算或者风洞实验。未来的飞机还要考虑修改外形以达到雷达隐身目的,要使飞机能比较容易地达到超音速巡航的速度,需要对外形做很细致的修改,尽量降低飞机的波阻。除此以外,摩擦阻力、形阻等阻力都要尽量减小,应该使用更合适的翼型,更小的浸润面积,避免过多鼓包等修形。超音速巡航状态一般是在中、高空,这就需要飞机在中高空飞行时具有良好的阻力特性和良好的升阻比。

隐身技术

未来的战斗机既有隐身的需求又要有优良的气动性能,而通过修改飞机外形实现雷达隐身和红外隐身是目前比较常用的手段,但是很难解决隐身外形的同时获取超音速巡航的气动特性,最后只能是气动与隐身这两者按照作战需求综合考虑的结果。

动力系统

首先,发动机的飞行包线必须要能很好的适应设计的超音速巡航速度。在相同的静推力要求下,推重比高的发动机耗油率低,可以提供更多的剩余能量,使超音速巡航变得相对容易实现;并且能保证在超音速巡航状态下仍然具有合适的机动能力。因此,超音速巡航应尽量采用推重比10级的发动机。

武器内置与发射

武器内置不只是隐身的需求,也是超音速巡航降低飞机阻力的要求,否则外挂本身表面积大,亚音速状态下摩擦阻力增量也大,跨音速时会产生很大的激波干扰阻力,有些战斗机在带外挂后甚至达不到超音速。即使达到了超音速巡航状态,也会因过大的阻力导致作战半径急剧下降。

高温与材料

长时间的超音速巡航,尤其是M2.5之后,会使飞机表面温度急剧升高并超过250℃,飞机的金属结构因为高温而变软,很多复合材料也到了温度极限,各种结构件热胀冷缩不均匀,导致结构损坏或者连接处出现过大缝隙而破坏表面流场,甚至导致飞机解体。现在铝合金已经不能使用,需要采用更加耐热的材料。同时,高温条件也对燃油、滑油、液压油等性能提出了要求。

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