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黄志澄:印度高超声速技术虽有进展,但仍处于起步阶段

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1.AVATAR:印度“梦之计划”

世界高超声速技术的发展已约80年。从冷战开始,美俄一直处于这项技术发展的前列,并都以发展使用超声速燃烧冲压发动机的高超声速飞行器技术为重点,当前这方面虽然有所进展,但离实用仍有距离。近年来高超声速技术已经扩展到包括使用火箭发动机在内的高超声速飞行器,如高超声速助推滑翔飞行器,甚至包括航天飞机,但各国并没有放弃吸气式高超声速飞行器的发展。

 比起美俄来说,印度在高超声速技术方面是一个后发国家,它既有优势,也有劣势,在这里我们将对此做一个简要的评述。

在世界发展高超声速技术的高潮中,印度国防研究发展组织(DRDO)在2007年6月29日宣布,该组织的最具雄心的项目,即“高超声速吸气式空天运输飞行器 (Aerobic Vehicle for Hypersonic Aerospace Transportation,AVATAR)”的验证飞行器,计划在2008年进行试飞(2001年内部提出)。

AVATAR(阿凡达)在梵文中有“复活”、“下凡”的意思,表达了印度人对空天飞机的向往。这种空天飞机的概念是在2001年由一个印度工程师提出的。它是一种可重复使用、水平起飞的吸气式单级入轨飞机,采用涡轮冲压/超燃冲压/火箭组合循环发动机,总重25吨(其中60%是液氢燃料),每次可发射1吨重的有效载荷送入太空。一架空天飞机在其寿命周期内可执行100次这样的任务。它在不携带火箭发动机时,还可作为一种高超声速飞机,用于对地攻击或侦察,然后返回基地。后来,印度前总统、“印度导弹之父”卡拉姆,提出印度要研制AVATAR空天飞机,并称之为 “梦之计划”。

 HSTDV:磨剑十五年

显然 ,直接研制AVATAR空天飞机难度极大,必须分阶段实施。2005年,印度国防研究与发展组织(DRDO)就宣布,为了研制AVATAR空天飞机,首先要研制一个“高超声速技术验证飞行器(Hypersonic Technology Demonstrator  Vehicle ,HSTDV)”。它包括运载火箭(LV)和一个巡航飞行器(CV)。巡航飞行器将使用以煤油为燃料的超声速燃烧冲压发动机(Scramjet)。验证飞行器通过飞行试验要达到的目的是,验证超声速燃烧冲压发动机的性能,以及高超声速飞行器的空气动力性能、防热系统和热结构等。

当地时间9月7日上午11点03分,由DRDO研制的HSTDV,在阿卜杜尔·卡拉姆试验场,由“烈火”导弹的助推器搭载升空至 30 km-35 km的高度, 转入以煤油为燃料的单模态超燃冲压发动机推进,燃烧了20多秒,速度达到6马赫。DRDO对HSTDV的所有参数都进行了测试,包括燃烧室压力、进气道和控制制导参数等。印度媒体称,HSTDV的成功,让印度加入了“高超音速导弹俱乐部”,成为继美国、中国和俄罗斯之后,全球第4个开发和测试这一技术的国家,这将为印度研制6倍声速的导弹铺平道路,并且有望在5年内制造出第一枚高超声速导弹。

