ＨｙＦｌｙ验证机铩羽而归

温　杰

近年来，美国海军在DARPA的大力支持下，积极推动“高超声速飞行”(HyFly)验证计划的发展，旨在早日研制出一种高超声速巡航导弹所需的推进系统，并在一些关键技术领域中取得了很大进展。然而，HyFly计划一路跌跌撞撞。在2008年伊始所实施的最后一次验证试飞中再次遭遇挫折，导致研制工作暂时陷入僵局，给美国海军高超声速巡航导弹的未来发展蒙上了一层阴影。

研制方案起死回生

HyFly计划是美国海军长期深入研究高超声速导弹技术的一个重要阶段。早在20世纪60年代初，美国海军就提出了一项“超燃冲压发动机导弹”(SCRAM)计划，目的在于研制一种小型舰空导弹，由霍普金斯大学的应用物理实验室全面负责推进系统的研究工作。在十多年时间里，研究人员经过各种尝试，在双模态超燃冲压发动机方面取得了显著进展。然而，美国海军却认为这一技术方案所使用的燃料存在毒性、而且状态活泼，不适于舰载导弹使用。

为此，研究人员将目光转向了应用物理实验室在20世纪70年代初提出的一种技术概念一双燃烧室冲压发动机(DCR)，曾经在试验中证实了使用常规碳氢燃料的可行性。从1977年开始，研究人员着手研制一种能够实现工程应用的DCR发动机，但先后花费了10年时间，才在进气道、亚声速燃烧室和超声速燃烧室的结构及匹配方面取得了一些突破。为此，美国海军不失时机地提出“高超声速武器技术”(HWT)计划，继续大力推进DCR发动机的关键技术验证工作，为研制一种远程高超声速巡航导弹奠定基础。

1996年，DARPA为了集中力量发展高超声速推进技术，将美国海军的HWT计划和美国空军“高超声速技术”(HyTech)计划合并为一项，发起了“可负担的快速响应导弹验证机”(ARRMD)计划。该计划要求，未来的高超声速导弹必须能与美国空军和海军的多种战术飞机、战略轰炸机、水面舰艇垂直发射系统、潜艇发射管相兼容，在打击不同目标时，可以分别采用整体式战斗部、子弹药和动能侵彻战斗部，重点打击时敏目标和深埋于地下的坚固目标。

国防高级研究计划局(DARPA)出于稳妥考虑，在ARRMD计划中仍然保留美国空军和海军的各自技术方案，希望通过为期18个月的风险评估和方案论证，从中选择出具有发展前景的设计方案，进行下一阶段的飞行验证。经过波音公司近两年的初步研究，DARPA认为美国海军的DCR发动机的高超声速工作速度范围相对有限，并存在一些技术难点有待克服，于是，美国空军的双模态超燃冲压发动机设计脱颖而出，后来这种乘波机方案几经发展，逐步演变成为目前的X-51A计划。

然而，普惠公司在研制超燃冲压发动机的过程中，一度遇到了在超声速气流中无法维持燃烧的重大难题，导致ARRMD计划一再拖延，最终在2001年被迫终止。于是，DARPA重新审视了此前落选的DCR发动机方案，希望寻找到另一个可行的技术途径。作为ARRMD计划的延续，美国海军研究办公室和DARPA在2002年2月共同发起了为期4年的HyFly计划，将一项价值9240万美元的合同授予了波音公司鬼怪工厂，用于设计、研制和试验一种验证机。

HyFly计划旨在发展高超声速巡航导弹所必需的一些关键技术，力求通过数次飞行试验，表明采用常规碳氢燃料的DCR发动机能够实现最大巡航速度M6.0，同时还将验证导弹结构能够承受高超声速持续飞行所产生的高温。美国海军的目标是在这一技术成熟后，进一步研制出一种高超声速巡航导弹，射程超过1110千米。

关键技术厚积薄发

就总体设计而言，HyFly验证机的外形酷似一枚大型反舰导弹，弹体采用钛合金制造，外部喷涂了特殊材料，以承受高速飞行所产生的高温。它的弹径较大，主要是为了满足DCR发动机的结构设计要求，发动机的长度为4.25米，直径大约500毫米。

从推进技术角度来看，DCR发动机是一种将亚声速燃烧室和超声速燃烧室串联一体的超燃冲压发动机，可以更容易实现起动，在相对较低的M3.0时顺利点火。因此，DCR发动机不仅突破了传统冲压发动机的速度极限，还克服了双模态超燃冲压发动机的一些局限，可以看作一种技术上的创新，很大程度上表现了应用物理实验室在这一技术领域的厚积薄发。

目前，冲压发动机典型的工作范围在M3.0～5.0，超过M5.0时，空气在进气道内的滞止过程将发动机内的温度增加到某一值后，难以通过燃烧有效地增加更多的热量，工作效率非常低，最终丧失了静推力，无法在高超声速领域实际应用。相反，超燃冲压发动机在大约M4～4.5飞行速度下投入工作，超声速空气与燃料在超声速条件下混合、点火、膨胀后产生推力，但是，形成油气混合气并点燃的整个过程还不到几毫秒，这对碳氢燃料提出了十分苛刻的要求。

