武器系统本文20002126收到,作者系航天机电集团公司三院310所研究员俄罗斯高超声速技术飞行试验计划(一)刘桐林 摘　要　高超声速技术是现代高新技术的集合,已经进入飞行试验阶段。

在这一技术领域中,俄罗斯、美国研究处于世界的领先地位。

本报告较全面介绍俄罗斯高超声速技术进展,重点介绍当前正在或计划进行的4个飞行试验计划,即“冷”(Холод)计划、“鹰”(Ореβл)计划、“彩虹2D 2”(Радуга2д2)计划和“鹰231”(Ореβл231)计划。

主题词　俄罗斯 高超声速 超燃冲压发动机 飞行试验 计划 前苏联在超声速飞行器和冲压发动机技术领域在世界上处于绝对领先地位。

几十年来,前苏联中央空气流体动力研究院(ЦАГИ)、巴拉诺夫中央航空发动机研究院(ЦИАМ)、图拉耶夫联盟设计局(ТМКБ2Союз)、彩虹设计局(МКБ21адуга)、莫斯科航空学院(МАИ)等单位长期致力于高超声速技术基础理论研究,在亚 超燃冲压发动机、C H 燃料、耐高温材料、CFD 技术及一体化设计技术等方面取得了重大突破。

在高空飞行试验中,首次实现超声速燃烧,是航空航天领域的重大事件,它将大大促进高超声技术应用研究的发展。

俄罗斯已进入高超声速技术飞行验证阶段。

有许多飞行试验计划,多是联合进行的,也有的是与国外合作开发的。

其中,重要的飞行试验计划有4个:ЦИАМ与ЦАГИ等联合进行的“冷”(Холод)计划和“鹰”(Ореβл)计划;彩虹设计局和ЦАГИ联合进行的“彩虹2D 2”(Радуга2д2)计划和图拉耶夫联盟设计局(ТМКБ2Союз)、火炬设计局(ОКБ2Факел)、米格和莫斯科飞机生产联合企业(МАПОМИГ)联合进行的“鹰231”(Ореβл231)飞行试验计划。

1　“冷”(Холод)计划在俄罗斯高超速技术飞行试验中,最早进行的是“冷”计划。

1.1　研制单位概况“冷”计划是由俄罗斯巴拉诺夫中央发动机研究院(ЦИАМ2C I AM )与俄罗斯茹科夫斯基中央空气流体动力研究院(ЦАГИ2T s A G I )等单位合作进行的。

ЦИАМ是从事航空发动机研究的国家级科研机构,是俄罗斯最大的研究机构之一,也是欧洲最大的发动机研究试验中心。

它是1930年在中央空气流体动力学研究院螺桨发动机部、汽车和航空发动机研究院的航空部、伏龙芝航空工厂设计所的基础上组建的。

1955年建成了图拉耶沃试验研究基地,它是欧洲最大的高空、高速下试验航空发动机的基地。

后来又陆续建成了计算机中心、生产试验等设施。

ЦИАМ的喷气理论与优化发动机性能研究工作成绩突出,研制了几代大功率涡轮喷气发动机,为前苏联发展现代高性能歼击机准备了动力装置,ЦИАМ为前苏联航空发动机的现代化作出了巨大的贡献。

ЦИАМ主要的科研领域有:图1　ЦИАМC 16冲压发动机综合试验系统(俄罗斯代号Ц16)气体动力学、燃烧、热交换、结构分析和控制理论领域的基础研究;喷气发动机理论研究;性能最佳化的先进发动机研究;发动机所有部件(包括燃气发生器)的基础研究和应用研究;向各个设计局提供发动机研制的科学依据;为研制中的发动机及其系统、零部件作试验;探索改进发动机技术,以解决环境问题。

