超高音速武器的设计难点在哪里?
⇓¿超高音速武器的设计难点在哪里?
谈高超音速武器,有些人的理解是:飞得快的导弹,5倍音速以上,就是高超音速导弹。
这肯定不对。
如果单纯飞得快就是高超音速导弹,东风21、26、31、41、5B、白杨M、布拉瓦、民兵3、三叉戟......这些导弹都能达到十几二十倍的音速,都是高超音速导弹了。那么问题就来了:这些导弹是高超音速导弹吗?不是!
制造高超音速武器难不难?难。即便2021年,依旧是国家级高难度技术,中美俄都是实验阶段,没有高超音速导弹正式服役。别激动,东风17、匕首、锆石后面会讲。
制造高超音速导弹很难,但制造十几二十倍音速的导弹难吗?不难。40年前的弹道导弹就20倍音速了。所谓的5-10倍高超音速导弹,短程弹道导弹几十年前都能做到。如果说不管用什么技术,只要能达到5倍音速以上都叫高超音速导弹,那就不难了。和现在高超音速导弹,中美俄这样的大国都处于实验阶段的难度,明显对不上。
导弹大体分弹道导弹和巡航导弹两大类。高超音速导弹的全称应该叫:
高超音速巡航导弹。
高超音速导弹首先得把弹道导弹全排除掉,任何一款中远程、洲际弹道导弹都比高超音速导弹快很多,对于各大国也不是高难技术。即便是短程弹道导弹,也都能达到5倍音速以上。
普通的巡航导弹,例如美国的战斧,中国的东风10,是亚音速。反舰导弹属于巡航导弹,中俄的反舰巡航导弹的速度能达到3倍音速。中国的东风100是超音速巡航导弹,速度在3倍音速之内。
对于巡航导弹而言,3倍音速已经是极限,中俄的顶尖技术能做到。想把巡航导弹的速度做到5-10倍音速,也就是高超音速巡航导弹,难度爆表,才是难。如果是弹道导弹,考虑的则不是怎样达到5-10倍音速,而是要想办法怎样减速,怎样减到这么慢的速度。
巡航导弹和弹道导弹的本质区别是:吸气还是不吸气。只有明白了这个,才能知道高超音速导弹的难点在哪。
巡航导弹的原理和飞机、汽车是一样的。导弹里面装燃料,在飞行的过程中,导弹吸入空气(氧气)。吸气,空气和燃料混合在一起,燃烧,然后推动导弹的飞行。所以巡航导弹必须在大气层内飞行,因为这里有空气。飞到大气层外,没空气,导弹发动机停车。
弹道导弹采用的是火箭发动机,燃料箱里装的是火箭燃料。火箭燃料是自带氧化剂,自身里面产氧气,不用从外面吸气。火箭发动机不需要吸入空气,不依赖外部的氧气,所以它可以飞到大气层外面。
巡航导弹是发动机吸气,混合燃料燃烧,提供动力,始终在大气层内飞行,直到击中目标。弹道导弹是氧气、燃料全部自带,全在弹体内部,混合燃烧,一直飞到大气层外,然后火箭发动机和弹头分离,弹头在大气层外,按弹道飞行,最后再重返大气层,掉下来,砸向目标。大气层外没有空气,没有阻力,重返大气层的时候,又是从太空掉下来,所有很容易达到十几二十倍音速。
东风17采用的是典型的火箭发动机,前半截锥形是战斗部,后半截圆柱形是火箭发动机,里面自带氧和燃料,没有巡航导弹标志性的进气口。东风17和其他弹道导弹一样,都是用火箭发动机把战斗部投送到大气层外,这个环节的难度是零,和东风11、15、16没有区别。只不过到了大气层外,其他弹道导弹的战斗部是按照比较均匀的抛物线飞行,东风17是按照打水漂的弹道,也就是钱学森弹道飞行。其他导弹是一条规则的大圆弧弹道,钱学森弹道是导弹落下去再弹起来,再落下去再弹起来......问题是钱学森弹道也是弹道!都是弹道,只不过东风17的弹道漂的更复杂、更远、更无法预测。
官方从来没管东风17叫过高超音速导弹。把东风17算成高超音速导弹的,都是觉得速度快的导弹就叫高超音速导弹的民间发烧友。还是那句话,想探讨问题,得先分清啥叫"官宣、新闻",啥叫"媒体猜测、媒体解读、民间故事"。部队的人,在正式的电视台、报纸上讲:东风17是高超音速导弹。从来没有过。
东风17依靠不吸气的火箭发动机,飞到大气层外,战斗部在大气层外飞行,再重新返回大气层,是标准的弹道导弹。充其量是弹道比较特殊,也就是钱学森导弹的弹道导弹。
高超音速导弹必须是在大气层内飞行,吸气。如果在大气层外飞、不吸气的导弹也算,所有的弹道导弹都是高超音速导弹了,失去了高超音速导弹的意义。弹道导弹的速度跟高超音速导弹比,要快2-4倍,而且几十年前就能做到了,没有难度。那中美俄还要花大力气搞高难度的高超音速巡航导弹呢?