为了有效解决这一矛盾，普惠公司在X-51A计划中，直接让碳氢燃料通过超燃冲压发动机的壳体，利用超声速和高超声速所产生的热量，先将JP-7燃料裂解成为更容易挥发的成份。然后，这些气态成份经过一个专门的控制阀门喷射到超声速气流中，点燃后实现完全燃烧，产生推力。相比之下，DCR发动机则另辟蹊径，通过两个燃烧室来处理碳氢燃料顺利实现燃烧的难题。它的工作机理是先借助亚声速燃烧室进行预先燃烧，再利用超声速燃烧室实现完全燃烧，获得所需的推力。

DCR发动机采用轴对称的超声速进气道，由尖锐修长的进气锥和6个戽斗形外壳组成，前者起到压缩和滞止超声速气流的作用，后者担当起引导空气分流的任务。最值得注意的是戽斗形外壳的内部结构，别具匠心地设计成为3个不同的气流通道，巧妙地将滞止后的亚声速气流分为3股，以满足不同燃烧状态的需要。

首先，大约25％的空气流量通过－个旋流通道和一个导流通道流入亚声速燃烧室。其中约1／4空气通过强迫旋转后进一步减速，与雾化的燃料形成适合于点火的最佳油气混合气，其余的空气则与碳氢燃料混合成一种的富油混合气，可以点燃并保持燃烧稳定，未完全燃烧的混合气经过收敛通道膨胀到超声速状态。这一工作机理与冲压发动机的燃烧过程大体相似，因此DCR发动机的工作起始速度降低到了M3.0，相应扩大到较低马赫数的工作范围。

与此同时，大约75％的空气流过一个专门设计的收敛通道，再次加速到超声速后，进入到超声速燃烧室内。在这里，超声速气流与超声速的富油混合气均匀稳定地完成充分掺混，使得油气混合气达到最佳燃烧状态的比例，利用前面的预燃作用，实现一个完全燃烧过程。这样，DCR发动机就实现了稳定的超声速燃烧，可以获得M6.0的高超声速性能。

装备使用从长计议

20多年来，美国海军一直青睐DCR发动机，并未看好美国空军X-51A计划所采用的双模态超燃冲压发动机，这里面主要是基于多方面的长远考虑。首要的是在应用方面。长期以来，美国海军只是关注研制一种高超声速巡航导弹所需的动力装置，而美国空军和NASA的研制目标不仅用于发展一种高超声速导弹，同时还能够满足可重复使用高超声速平台等多方面要求，这意味着推进系统可能将存在更多的复杂性和冗余度，这些对于美国海军期望的单一用途打击武器是没有必要的。

其次，美国海军还考虑到部署平台的兼容性。高超声速巡航导弹必须安装进军舰的垂直发射系统和潜艇的发射筒内，还必须挂载在F／A－18E／F舰载战斗机的机翼下，因此不得不考虑到结构方面的各种特殊要求。这些作战平台的使用要求都严格限制了导弹的长度和直径，从而涉及到武器总体构型的研制和设计等最基本方面，都必须认真加以考虑。

美国海军认为，空军正在研制的超燃冲压发动机采用了矩形截面，这是为了最大限度地减少壁面冷却面积，因此，概念中的高超声速导弹具有一种楔形前端的乘波机或升力体的外形，但并不适合于目前军舰和潜艇上的发射装置。美国海军所希望的高超声速巡航导弹实际上应该采用轴对称形，而DCR发动机采用了无需冷却的轴对称形状，这是一种非常适合的结构。

再者，高超声速巡航导弹推进系统的起始速度很大程度上决定着固体火箭助推器的长度和尺寸。美国海军一直认为，如果推进系统可以在较低的飞行速度下起动点火，那么就有可能将助推器的体积设计得更小一些，这样就能研制出一种结构尺寸更加紧凑的导弹武器。因此，相对于超燃冲压发动机在M4～4.5条件下点火工作而言，DCR发动机的起动速度大约在M3.0，应该是一个比较理想的选择。

与目前的HyFly验证机不同，美国海军提出的导弹构型将采用一个“嵌入式”固体火箭发动机，即安装在导弹的弹体内，一旦消耗殆尽后即被抛弃。根据初步设计方案，高超声速巡航导弹的舰载发射型和潜射型的长度约为6.5米，重量约1725千克，而空射型长度为4.65，重量为1044千克。如果不考虑串联和“嵌入式”助推器，高超声速导弹的长度大约4.27米。目前，美国海军主要集中于DCR发动机的各项试验，暂时还未开始“嵌入式”助推器的研制工作。

根据HyFly计划，验证机能够采用了GPS实现制导，未来发展出的导弹武器还计划安装一种通信数据链，可以在发射后的飞行过程中实现重新瞄准。此外，高超声速巡航导弹将采用数百磅载荷的战斗部，也可以采用布撒子弹药。

总之，HyFly计划从2002年2月正式启动，到2008年1月最后一次发射试验，有进展或部分成功，也出现了很多棘手的问题有待解决，可以说是喜忧掺半。在期待多年之后，美国海军等来了HyFly计划铩羽而归的结局，寄予厚望的高超声速巡航导弹依然是梦中的水月镜花。

责任编辑：思空