国际合作方面,ЦИАМ与美国、英国、法国、德国、中国等有科研合作项目,还积极参加大型国际会议和航空技术博览会。

ЦИАМ分两地:院部和科学研究中心在莫斯科市内航空发动机大街,试验研究基地坐落在莫斯科州的雷特卡里诺。

科学研究中心下设各研究室进行基础理论研究,它们是大发动机研究室、小发动机研究室、航空航天发动机研究室、冲压发动机研究室、气体动力学研究室、强度研究室、压气机研究室、燃烧室研究室、涡轮研究室、数学模型和计算机辅助设计研究室、飞机动力装置研究室、可靠性试验研究室、操纵系统研究室、燃油研究室、计算机中心、仪表与试验设备研究室和信息研究室。

ЦИАМ拥有大约30座试验设施(包括一架试飞平台),能在接近真实飞行的条件下对航空发动机及其部件、系统和构件进行试验研究。

这些设施包括:涡喷发动机高空试车台,模拟高度H ≈20km ,M a ≤30,实时处理试验数据;发动机小试车台,模拟试验涡喷、涡扇发动机的飞行高度、速度以及气候情况,模拟高度H =0～10km ,M a =0～15;气候试车台,可做地球上各地的气候条件下的模拟试车,如模拟试验发动机在高山机场的工作特性;开口段风洞,试验发动机在飞机起飞和着陆时的工作情况;压气机试验台,研究压气机的气动力特性和强度,装备有试验数据自动采集和处理系统,可以对全尺寸的双轴或内外涵道压气机,或者其模型在地面或高空、高速条件下进行试验,所试验的压气机最大转速17000转 分;研究燃油雾化和燃烧过程的装置;燃烧试验台;涡轮及其零部件试验台;研究气体动力学的现代数学模型;计算机辅助设计系统;强度试验室有一整套对航空发动机的材料、零部件作强度试验的台、架和装置;现代化的激光、光学测试系统。

ЦИАМ是与美国阿纳德研究中心实力相当的科研机构,科研人员3500多人,技术实力雄厚。

除去众多知名专家外,拥有博士60多人,副博士260余人。

两年前,叶利钦总统发布命令,图2　轴对称亚 超燃冲压发动机模型外形图　图3轴对称亚 超燃冲压发动机模型结构示意图图4　轴对称超燃冲压发动机气流流路图将ЦИАМ命名为国家研究中心,开展航空发动机基础理论研究,并对该专业技术领域的发展与产品负有认证的职能。

1.2　轴对称亚 超燃冲压发动机试验模型ЦИАМ的亚超燃冲压发动机试验模型是轴对称的。

在轴对称冲压发动机设计技术中,俄罗斯处于世界领先地位,并已成功地在飞航导弹中广泛应用。

轴对称亚 超燃冲压发动机模型是一个自主系统,它包括携带氢燃料的亚 超燃冲压发动机、燃料监控 测量系统、遥测系统等。

程序控制系统控制发动机的燃烧状态;地面遥测站接收遥测系统的数据进行处理。

试验模型总质量为595kg ,长度为4.3m ,最大直径为750mm ,可携带17kg (300L 3)的液氢燃料。

试验发动机的进气道直径为230mm ,长度为1.28m 。

发动机及支架的很多部件均是用普通材料制成的,进气道及中心锥、燃烧室和液氢燃料箱由不锈钢制成;锥尖和整流罩前缘处用铝2铁2铬粉末冶金材料,可承受1200℃以上的高温。

在试验燃烧室中有气蚀火焰稳定器。

在发动机模型的进气道中有三排喷嘴。

图4是试验发动机模型空气流路图。

在冲压发动机进行亚声速燃烧时,使用 、 两排喷嘴;在超声速燃烧条件下使用 ～ 喷嘴,做到双模态燃烧的转换。

1.3　试飞器ЦИАМ轴对称亚超燃冲压发动机试飞器采用已经开始退役的远程、中高空地对空导弹系统SA 25“甘蒙”(Gamm on )(俄罗斯名称为Вега“维加”,系统代号C 2200)中的5B 28导弹。

