美国海军正积极寻求极高音速导弹攻击能力
来源：空军技术网
作者：米奇卡特
编译：全球防务(知远/小顾)
题注：BGM-109 “战斧”巡航导弹已经能很好地为服务海军了，它可以为美军作战舰艇提供给打击远距范围内陆上或海上目标的能力。为满足未来作战需要，海军正在寻求一种速度高达6马赫的导弹，用以摧毁对手时间敏感目标。
从作战舰艇上发射的BGM－109“战斧”式巡航导弹，可以打击远在700海里至1350海里内的陆上或海上目标。“战斧”式导弹是一种亚音速导弹，它能以每小时550英里的速度准确命中目标。
然而，除此之外，国防部研究人员正在调查某型导弹飞行速度可达6马赫或超过每小时4500英里的可行性和潜力。
“速度带给打击武器的是跟踪并打击时间敏感目标的能力。”超高音速飞行验证项目(HyFly)经理吉尔格拉夫说。
格拉夫是海军研究所办公室负责应用研究和武器技术的高级职员，他正在与美国国防部高级研究计划署一道，为海军生产这种能高速飞行的导弹。
“速度给你的是一种能够跟踪这些远程目标的能力。”格拉夫说 。“这就意味着你可以大大地减少即将处于的或已经处于危险之中的军队的数目。如果你能够足够地接近它，你就可以用炸弹或迫击炮或步枪打击时间敏感目标。但是，通常情况下，可能目标出现了，我们却并没有注意到它们，你将不得不安排多一点军队，来找到这个未知的目标”。
该超高音速飞行项目的目标就是要验证一项关键技术，即在海军能将此技术用于下一代超音速巡航导弹的环境下，将导弹加速到6马赫的技术。据国防部高级研究计划署称，超超高音速飞行项目旨在验证一种射程达六百海里、速度可达每秒4400英尺或每小时3000英里的火箭。
对于拥有6马赫飞行速度的导弹是不会打破任何速度记录的，格拉夫说。这儿有许多脱离地球重力场的速度存在，即使是空间再进入或弹道导弹再入大气层都能很轻松地达到20马赫以上的速度。
当前的挑战是建立一个飞行速度在6马赫而且保持和海军导弹一样小的东西。当美国航天局建成能够上月球或者更远地方的飞行器时，它使用携带燃料和氧化剂的运载火箭。喷气发动机替代了火箭推进器，将使巡航导弹变得更轻更紧凑。
“喷气发动机是直接从空气中获得氧化剂的，因此储存要求降低了，”格拉夫说。“然而，这也会让你要受到一定的限制，因为你必须安装管道系统来吸入空气。但就总体而言，如果你想要获得更远的射程，就标准尺寸的发动机而言，喷气发动机可以使你获得想要的射程，或者说你能得到想要的总冲程。”
格拉夫说，最快的引擎是那些靠火箭推动的引擎。当喷气发动机在很长一段时间内达不到那些速度的话，他们表现出维持这样速度的潜力，例如超高音速飞行计划中的6马赫目标。
BGM-109A的结构图
冲压发动机和超音速冲压喷射发动机
政府已经验证了几种喷气发动机。这些喷气发动机主要分为冲压发动机和超音速冲压发动机。
“典型的冲压发动机在速度上是受限制的”格拉夫说。“目前，涡轮发动机的速度被限制在3马赫左右。”
当速度超过3马赫时，冲压发动机的效率会越来越低，接近5马赫的时候该技术已达极限，他补充说。冲压发动机是将空气进行压缩，并将燃油注入压缩空气中。
“然而，你在燃点所点燃的空气是以亚音速运动的。”格拉夫说。“虽然这样就能高效率地燃烧，释放出所有的能源，但也使之很难达到超音速空气流。”。
格拉夫估计，冲压发动机里气流的速度仅仅能达到1马赫的10%到20%左右。当发动机速度过大时，管道系统就会吸入空气的速度就会放慢。冲压发动机运行速度超过3马赫或3马赫时，管道系统的振动加剧，而且管道中空气也会因振动而升温。
格拉夫说，“当你想要将你的发动机拉升到你想要的速度时，冲压发动机的效率就会变得越来越低。因此，你就陷入了两难境地，一方面相要提高速度，一方面空气又拖曳着使速度降低。”
