溫　杰

近年來，美國海軍在DARPA的大力支持下，積極推動“高超聲速飛行”(HyFly)驗證計劃的發(fā)展，旨在早日研制出一種高超聲速巡航導彈所需的推進系統(tǒng)，并在一些關鍵技術領域中取得了很大進展。然而，HyFly計劃一路跌跌撞撞。在2008年伊始所實施的最后一次驗證試飛中再次遭遇挫折，導致研制工作暫時陷入僵局，給美國海軍高超聲速巡航導彈的未來發(fā)展蒙上了一層陰影。

研制方案起死回生

HyFly計劃是美國海軍長期深入研究高超聲速導彈技術的一個重要階段。早在20世紀60年代初，美國海軍就提出了一項“超燃沖壓發(fā)動機導彈”(SCRAM)計劃，目的在于研制一種小型艦空導彈，由霍普金斯大學的應用物理實驗室全面負責推進系統(tǒng)的研究工作。在十多年時間里，研究人員經(jīng)過各種嘗試，在雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機方面取得了顯著進展。然而，美國海軍卻認為這一技術方案所使用的燃料存在毒性、而且狀態(tài)活潑，不適于艦載導彈使用。

為此，研究人員將目光轉(zhuǎn)向了應用物理實驗室在20世紀70年代初提出的一種技術概念一雙燃燒室沖壓發(fā)動機(DCR)，曾經(jīng)在試驗中證實了使用常規(guī)碳氫燃料的可行性。從1977年開始，研究人員著手研制一種能夠?qū)崿F(xiàn)工程應用的DCR發(fā)動機，但先后花費了10年時間，才在進氣道、亞聲速燃燒室和超聲速燃燒室的結構及匹配方面取得了一些突破。為此，美國海軍不失時機地提出“高超聲速武器技術”(HWT)計劃，繼續(xù)大力推進DCR發(fā)動機的關鍵技術驗證工作，為研制一種遠程高超聲速巡航導彈奠定基礎。

1996年，DARPA為了集中力量發(fā)展高超聲速推進技術，將美國海軍的HWT計劃和美國空軍“高超聲速技術”(HyTech)計劃合并為一項，發(fā)起了“可負擔的快速響應導彈驗證機”(ARRMD)計劃。該計劃要求，未來的高超聲速導彈必須能與美國空軍和海軍的多種戰(zhàn)術飛機、戰(zhàn)略轟炸機、水面艦艇垂直發(fā)射系統(tǒng)、潛艇發(fā)射管相兼容，在打擊不同目標時，可以分別采用整體式戰(zhàn)斗部、子彈藥和動能侵徹戰(zhàn)斗部，重點打擊時敏目標和深埋于地下的堅固目標。

國防高級研究計劃局(DARPA)出于穩(wěn)妥考慮，在ARRMD計劃中仍然保留美國空軍和海軍的各自技術方案，希望通過為期18個月的風險評估和方案論證，從中選擇出具有發(fā)展前景的設計方案，進行下一階段的飛行驗證。經(jīng)過波音公司近兩年的初步研究，DARPA認為美國海軍的DCR發(fā)動機的高超聲速工作速度范圍相對有限，并存在一些技術難點有待克服，于是，美國空軍的雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機設計脫穎而出，后來這種乘波機方案幾經(jīng)發(fā)展，逐步演變成為目前的X-51A計劃。

然而，普惠公司在研制超燃沖壓發(fā)動機的過程中，一度遇到了在超聲速氣流中無法維持燃燒的重大難題，導致ARRMD計劃一再拖延，最終在2001年被迫終止。于是，DARPA重新審視了此前落選的DCR發(fā)動機方案，希望尋找到另一個可行的技術途徑。作為ARRMD計劃的延續(xù)，美國海軍研究辦公室和DARPA在2002年2月共同發(fā)起了為期4年的HyFly計劃，將一項價值9240萬美元的合同授予了波音公司鬼怪工廠，用于設計、研制和試驗一種驗證機。