该导弹是C 2200系统中重要组成部分,是火炬设计局从60年代初开始研制、70年代初装备的。

它是一个系列家族,有SA 25,SA 25A ,SA 25B ,SA 25C ,SA 25D ,SA 25E型号,相应的俄罗斯代号为C 2200,C 2200B ,C 2200э,C 2200Д,C 2200Э,Э表示出口型,曾出口原华约国家,在原独联体国家也大量装备,也曾向利比亚出售。

它是为拦截高空侦察机、远程空对地导弹载机、高空远程支援式干扰机和指挥机而研制的(目标最大速度为1200m s )。

该导弹作战距离为17～320km ,拦截高度为0.3～35km 。

弹长10.8m ,弹径( 级)为860mm ,发射质量约为7000kg ,最大飞行速度M a =5,机动能力20g 。

采用固定阵地发射,固定高低角,方位可随动。

5B 28导弹是二级并联系统。

4台固体火箭助推器捆绑在 级弹体四周。

助推器工作完后,靠头部气动不对称力向四周分离。

每台助推器推力20t 。

级呈“×”形正常式气动布局,有4片大后掠弹翼,全动式尾舵。

主发图5　试飞行布局结构图飞行试验结果表试验日期1991.11.271992.11.171995.3.11997.8.11998.2.12最大飞行速度(m s )16531535171218321830最大飞行高度(km )3522.4303327.1最大飞行马赫数(M a )5.65.355.8626.5超燃冲压发动机工作时间(s )27.541.5——77动机为一台液体火箭发动机,液体燃料N 2O 4可长期安全存放,推力为31.36～96kN 。

5B 28导弹经过改装后作为ЦИАМ轴对称亚超燃冲压发动机的试验运载器来使用,拆除战斗部及无关系统,增加测量设备,发动机模型安装在5B 28导弹的头部。

1.4　飞行试验1991～1998年,ЦИАМ轴对称超燃冲压发动机的验证性飞行试验共进行过5次:其中第一次为俄罗斯自筹资金开发试验;第二、三次为与法国共同研究;第四、五次为与美国NA SA 合作试验项目。

这5次试验均是在哈萨克斯坦拜科努尔航天中心附近的靶场进行的,都是使用氢燃料。

这5次试验结果如表所示。

现将5次试验情况简要分述如下。

(1)第一次试验,1991年11月27日1991年11月27日进行首次轴对称亚 超燃冲压发动机模型的系留试验。

为了这次试验,ЦИАМ曾在1989、1990年做过两次发射试验,目的是验证试飞器的弹道,试验发动机不工作。

在飞行结束时,将试飞器回收。

但在后来的5次试验中,试飞器并没有设计成可回收的,在试验后就损坏了。

这次试验基本上是成功的。

导弹飞行180km ,飞行时间约为130s ,最大的飞行高度达到35km ,弹道非常平坦。

最大飞行速度达到1653m s ,最大飞行马赫数M a =5.6。

试飞器在飞行时间,通过程序控制系统使亚 超燃冲压发动机完成了两次独立的预编程燃烧。

第一次,持续时间近20s 。

从18km 高空、M a =3.5开始,到28km 高空、M a =6结束;第二次,持续时间近10s 。

从22km 高空、M a =4.5开始,到18km 高空、M a =3.5结束。

试验目的是验证发动机的点火系统。

在第一次的最终5s ,实现了超声速燃烧。

这是世界上首次在飞行试验中,实现了冲压发动机从亚声速燃烧模态到超声速燃烧模态的转换。

这一事件在现代发动机技术发展领域具有重大意义,它标志着超燃冲压发动机从地面试验的理论性研究到了应用开发阶段,更加确立了俄罗斯在这一专业技术领域的领先地位。

试验成功之后,俄罗斯将试验结果向西方国家通报了。

1992年初美国一家科技刊物报道说,当我们还在进行理论研究时,俄罗斯人已经在进行运行试验了。

90年代中期,美国加速发展高超声速技术,与这一事件可能有很大关系。

试验发动机在实现超声速燃烧时,燃烧室的气流速度达到了图6　试验飞行器待发射状态M a =3。