因为弹道导弹太大了。
巡航导弹边飞边吸氧,弹道导弹自带氧,火箭发动机里装的一半是制氧剂。巡航导弹里面不带制氧剂,自然比弹道导弹要小很多。弹道导弹体积大,通常都是装在发射车、核潜艇上面。巡航导弹小,使用非常灵活,战斗机、轰炸机、车、舰船、常规潜艇、核潜艇都能装。
高超音速导弹也会保留巡航导弹的优点,体积小,5-10倍音速,射程几百公里。各种平台都能装。
1倍音速以下叫亚音速,1-5倍音速叫超音速,5倍以上叫高超音速。导弹飞行靠的是发动机推动。但以现在的科技,人类还做不到一台发动机实现从零到亚音速、超音速再到高超音速的飞行。各国搞的高超音速飞行器都是组合模式:飞行器先挂在飞机上,飞行器都是双模,一台超音速发动机,譬如一截小火箭或者其他种类的发动机+一台高超音速发动机。飞机以亚音速飞行,释放飞行器,第一级的超音速发动机点火,把飞行器推到5倍音速,然后高超音速发动机再点火,实现5-10倍的高超音速。
美国的高超音速飞行器,都是前面三分之二的长度是一截方形棱角分明的飞行器,腹部带进气口,后面三分之一的长度,是圆柱形,没有进气口。后面的圆柱形是火箭发动机,不吸气,没有进气口,负责把飞行器推到5倍音速。到了5倍音速以后,火箭部分脱落,前面吸气的发动机点火,实现高超音速。
美国的另一款高超音速飞行器X43,是圆柱型的超音速火箭在下面,方形带棱角弹高超音速发动机在上面。道理是一样的。
高超音速的难点就在这里。
飞行器在到达5倍音速以后,实现高超音速飞行的超然冲压发动机要吸气、点火、启动。这个时候是5倍音速,进气口进来的空气也是5倍音速,从进到进气口,再到从飞行器后面排出去,只有几毫秒的时间。1000毫秒=1秒。在这几毫秒的时间里,要实现空气和发动机自带的氢燃料混合,点燃。
飞行器以5倍音速飞行,此时进入进气道的空气,相当于5倍音速的风。在5倍音速的风里,把空气和燃料点燃,也就是常说的:台风里点火柴。这是整个高超音速导弹的技术中最难的。然后还得保证从进气道到燃烧室,再到尾部喷口,都在5-10倍音速的风中,在几毫秒的时间里,氧气和燃料充分融合,稳定燃烧。
这两点是制约高超音速导弹发展的难点。
至于导弹飞行中间的高热,根本不是问题。弹道导弹、返回式卫星,重返大气层的时候,都是20倍音速,比高超音速导弹快的多。与大气摩擦产生的热也不是高超音速导弹能比的。这些事人类几十年前就解决了。能造出抗2000度的材料,再去搞抗1000度的材料,再难能有多难?