HyFly計劃旨在發(fā)展高超聲速巡航導彈所必需的一些關鍵技術，力求通過數(shù)次飛行試驗，表明采用常規(guī)碳氫燃料的DCR發(fā)動機能夠?qū)崿F(xiàn)最大巡航速度M6.0，同時還將驗證導彈結構能夠承受高超聲速持續(xù)飛行所產(chǎn)生的高溫。美國海軍的目標是在這一技術成熟后，進一步研制出一種高超聲速巡航導彈，射程超過1110千米。

關鍵技術厚積薄發(fā)

就總體設計而言，HyFly驗證機的外形酷似一枚大型反艦導彈，彈體采用鈦合金制造，外部噴涂了特殊材料，以承受高速飛行所產(chǎn)生的高溫。它的彈徑較大，主要是為了滿足DCR發(fā)動機的結構設計要求，發(fā)動機的長度為4.25米，直徑大約500毫米。

從推進技術角度來看，DCR發(fā)動機是一種將亞聲速燃燒室和超聲速燃燒室串聯(lián)一體的超燃沖壓發(fā)動機，可以更容易實現(xiàn)起動，在相對較低的M3.0時順利點火。因此，DCR發(fā)動機不僅突破了傳統(tǒng)沖壓發(fā)動機的速度極限，還克服了雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機的一些局限，可以看作一種技術上的創(chuàng)新，很大程度上表現(xiàn)了應用物理實驗室在這一技術領域的厚積薄發(fā)。

目前，沖壓發(fā)動機典型的工作范圍在M3.0～5.0，超過M5.0時，空氣在進氣道內(nèi)的滯止過程將發(fā)動機內(nèi)的溫度增加到某一值后，難以通過燃燒有效地增加更多的熱量，工作效率非常低，最終喪失了靜推力，無法在高超聲速領域?qū)嶋H應用。相反，超燃沖壓發(fā)動機在大約M4～4.5飛行速度下投入工作，超聲速空氣與燃料在超聲速條件下混合、點火、膨脹后產(chǎn)生推力，但是，形成油氣混合氣并點燃的整個過程還不到幾毫秒，這對碳氫燃料提出了十分苛刻的要求。

為了有效解決這一矛盾，普惠公司在X-51A計劃中，直接讓碳氫燃料通過超燃沖壓發(fā)動機的殼體，利用超聲速和高超聲速所產(chǎn)生的熱量，先將JP-7燃料裂解成為更容易揮發(fā)的成份。然后，這些氣態(tài)成份經(jīng)過一個專門的控制閥門噴射到超聲速氣流中，點燃后實現(xiàn)完全燃燒，產(chǎn)生推力。相比之下，DCR發(fā)動機則另辟蹊徑，通過兩個燃燒室來處理碳氫燃料順利實現(xiàn)燃燒的難題。它的工作機理是先借助亞聲速燃燒室進行預先燃燒，再利用超聲速燃燒室實現(xiàn)完全燃燒，獲得所需的推力。

DCR發(fā)動機采用軸對稱的超聲速進氣道，由尖銳修長的進氣錐和6個戽斗形外殼組成，前者起到壓縮和滯止超聲速氣流的作用，后者擔當起引導空氣分流的任務。最值得注意的是戽斗形外殼的內(nèi)部結構，別具匠心地設計成為3個不同的氣流通道，巧妙地將滯止后的亞聲速氣流分為3股，以滿足不同燃燒狀態(tài)的需要。

首先，大約25％的空氣流量通過－個旋流通道和一個導流通道流入亞聲速燃燒室。其中約1／4空氣通過強迫旋轉(zhuǎn)后進一步減速，與霧化的燃料形成適合于點火的最佳油氣混合氣，其余的空氣則與碳氫燃料混合成一種的富油混合氣，可以點燃并保持燃燒穩(wěn)定，未完全燃燒的混合氣經(jīng)過收斂通道膨脹到超聲速狀態(tài)。這一工作機理與沖壓發(fā)動機的燃燒過程大體相似，因此DCR發(fā)動機的工作起始速度降低到了M3.0，相應擴大到較低馬赫數(shù)的工作范圍。