HSDTV的巡航飞行器 (Cruise Vehicle, CV),长 5.6 m,质量为 1000 kg, 其横截面为扁平八角形,机体中部装有一对短翼, 机体后部装有倾斜垂直尾翼。进气道长度为 3.7 m,横截面形状为矩形。超燃冲压发动机位于机体中下部,机体尾部作为排气喷管的一部分。机体前部有两个平行的挡板,用于增加推力。机翼后缘的襟翼用于飞行器滚转控制。可偏转的喷管位于燃烧室后端,其偏转角可达 25°,以确保在发动机开启和关闭阶段具有令人满意的性能。机体下表面、机翼和尾翼由钛合金制成,而机体上表面由铝合金复合材料制成。发动机内表面用铌合金材料, 外表面采用镍铬钛合金材料。    HSTDV的超燃冲压发动机,其碳氢燃料通过一系列交错的喷射杆,喷入燃烧室。设计的超燃冲压燃烧室长度为 1.8 m,截面为矩形,靠近进气道一端为 100 mm ×230 mm, 出口端为 250 mm × 230 mm。DRDO设计的全尺寸超燃冲压燃烧室,已在 HST4激波风洞中测量了有 /无喷射杆的气动特征。进行的试验包括测量沿燃烧室内壁的静压和热流密度分布、以及有 /无燃料喷射杆的模型总阻力。

地面基础设施必须先行

印度是积极发展吸气式高超声速技术的国家之一,与其它正在发展高超声速技术的国家一样,发展高超声速技术的途径是从地面试验到飞行试验。

高超声速技术的基础在于在实验室中模拟高超声速飞行环境的能力,并能正确地将地面模拟试验数据外推到飞行条件,然后完成验证飞行器的飞行试验。因此,印度近年来,除了充分发挥原有的较小的高超声速风洞的作用外,已经逐步建成几座大型高超声速风洞。在这些风洞中,已经进行了一系列验证飞行器的气动力、气动热试验和超燃冲压发动机的试验。

首先,印度科学研究所(IISc)的空天工程部。是印度传统的高超声速研究中心。该中心拥有一系列的高超声速风洞设备, 包括 HST1激波风洞(试验段尺寸为 300 mm ×300 mm) , HST2激波风洞 (试验段尺寸为300 mm × 300 mm) , HST4激波风洞 (试验段尺寸为1000 mm) ,以及自由活塞式的高超声速激波风洞 HST3 (自由射流段尺寸为 300 mm)。该研究所已对 HST4激波风洞进行了改造, 增加了一个直径为600 mm、长度为42 m的压缩管,将它改造成为一个自由活塞式的激波风洞。另外,这个研究所在2014年还建成了一个试验段为500 mm的暂冲式高超声速风洞,模拟的速度为Ma6-10。其建设经费由印度DRDO提供。该风洞将用于印度研发的新式高速军事平台,包括HSTDV和“布拉莫斯”高超声速导弹等项目的气动试验。

其次,印度太空研究发展组织(ISRO)的Vikram Sarahai航天中心(VSSC),已建成了的常大型规高超声速风洞和试验段尺寸为1000 mm的燃烧驱动的激波风洞。已经用于有关运载火箭、太空飞船回收试验飞行器(SRE)、重复使用运载器的验证飞行器(RLV-TD)和超燃冲压发动机等项目的试验。

最后,印度的大学如孟买印度理工学院和马德拉斯印度理工学院,都有试验段尺寸为300 mm左右的激波风洞。前一座风洞还有配套的天平能进行测力试验。

由文献可见,印度的超燃冲压发动机地面试验,只采用直联式设备,这对于要求进行发动机和机体一体化设计的吸气式高超声速飞行器来说,其能力是难于满足要求的。好在印度的计算流体力学(CFD)的水平较高,可以有所弥补。从长远来看,印度仍需建设满足发展吸气式高超声速飞行器所需的更高性能的地面模拟设备。

“布拉莫斯”高超音速导弹进展缓慢

2011年6月12日报道  印度前总统阿卜杜勒·卡拉姆要求布拉莫斯空天公司研制“布拉莫斯”巡航导弹的高超声速型,以保持印度在该领域的领导地位。卡拉姆在“布拉莫斯”超声速巡航导弹发射10周年纪念会上演讲时说:“你们应研制一种‘布拉莫斯’高超声速型号,且能可重复使用,即该导弹应能投递战斗部并返回基地。这将有助于保持我们在该领域的领导地位。”   