导弹的飞控、制导、战斗部,都不是高科技。
只有明白高超音速导弹是巡航导弹,有进气口,需要吸气,在大气层内飞行,需要在5倍的音速下,进行二次点火。这才能明白它究竟难在哪。如果单纯的以为快就是高超音速武器,那就不难了,弹道导弹,很容易实现。
高超音速导弹不是5倍音速,在封闭的弹体内,搞二次点火。而是从前面的进气口到燃烧室再到尾部喷口,这一条通道都是敞开的。风从前面进来,到后面出去,全都是在5倍音速的自然环境下敞开着。5倍音速的风进来、出去,在这中间,拿火把燃料点着,然后在5-10倍的音速之内,稳定燃烧,太难。到现在中美俄也都在实验阶段,没有实用型的高超音速武器正式服役。
俄罗斯的锆石,弹体是棱角分明的方形,前面带开口,进气道,吸气用的,是高超音速导弹。但也处于实验阶段,还没正式装备。
俄罗斯的匕首导弹,不是。匕首导弹是伊斯坎德尔导弹的战斗部改装的。伊斯坎德尔是短程弹道导弹。俄罗斯是用米格31挂匕首导弹。看着和其他的高超音速武器很像,但它缺了最关键的一个东西:能吸气的高超音速发动机。
载机米格31不管怎样,它肯定不能算到高超音速导弹里面。就算把它考虑在内,米格31最高3倍音速,也远远谈不上高超音速。而且米格31的高超音速是得开加力的,只能维持几分钟,之后发动机得大修。正常情况下,米格31也得亚音速飞行。俄罗斯之所以相中它,是因为米格31足够大。米格31把匕首导弹拉到高空,之后匕首导弹脱离,点火。匕首导弹自带一个小型火箭发动机。匕首导弹在高空,以抛物线形式,在火箭的推动下,飞向目标。然后,就没有然后了。它没有最关键的最后一步,超燃冲压发动机在5-6倍的音速下,吸气、点火。因为它压根就没有超燃发动机。
匕首达不到5-10倍高超音速,即便达到了,它也是弹道导弹的变种,和巡航导弹,高超音速导弹没关系:没进气口,不吸气。
匕首导弹只是伊斯坎德尔短程弹道导弹的变种。它俩的战斗部是一样的。只不过伊斯坎德尔是用火箭把战斗部推到高空,然后战斗部再以抛物线的弹道飞向目标。匕首是用米格31替代推力火箭,把战斗部了拉到高空。这两款导弹把战斗部拉到高空的工具不一样,原理是一样的。
俄罗斯之所以用米格31取代火箭,只是为了省钱。火箭是一次性的,打一枚费一枚,米格31是重复使用的,可以多扔几次:便宜。
如果说战斗机拉弹道导弹战斗部,在高空投放也算高超音速导弹,这又没难度了。匕首导弹不是高科技,而是屌丝没钱的另类组合。
想做出5-10倍音速的导弹,其实一点都不难。但得是不吸气、大,弹道导弹。高超音速导弹之所以难,是因为既想要快,导弹还得小。难度一下翻了几十倍。导弹想小,必须要舍弃自带氧化剂,要吸外面空气里的氧,想吸氧,就得在大气层内飞:巡航导弹。
东风17在弹道导弹里算苗条的,但跟同等航程的巡航导弹比,它依旧非常大。因为它圆柱形的火箭里面,大部分装的是氧化剂。真正的高超音速导弹,只有东风17一半的大小。
✎▆超高音速武器的设计难点在哪里?
科学家对于超高音速的定义,是速度超过5马赫,也就是超过音速的5倍,(每小时大约为6000公里)的飞行器为超高音速飞行器,弹道导弹和航天器等,在飞行和飞入大气层的过程中,可以轻易超过这一速度,乃至达到几十倍音速的速度。
但如何能够在大气层内实现超高音速飞行呢?仍然是前沿技术的一个难题。超高音速主要飞行器主要包括三类,超高音速巡航导弹,超高音速飞机,乃至超高音速航天飞机。其实,整个超高音速飞行器都是难点,其中,最重要的就是耐热材料和发动机,以及电子遥控技术。
从前的超高音速飞行器多以火箭为动力,但火箭的度量实在惊人,以美国“大力神”火箭为例,向近地轨道输送13吨载荷,尽要消耗材燃料600吨以上,氢化剂占了其中的大头。X—51使用的超燃冲压发动机,和普通发动机类似,吸入空气充当氧化剂 ,飞行器本身,仅携带航空燃料,可真称得上是“勤俭持家”。
同时,由于x-51飞行高速达6万米,这个高度的空气密度低,飞行阻力只有传统飞行器的几十/1,加之该飞行器本身采用低阻力系数外形,用不着那么夸张的动力,就能维持高速飞机的飞行,自然不会消耗太多的燃料。所以,没有一个低能耗的,与先进的超高音速发动机,是无法生产出超高音速飞行器的。
但是,如果“以一小时全球感知和打击的超高音速,临近空间飞行器也就是20马赫为首的飞行器,首先,要应用的超高音速飞行器,极端高度热防护材料,是一个重要的世界技术性问题。
换句话说,就是如果在耐热材料上没有得到突破,没有得到所设计的要求,那么,是无法达到20马赫以上飞行器的要求的。也就是说,无法设计和生产出真正的,超过20马赫以上飞行器的能力的。
当然,既然是高超音速飞行器,那么 ,对它的电子遥感要求是非常高的。因为,它的速度快,飞行目标遥远。因此,对他一般都采用卫星导航技术,而且,是在不被发现的情况下到达所设定的目标。当然也正因为它的速度快,它通常也会破坏掉对方的防空系统,顺利抵达目的地。
个人观点,切勿上心,谢谢阅读,欢迎评论。
↭➶超高音速武器的设计难点在哪里?