冲压发动机技术发展到极限时，超音速冲压喷射发动机技术开始出现。超音速冲压喷射发动机是一种超音速燃烧冲压发动机。目前，超音速冲压喷射发动机技术要求速度必须达到4马赫以上。在超音速冲压喷射发动机里，空气流的速度超过了音速。
美国宇航局已经首次成功试飞了安装有超音速冲压喷射发动机的X-43飞机。X－43飞机的首次飞行速度达到了7马赫，第二次飞行速度更是达到了10马赫。美国宇航局说，它的冲压发动机速度能够达到15马赫。
但是X-43技术并不适用于巡航导弹系统，对军方来说，该试验并非没有可借鉴之处，格拉夫说。X-43使用氢气和氧气，但这对于巡航导弹来讲，是相当困难的要求。
所以，格拉夫说，超音速飞行解决方案，就是把冲压发动机和超音速冲压喷射发动机最好的功能结合起来，以常规碳氢燃料来验证火箭飞行。
试飞
2005年秋，在加州穆古海军空中武器中心试验期间，波音公司对超高音速攻击进行了一次成功的验证。
据波音公司透露，在穆古海军海上试验场，一架波音F-15E“攻击鹰”从空中发射了一枚超高音速火箭。该火箭使用了固体燃料发动机，它成功地点火并使速度超过了3马赫。
在2005年的第一次试验中，波音公司从一架F-15E攻击鹰中发射了一种无动力超音速火箭，验证了火箭安全脱离和导航控制功能。
“这是一次分离试飞，”格拉夫说。“在它后面有一个发动机，不是现实中的发动机，而是大规模模拟器，它有真正的航空电子设备和控制系统。我们只是想要验证火箭生存能力和有效荷载。航空电子设备和控制系统使我们在发射后能及时地捕捉着到火箭。”
接下来的三次试飞，第一次试飞要求超音速飞行火箭在动力飞行阶段时使用一个助推器和双重燃烧冲压发动机（柴油共轨），以达到6马赫速度的目标。超音速飞行的目标最终是要利用这个柴油共轨发动机驱动超音速冲压喷射发动机，这种超音速冲压喷射发动机运行时带有配合海军舰艇，潜艇和飞机等的导弹配置系统。
格拉夫说，“如果燃烧处的空气流是超音速的，化学反应要以更快的速度达到这一点。这是一个挑战”。
为了克服遇到的挑战，国防高级研究计划署和海军研究办公室正在设计一个火箭，使超音速火箭达到设计的速度。
“一般情况下，我们设想的作战系统是一个嵌入式火箭，基本上都是在最后阶段脱离。”格拉夫说。“另一种方式是一个区间火箭。工作原理是该冲压发动机燃烧室基本上是一个空心管，当你在燃烧它的时候，它是不运行的”。
“这是从飞机上发射它时你所需要的配置，”他说。 “飞机以亚音速速度飞行，他们脱离这些东西，并点燃它。然后点燃发动机，并逐渐燃烧完全，然后喷射。”
在潜艇发射超高音速导弹需要额外的火箭发动机。因为它是在海平面以下，而且必须提供更多的能量来推动导弹，格拉夫说。但国防高级研究计划署和海军研究办公室正在研究一个可以从空中、海上、海下面和地面都可以发射单一结构。
超音速飞行使用的火箭不能太大，因为他们必须匹配标准导弹配置的轨迹，格拉夫说，这就是为什么海军对柴油共轨发动机感兴趣的原因。柴油共轨发动机使超音速飞行变成冲压发动机和超音速冲压喷射发动机，他说。这是在美国约翰霍普金斯应用物理实验室创建的。
约翰霍普金斯给此项目提供了技术支持和测试，以及通过飞机使得柴油共轨发动机可以应用了。在加州中国湖的海军航空战中心武器部，为超音速飞行提供了固体火箭助推器。波音集成了件通过幻影工厂对各种部件进行了集成。
“这件事的关键问题是验证发动机和机身在高速远程飞行中能有效结合。”格拉夫说。“使在战术导弹有足够射程和性能。”
“这是对发动机和机身真正的验证”他说。“其中一部分就体现了飞行器引擎的效率和性能。另一部分说明我们有能够经受住高温环境的材料。”
FASTT工艺