與此同時，大約75％的空氣流過一個專門設計的收斂通道，再次加速到超聲速后，進入到超聲速燃燒室內(nèi)。在這里，超聲速氣流與超聲速的富油混合氣均勻穩(wěn)定地完成充分摻混，使得油氣混合氣達到最佳燃燒狀態(tài)的比例，利用前面的預燃作用，實現(xiàn)一個完全燃燒過程。這樣，DCR發(fā)動機就實現(xiàn)了穩(wěn)定的超聲速燃燒，可以獲得M6.0的高超聲速性能。

裝備使用從長計議

20多年來，美國海軍一直青睞DCR發(fā)動機，并未看好美國空軍X-51A計劃所采用的雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機，這里面主要是基于多方面的長遠考慮。首要的是在應用方面。長期以來，美國海軍只是關注研制一種高超聲速巡航導彈所需的動力裝置，而美國空軍和NASA的研制目標不僅用于發(fā)展一種高超聲速導彈，同時還能夠滿足可重復使用高超聲速平臺等多方面要求，這意味著推進系統(tǒng)可能將存在更多的復雜性和冗余度，這些對于美國海軍期望的單一用途打擊武器是沒有必要的。

其次，美國海軍還考慮到部署平臺的兼容性。高超聲速巡航導彈必須安裝進軍艦的垂直發(fā)射系統(tǒng)和潛艇的發(fā)射筒內(nèi)，還必須掛載在F／A－18E／F艦載戰(zhàn)斗機的機翼下，因此不得不考慮到結構方面的各種特殊要求。這些作戰(zhàn)平臺的使用要求都嚴格限制了導彈的長度和直徑，從而涉及到武器總體構型的研制和設計等最基本方面，都必須認真加以考慮。

美國海軍認為，空軍正在研制的超燃沖壓發(fā)動機采用了矩形截面，這是為了最大限度地減少壁面冷卻面積，因此，概念中的高超聲速導彈具有一種楔形前端的乘波機或升力體的外形，但并不適合于目前軍艦和潛艇上的發(fā)射裝置。美國海軍所希望的高超聲速巡航導彈實際上應該采用軸對稱形，而DCR發(fā)動機采用了無需冷卻的軸對稱形狀，這是一種非常適合的結構。

再者，高超聲速巡航導彈推進系統(tǒng)的起始速度很大程度上決定著固體火箭助推器的長度和尺寸。美國海軍一直認為，如果推進系統(tǒng)可以在較低的飛行速度下起動點火，那么就有可能將助推器的體積設計得更小一些，這樣就能研制出一種結構尺寸更加緊湊的導彈武器。因此，相對于超燃沖壓發(fā)動機在M4～4.5條件下點火工作而言，DCR發(fā)動機的起動速度大約在M3.0，應該是一個比較理想的選擇。

與目前的HyFly驗證機不同，美國海軍提出的導彈構型將采用一個“嵌入式”固體火箭發(fā)動機，即安裝在導彈的彈體內(nèi)，一旦消耗殆盡后即被拋棄。根據(jù)初步設計方案，高超聲速巡航導彈的艦載發(fā)射型和潛射型的長度約為6.5米，重量約1725千克，而空射型長度為4.65，重量為1044千克。如果不考慮串聯(lián)和“嵌入式”助推器，高超聲速導彈的長度大約4.27米。目前，美國海軍主要集中于DCR發(fā)動機的各項試驗，暫時還未開始“嵌入式”助推器的研制工作。

根據(jù)HyFly計劃，驗證機能夠采用了GPS實現(xiàn)制導，未來發(fā)展出的導彈武器還計劃安裝一種通信數(shù)據(jù)鏈，可以在發(fā)射后的飛行過程中實現(xiàn)重新瞄準。此外，高超聲速巡航導彈將采用數(shù)百磅載荷的戰(zhàn)斗部，也可以采用布撒子彈藥。

總之，HyFly計劃從2002年2月正式啟動，到2008年1月最后一次發(fā)射試驗，有進展或部分成功，也出現(xiàn)了很多棘手的問題有待解決，可以說是喜憂摻半。在期待多年之后，美國海軍等來了HyFly計劃鎩羽而歸的結局，寄予厚望的高超聲速巡航導彈依然是夢中的水月鏡花。

責任編輯：思空