2011年美国洛马公司组织HTV“猎鹰”试验时,那时他的陆海空都有类似项目,要“一小时打遍全球”,少不得高超音速武器。一时搞得很是热闹风光,俄罗斯不言,也多年。
等美国意识到项目万般艰难,很难进行下去的时候,俄罗斯悄然拿出了自己的“先锋”,网友们方知道,所谓HTV-2根本不靠谱,只有一个15马赫的风洞,到哪里搞来的20倍音速的导弹呢?花了4.8亿美元,不算多,继续加油,距成功还有一段距离。
依美国目前的公布,到2025年以前非要成功不可,成不成的还很难说呀,科学实验总归要允许失败,对不?
总结失败之因,俄罗斯方面说了,材料难搞,表面温度可达到20000多摄氏度,任什么材料也到了融点,更何况里面还有若干精密仪器,要解决此一困难,不是任何国家都可以。
美国是否受困于材料不知道,没有给俄反应。“先锋”的绝活不只一个,打水漂式的弹道,27倍音速,犹能超高机动。首先是如何提高到这么快的速度,其次解决超高机动的问题。这是俄罗斯的绝活,个个是障碍,样样带杀招,原来俄罗斯的超高音速导弹,才是妥妥的世界第一。
如今不只“先锋”一个,“先锋”利用的是弹道式导弹,是战略级武器,要搞平衡的必杀重器。另有“匕首”和“口径”,个个弹道诡异,要命的是速度还这样快,不说防的话,造也造不出来呀。要迎头赶上去,是十年,还是八年?实在难办。
♋Σ超高音速武器的设计难点在哪里?
谢邀,个人看法:最大的难点在于高速下如何探测目标以及与传输数据。高速必然带来高温,既能承受剧烈的空气摩擦,又能透过无线电波的材料,很难,如果速度高到产生黑障,透过电波就更难。另外,如果不用火箭作为动力,想用冲压发动机,这个高超音速状态下稳定燃烧的冲压发动机也很难。
☂╋超高音速武器的设计难点在哪里?
谢邀,这件事并不是什么难事。
关键在于效费比怎么处理好。
所谓的超高音速武器(应该叫高超音速飞飞行器),是指飞行速度在5马赫以上的武器系统。
这里其实早就包括了很多弹道导弹了。
所以W君就直接告诉你不难了。
现在世界上一共有20几个国家是可以制造出弹道导弹的,而且这些国家所能制造出来的弹道导弹往往都可以达到甚至超过5马赫的飞行速度。毕竟,对于火箭系统来说达到这样低的速度是小菜一碟。
但——从效费比来说就得算一笔明白账了。
1959年美国制造了一架载人的X-15试验机,这架飞机不停的测试,在1967年的时候飞出了6.7马赫的速度。这个速度实际上是SR-71的两倍。
但是大家可能会问了,既然可以达到这个速度,为什么SR-71之后美国就没有更高飞行速度的飞机了呢?原因就在效费比上了。
从解密的数据来看,1966年的时候每次X-15飞行的测试任务消耗的平均成本是27万美元,而每次飞行其实就十几分钟,这样计算一小时的X-15飞行得花费超过70万美元(当然这东西飞不了1小时)。这是当时的币值。放在现在飞一圈得小几百万美元的概念了。
这就是高超音速飞行器在大气层内飞行所遇到的问题——效费比太低。
和发射弹道导弹不一样的是,高超音速飞行器几乎全部时间都是在稠密的大气层内飞行,因此飞行同等距离所需要耗费的火箭燃料就要多得多,这就意味着要多花钱。而真正达到的效果往往是更便宜的短距离或者中距离弹道导弹就可以达到的效果。这也是之前很多年来各个国家研制超高音速飞行器缓慢的最主要原因了。
而目前来看,高速反导系统的不断建立和完善,导致了轨迹相对固定的弹道导弹往往更加容易被拦截。而在大气层内高速机动飞行的高超音速飞行器在面对导弹防御系统的时候生存概率更高,所以这玩意就又拿到了研究的第一线上来。
但从技术角度上来讲,这种东西真的是没有什么太大的难点,材料学耐热方向的研究、空气动力气动弹性的研究等等一系列的问题其实早都解决了。关键问题则是如何用更少的燃料消耗达到高超音速飞行器的性能要求。如果不考虑费用问题的话,200吨的洲际导弹横过来打,别说5马赫,就是15马赫的速度都是可以轻松达到的。
所以目前的几款超高音速武器其实都走了一个相似的路子:先由载机带到高空在空气稀薄的位置发射。以俄罗斯的匕首为例,需要由Mig-31带到2万多米的高空进行发射,而本质上来说,匕首其实还是一枚弹道导弹的结构。
这个东西实际上和匕首是同源的。
至于咱们的DF-17其实也一样,利用主助推器达到高度和速度后再释放。原理上都是先打高了再平飞而已。
但这个路子,也不是什么新路子,X-15的时代就已经广泛应用了。
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