波音公司使用三级动力火箭的努力只是高超音速飞行项目的一部分。而其它高超音速飞行项目被称为“自由大气冲压发动机试验技术”（FASTT）。
FASTT项目的目标是在飞行中获得发动机运作的相关数据，格拉夫说。为了进行测试，引擎被ATK-GASL公司按小比例进行设计。
“他们一直在支持美国航天局的X-43计划，”格拉夫说。“他们已经支持了大量高速的案例。FASTT是专为短程飞行设计的，仅仅是获得引擎的相关数据。飞行时间只有十至三十秒。我们不在大马赫范围内飞行，而是集中在短程飞行测试上。”
FASTT使用了较小版本的超音速飞行柴油共轨发动机，它有无制导固体火箭系统，该系统由DTI集成，格拉夫说。在2005年年底， FASTT飞行器成功地F进行了短期测试。
“我们成功地将速度升至5.7马赫，比我们想要的高出一点点。”格拉夫说。“下一大步是在5马赫的速度上分离助推器，然后分开进气道盖子，让发动机运行”。
格拉夫解释说，在超音速飞行器里，风道系统入口都被盖好了，当火箭提供了最初推力，然后盖子不断下降，让发动机将空气带进其管道。
“现在关键的是验证我们的引擎模型。”他说。“我们的引擎模型是基于地面测试而设计，这个与之前不同。你不可能在地面上模拟空气中的飞行环境。这些不同之处非常重要” 。
超音速飞行计划的所有验证火箭都使用了JP-10碳氢燃料。海军研究办公室和美国国防高级研究计划署打算使用相同的常规燃料来驱动任何终端巡航导弹。
“我们实行了所谓的'木轮'概念。”格拉夫说。“比如你拥有一枚战斧式巡航导弹，你把燃料注入一个盒子里，然后将盒子放入发射管，尔后几年你都不用去管它。”
“所以你希望这种燃料能够在所有不同的温度下保持长时间稳定，但是实际上你基本已经忘记了这件事情。”他说。“重新加注合格的燃料是一个费时费力的过程。真正的大问题是，当他们受到攻击的时候，在常规舰上环境中保持燃料不被点燃的危险。”
作者：米奇卡特
编译：全球防务(知远/小顾)
题注：BGM-109 “战斧”巡航导弹已经能很好地为服务海军了，它可以为美军作战舰艇提供给打击远距范围内陆上或海上目标的能力。为满足未来作战需要，海军正在寻求一种速度高达6马赫的导弹，用以摧毁对手时间敏感目标。
从作战舰艇上发射的BGM－109“战斧”式巡航导弹，可以打击远在700海里至1350海里内的陆上或海上目标。“战斧”式导弹是一种亚音速导弹，它能以每小时550英里的速度准确命中目标。
然而，除此之外，国防部研究人员正在调查某型导弹飞行速度可达6马赫或超过每小时4500英里的可行性和潜力。
“速度带给打击武器的是跟踪并打击时间敏感目标的能力。”超高音速飞行验证项目(HyFly)经理吉尔格拉夫说。
格拉夫是海军研究所办公室负责应用研究和武器技术的高级职员，他正在与美国国防部高级研究计划署一道，为海军生产这种能高速飞行的导弹。
“速度给你的是一种能够跟踪这些远程目标的能力。”格拉夫说 。“这就意味着你可以大大地减少即将处于的或已经处于危险之中的军队的数目。如果你能够足够地接近它，你就可以用炸弹或迫击炮或步枪打击时间敏感目标。但是，通常情况下，可能目标出现了，我们却并没有注意到它们，你将不得不安排多一点军队，来找到这个未知的目标”。
该超高音速飞行项目的目标就是要验证一项关键技术，即在海军能将此技术用于下一代超音速巡航导弹的环境下，将导弹加速到6马赫的技术。据国防部高级研究计划署称，超超高音速飞行项目旨在验证一种射程达六百海里、速度可达每秒4400英尺或每小时3000英里的火箭。
对于拥有6马赫飞行速度的导弹是不会打破任何速度记录的，格拉夫说。这儿有许多脱离地球重力场的速度存在，即使是空间再进入或弹道导弹再入大气层都能很轻松地达到20马赫以上的速度。
