7月24日凌晨5点,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)研制的超燃冲压发动机随日本S-520-RD1探空火箭从内浦航天中心发射升空。中午11时许,日本宇宙航空研究开发机构宣布发射试验成功。此举是日本发展高超音速武器的重要一步。
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本次日本采用的是S-520-RD1探空火箭,火箭全长9.15米,直径0.52米,重2.6吨。S-520探空火箭是从日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)研发的系列探空火箭发展而来,是为取代K-9M和K-10型探空火箭而开发的,按照火箭直径分为160、210、310、520等不同型号。S则代表火箭的级数(Stage)。也就是说本次的火箭就是单级火箭加超燃冲压发动机段。该火箭可选配三轴姿态控制和回收系统,可将100千克的有效载荷发射到300千米以上,并提供超过5分钟微重力飞行环境。S-520的单级火箭采用外壳中铸造成型的HTPB复合推进剂颗粒,内部有双推力剖面,前部有一个七尖齿轮配置,可在初始飞行提供高推力,而具有简单管状设计的后部可在飞行后期维持较低水平的推力。初始膨胀比为8:1的喷嘴旨在提高有效比冲,腔室由HT-140高强度钢制成。为了减轻重量和耐热性,尾翼前缘由钛合金制成,其主体为铝蜂窝夹层板和GFRP/CFRP层压表面板。
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S-520的火箭整流罩由玻璃钢制成,内部可以放置科学仪器,后部还可放姿态控制模块或回收模块,通过联氨侧喷射系统对火箭进行姿态控制。通过尾翼旋转来稳定大气层外的姿态。S-520-RD1号由探空火箭S-520的一级部分和飞行试验用试件组成,试飞用的超燃冲压发动机长约1.8米,直径约0.52米,重约300千克,内部装有用于点火的氢气和乙烯燃料。据外媒消息,JAXA设计的混压进气道构型与美国与澳大利亚“高超声速国际飞行研究实验”(HIFiRE)项目开发的HF2超燃冲压发动机十分相似,配有三维内收缩进气道。
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超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机。在超音速飞行时导弹进气道吸入气流,高超声速气流在进气道扩压到较低超声速,然后燃料喷入与空气中的氧结合燃烧,从尾喷管喷出做功,使得导弹转入高超音速(超过5马赫)飞行。这种发动机具有结构简单、重量轻、成本低、单位推力高、无需携带氧化剂、有效载荷大和速度快的优点。但需要外部动力将其推到高超音速才能够工作,且其低速性能不好,这种发动机主要应用于军事和航天领域。现在各国主要研究的是双模态冲压发动机和双燃烧室冲压发动机,一个是单燃烧室能够适应亚燃冲压和超燃冲压两种模式工作的发动机。一个是干脆配亚燃冲压和超燃冲压两个燃烧室的发动机,这两种都需要外部动力将其推到高超音速才能够工作。
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而日本现在试验的还是原型状态,之所以现在就进行试飞,主要是因为在超燃冲压发动机的地面风洞试验中,因为气流路径复杂造成气流湍流强度差异,因为气流受热不同气体的混合导致气动加热和发动机特性与实际飞行之间存在差异。因此JAXA正在开展研究构建一种分析工具(可能是一种算法),该工具可以校正地面风洞试验的结果,并预测实际飞行条件下吸气式发动机的特性,这需要获取实际飞行中的燃烧数据等来评估。有了这个就能够减少实现配备超燃冲压发动机的未来导弹所需的飞行测试次数,降低开发成本。
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本次实验中,S-520-RD1探空火箭以78度发射角发射,发射后68秒试验段与火箭助推器分离,随后在第70-155秒试验段的姿态控制模块工作让试验段进行约110度的姿态变化,206秒达到最高高度168千米后,随后飞行高度下降,姿态控制模块与试验段分离后,在30千米高度超燃冲压发动机工作点燃乙烯燃料,飞行速度达到5.5马赫,燃烧时间约6秒,同时试验仪器获取发动机外部产生的气动加热和发动机内部超音速燃烧的数据,通过无线电波传输到地面站。火箭发射后412秒落在内浦东南海域。测试团队将会用该数据与地面风洞测试数据进行比较。
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日本从80年代HOPE-X太空飞机项目就开始积累高超音速飞行技术,随后靠1994年OREX轨道再入试验、1996年HOPE-X验证飞行器飞行试验、HYFLEX高超音速飞行试验、2001-2007年五国合作的HyShot高超音速试验积累了很多技术,JAXA还建造了一系列高超音速风洞设施,因此为日本研制高超声速导弹打下了一定的基础。因此日本防卫省从2017年度起提供总计约18亿日元(约合人民币8900万元)补助,用于高超音速导弹的开发,随后在2019年宣布投资64亿日元开发高超声速飞行器发动机技术,准备研制高超声速巡航导弹(HCM)和高超声速滑翔弹(HVGP)等两种防区外高超声速反舰武器,其中高超声速巡航导弹委托的正是JAXA与日本先进科学研究中心(ASRC),计划2030年列装。也就是说这款发动机一旦研制成功,日本就离高超声速巡航导弹更近了一步,因此我们理应警惕。
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话说回来,我们就没有相应的研究吗?当然有了!就从公开的资料来说,比如2018年公布的凌云高超音速飞行器,2015年末就试飞成功,2020年6月中科院范学军团队研制的超燃冲压发动机在一次地面试验中,已实现连续600秒运行时间的成绩,就在7月4日,由西北工业大学航天学院空天组合动力创新团队牵头研制的“飞天一号”火箭冲压组合动力在西北某基地成功发射,国际首次验证了煤油燃料火箭冲压组合循环发动机火箭/亚燃、亚燃、超燃、火箭/超燃的多模态平稳过渡和宽域综合能力,飞行试验圆满成功。这可是世界顶尖水平!还用我多说什么吗?
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