      在这之后,不断有下一代“布拉莫斯”导弹的消息传来,虽然印度军方对此抱有很高期望,但由于难于突破关键技术,导致新导弹的指标不断降低和研制进度放缓。据媒体报道将在2024年可能完成样弹制造。另一方面,俄罗斯的“彼得大帝”号核动力重型导弹巡洋舰(西方称之为“战列巡洋舰”),在2019年开始进行现代化改装,该舰将会首先装备最新型高超声速反舰导弹,代号“锆石”。关于“锆石”导弹,目前它的具体数据仍是个谜。

载简评印度高超音速技术

关于这次HSTDV的飞行试验,虽然可以肯定印度在高超声速技术方面已取得了较大进步,但它对研制AVATAR空天飞机来说,还处在起步阶段。由于这次试验的并不是能够实现亚燃和超燃的双模态的发动机,只有超燃一个模态,其水平还无法和美国空军的X-51A的双模态发动机相比。在2013年X-51A的第四次飞行中,发动机工作了209秒,而HSTDV的发动机在这次试验中只工作了20 秒。就是和2004年美国NASA的X-43A的单模态发动机的飞行试验的水平,也无法相比。X-43A是在飞机投放后的巡航飞行状态下实现了加速飞行,而印度这种用火箭助推的飞行试验,很难实现巡航飞行状态。类似的试验,上世纪90年代后期俄罗斯就做过,美国NASA也曾参与,但NASA认为这种状态的试验,无法判断发动机是否实现了超声速燃烧,也无法判断发动机的推力是否大于飞行器的阻力。若在目前试验的发动机的基础上,要研制出实用的采用吸气式发动机的高超声速导弹,还有一段很长的路要走。

印度的空天飞机计划虽然十分雄伟,但印度的地面试验能力明显不足,严重制约了其计划的实施。目前印度虽然建设了一些地面模拟设备,但其尺寸较小,模拟能力和测试能力都有限,难于满足印度高超声速技术进一步发展的要求。早年,印度在这方面曾求助于以色列、英国和俄罗斯。以色列和英国 Cranfield大学已对印度高超声速技术验证器计划提供了部分援助, 其中包括风洞试验。目前可能还有其它国家也在为印度提供技术援助。长期以来,印度之军事工业的合作者主要是俄罗斯,俄罗斯曾对高超声速推进系统曾进行了大量研究,通过“布拉莫斯” 高超声速导弹的合作,肯定对印度有所帮助,但从导弹研制进度来看,估计俄罗斯有所保留。   最后,印度的工业基础与其它大国相比,还是比较薄弱,这将影响印度自主发展高超声速技术,估计印度将会进一步加强国际合作。

结束语

随着印度国力的日益强大, 其谋求成为军事和政治大国的意愿不断上升。因此, 在世界范围内正在进行的高超声速技术研究热潮带动下, 印度利用了它在国际合作方面的优势,也开展了大量高超声速技术的研究。这次HSTDV试验让印度的吸气式高超声速技术迈出了重要的一步。通过该项目的研究, 印度完成了高超声速试验飞行器以及超燃冲压发动机的设计、制造、地面试验和飞行试验, 并且带动了高超声速相关试验设施的建设, 对于推动印度高超声速技术的发展起了重要作用。

在发展高超声速武器方面,印度要从仿制走向自研制,必须建立自己的高超声速技术基础。这其中既涉及国家的整体制造业基础,也包括必要的高超声速地面试验设备。从目前的情况来看成,印度在这两方面都尚有欠缺,从而这必将成为制约印度高超声速技术发展速度的重要因素。

我国著名科学家钱学森先生和印度前总统卡拉姆一样,都曾长期从事导弹、火箭的研制,都对祖国的航天发展做出了杰出的贡献,并都对空天飞机的发充满期望。无疑,由于钱学森先生的战略眼光和大力倡导,我国在高超声速技术的地面基础设施方面,要优于印度许多,从而可以相信,我国必将对高超声速技术的发展做出更大的贡献! 

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