当前的挑战是建立一个飞行速度在6马赫而且保持和海军导弹一样小的东西。当美国航天局建成能够上月球或者更远地方的飞行器时，它使用携带燃料和氧化剂的运载火箭。喷气发动机替代了火箭推进器，将使巡航导弹变得更轻更紧凑。
“喷气发动机是直接从空气中获得氧化剂的，因此储存要求降低了，”格拉夫说。“然而，这也会让你要受到一定的限制，因为你必须安装管道系统来吸入空气。但就总体而言，如果你想要获得更远的射程，就标准尺寸的发动机而言，喷气发动机可以使你获得想要的射程，或者说你能得到想要的总冲程。”
格拉夫说，最快的引擎是那些靠火箭推动的引擎。当喷气发动机在很长一段时间内达不到那些速度的话，他们表现出维持这样速度的潜力，例如超高音速飞行计划中的6马赫目标。
BGM-109A的结构图
冲压发动机和超音速冲压喷射发动机
政府已经验证了几种喷气发动机。这些喷气发动机主要分为冲压发动机和超音速冲压发动机。
“典型的冲压发动机在速度上是受限制的”格拉夫说。“目前，涡轮发动机的速度被限制在3马赫左右。”
当速度超过3马赫时，冲压发动机的效率会越来越低，接近5马赫的时候该技术已达极限，他补充说。冲压发动机是将空气进行压缩，并将燃油注入压缩空气中。
“然而，你在燃点所点燃的空气是以亚音速运动的。”格拉夫说。“虽然这样就能高效率地燃烧，释放出所有的能源，但也使之很难达到超音速空气流。”。
格拉夫估计，冲压发动机里气流的速度仅仅能达到1马赫的10%到20%左右。当发动机速度过大时，管道系统就会吸入空气的速度就会放慢。冲压发动机运行速度超过3马赫或3马赫时，管道系统的振动加剧，而且管道中空气也会因振动而升温。
格拉夫说，“当你想要将你的发动机拉升到你想要的速度时，冲压发动机的效率就会变得越来越低。因此，你就陷入了两难境地，一方面相要提高速度，一方面空气又拖曳着使速度降低。”
冲压发动机技术发展到极限时，超音速冲压喷射发动机技术开始出现。超音速冲压喷射发动机是一种超音速燃烧冲压发动机。目前，超音速冲压喷射发动机技术要求速度必须达到4马赫以上。在超音速冲压喷射发动机里，空气流的速度超过了音速。
美国宇航局已经首次成功试飞了安装有超音速冲压喷射发动机的X-43飞机。X－43飞机的首次飞行速度达到了7马赫，第二次飞行速度更是达到了10马赫。美国宇航局说，它的冲压发动机速度能够达到15马赫。
但是X-43技术并不适用于巡航导弹系统，对军方来说，该试验并非没有可借鉴之处，格拉夫说。X-43使用氢气和氧气，但这对于巡航导弹来讲，是相当困难的要求。
所以，格拉夫说，超音速飞行解决方案，就是把冲压发动机和超音速冲压喷射发动机最好的功能结合起来，以常规碳氢燃料来验证火箭飞行。
试飞
2005年秋，在加州穆古海军空中武器中心试验期间，波音公司对超高音速攻击进行了一次成功的验证。
据波音公司透露，在穆古海军海上试验场，一架波音F-15E“攻击鹰”从空中发射了一枚超高音速火箭。该火箭使用了固体燃料发动机，它成功地点火并使速度超过了3马赫。
在2005年的第一次试验中，波音公司从一架F-15E攻击鹰中发射了一种无动力超音速火箭，验证了火箭安全脱离和导航控制功能。
“这是一次分离试飞，”格拉夫说。“在它后面有一个发动机，不是现实中的发动机，而是大规模模拟器，它有真正的航空电子设备和控制系统。我们只是想要验证火箭生存能力和有效荷载。航空电子设备和控制系统使我们在发射后能及时地捕捉着到火箭。”
接下来的三次试飞，第一次试飞要求超音速飞行火箭在动力飞行阶段时使用一个助推器和双重燃烧冲压发动机（柴油共轨），以达到6马赫速度的目标。超音速飞行的目标最终是要利用这个柴油共轨发动机驱动超音速冲压喷射发动机，这种超音速冲压喷射发动机运行时带有配合海军舰艇，潜艇和飞机等的导弹配置系统。
格拉夫说，“如果燃烧处的空气流是超音速的，化学反应要以更快的速度达到这一点。这是一个挑战”。
为了克服遇到的挑战，国防高级研究计划署和海军研究办公室正在设计一个火箭，使超音速火箭达到设计的速度。
“一般情况下，我们设想的作战系统是一个嵌入式火箭，基本上都是在最后阶段脱离。”格拉夫说。“另一种方式是一个区间火箭。工作原理是该冲压发动机燃烧室基本上是一个空心管，当你在燃烧它的时候，它是不运行的”。
“这是从飞机上发射它时你所需要的配置，”他说。 “飞机以亚音速速度飞行，他们脱离这些东西，并点燃它。然后点燃发动机，并逐渐燃烧完全，然后喷射。”
在潜艇发射超高音速导弹需要额外的火箭发动机。因为它是在海平面以下，而且必须提供更多的能量来推动导弹，格拉夫说。但国防高级研究计划署和海军研究办公室正在研究一个可以从空中、海上、海下面和地面都可以发射单一结构。
超音速飞行使用的火箭不能太大，因为他们必须匹配标准导弹配置的轨迹，格拉夫说，这就是为什么海军对柴油共轨发动机感兴趣的原因。柴油共轨发动机使超音速飞行变成冲压发动机和超音速冲压喷射发动机，他说。这是在美国约翰霍普金斯应用物理实验室创建的。
约翰霍普金斯给此项目提供了技术支持和测试，以及通过飞机使得柴油共轨发动机可以应用了。在加州中国湖的海军航空战中心武器部，为超音速飞行提供了固体火箭助推器。波音集成了件通过幻影工厂对各种部件进行了集成。
“这件事的关键问题是验证发动机和机身在高速远程飞行中能有效结合。”格拉夫说。“使在战术导弹有足够射程和性能。”
“这是对发动机和机身真正的验证”他说。“其中一部分就体现了飞行器引擎的效率和性能。另一部分说明我们有能够经受住高温环境的材料。”
FASTT工艺
波音公司使用三级动力火箭的努力只是高超音速飞行项目的一部分。而其它高超音速飞行项目被称为“自由大气冲压发动机试验技术”（FASTT）。
FASTT项目的目标是在飞行中获得发动机运作的相关数据，格拉夫说。为了进行测试，引擎被ATK-GASL公司按小比例进行设计。
“他们一直在支持美国航天局的X-43计划，”格拉夫说。“他们已经支持了大量高速的案例。FASTT是专为短程飞行设计的，仅仅是获得引擎的相关数据。飞行时间只有十至三十秒。我们不在大马赫范围内飞行，而是集中在短程飞行测试上。”
FASTT使用了较小版本的超音速飞行柴油共轨发动机，它有无制导固体火箭系统，该系统由DTI集成，格拉夫说。在2005年年底， FASTT飞行器成功地F进行了短期测试。
“我们成功地将速度升至5.7马赫，比我们想要的高出一点点。”格拉夫说。“下一大步是在5马赫的速度上分离助推器，然后分开进气道盖子，让发动机运行”。
格拉夫解释说，在超音速飞行器里，风道系统入口都被盖好了，当火箭提供了最初推力，然后盖子不断下降，让发动机将空气带进其管道。
“现在关键的是验证我们的引擎模型。”他说。“我们的引擎模型是基于地面测试而设计，这个与之前不同。你不可能在地面上模拟空气中的飞行环境。这些不同之处非常重要” 。
超音速飞行计划的所有验证火箭都使用了JP-10碳氢燃料。海军研究办公室和美国国防高级研究计划署打算使用相同的常规燃料来驱动任何终端巡航导弹。
“我们实行了所谓的'木轮'概念。”格拉夫说。“比如你拥有一枚战斧式巡航导弹，你把燃料注入一个盒子里，然后将盒子放入发射管，尔后几年你都不用去管它。”
“所以你希望这种燃料能够在所有不同的温度下保持长时间稳定，但是实际上你基本已经忘记了这件事情。”他说。“重新加注合格的燃料是一个费时费力的过程。真正的大问题是，当他们受到攻击的时候，在常规舰上环境中保持燃料不被点燃的危险。”
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