高超音速飛彈現況(下)

前兩篇介紹俄國與中國的「高超音速飛彈現況」(上 / 中),本篇為讀者介紹美國的「高超音速飛彈現況」。讀者或許不清楚為什麼美國會在高超音速飛彈的發展上落後於中俄兩國?美國在上世紀的火箭與導彈發展都是全球翹楚 – 下圖所列舉的十大洲際飛彈 (ICBM)中,美國的三叉戟II型 (UGM-133 Trident II)及義勇兵III型 (LGM-30G Minuteman III) 分別名列第四與第六名。十大洲際飛彈 (ICBM)當然都是高超音速飛彈,最高飛行速度可達20馬赫,飛行距離都超過一萬公里。

來源:美、法、俄、中、印度、以色列六國所發展的十大洲際飛彈 (ICBM)

 

美國是在可變換軌道的高超音速飛彈發展上落後於中俄兩國,主要是因為美國在ICBM技術成熟後,轉向發展「飛彈防禦系統」– 我們會在下一篇介紹這個主題。在進入美國的高超音速飛彈現況這個主題前,我們先為讀者介紹飛彈可以變換軌道的「乘波體」 (Wave Rider) 是什麼概念?

「乘波體」(Wave Rider)

來源:導波體 (wave director) vs. 乘波體 (wave rider) 1

 

簡單的說:當飛行器的飛行速度達到超音波速度 (Supersonic Speed) 時,飛行器四周的氣流就會形成震波 (Shock Wave);一般飛彈在高速飛行時所形成的震波只會產生阻力,無法產生升力,這種波形被稱之為「導波體」(wave director) – 有點類似船舶行進時將前方流體 (Incoming flow) 排開的概念。

英國科學家Terence Nonweiler教授在上世紀50年代提出「乘波體」1 (wave rider),這是一種完全嶄新的概念,飛行器在高超音速飛行時所形成的震波 (參見上圖) 不僅產生排開Incoming flow的震波,也會因為幾何原理,在飛行體的下方產生托住飛行器的高壓氣流 (即升力),這使得飛行器的飛行好像是一個衝浪板,這就是所謂的「乘波體」(wave rider)。

「乘波體」(wave rider) 的概念雖然簡單,但是將其納入設計就非常困難,因為飛行器的高超音速飛行並非靜態,如何在動態情況下實現「乘波體」設計,有興趣的讀者可以參考附註2。這篇科普文章以下列兩張附圖簡單說明「乘波體」設計。

來源:Waverider Design - 脫字型( ^ ) 機翼 (Caret Wing)2

 

從後方往前方看過去,飛行器呈3D的脫字型 ( ^ ) ,高超音速飛行時所形成的震波呈2D的三角形平面震波 (參見上圖),震波與Caret Wing下方形成高壓氣流區 (即升力)可以托住Caret Wing,形成「乘波體」(Waverider)。

 

來源:Waverider Design – 圓錐型機翼 (Conical Wing)2

 

如果飛行器呈現3D圓錐型機翼 (Conical Wing),那麼在高超音速飛行時所形成的震波呈3D的三角形曲面震波 (參見上圖),震波與Conical Wing下方形成高壓氣流區,這是另一種型態的「乘波體」(Waverider)。所有的Hypersonic Glide Vehicle (HGV) 都是應用「乘波體」(Waverider) 概念設計,使得「滑翔飛彈」(Glide Missile) 在大氣層附近 (約100公里高度) 能夠變換飛行軌道,不論是「桑格爾軌道」,或是「錢學森軌道」。

 

來源:摘自YouTube 所公布的畫面3

 

X-51 WaveRider

來源:波音公司公布的X-51高超音速飛彈4

 

X-51 WaveRider 4的前身是X-43實驗機 – 這是美國空軍實驗室 (Air Force Research Lab, AFRL) 在上世紀90年代為開發「超音速燃燒衝壓引擎」(Scramjet) 所推出的一款實驗機,發動機部份由惠普公司負責,波音公司則負責機體製造。後來X-43實驗機被中止,相關高超音速技術轉而發展應用「乘波體」技術的X-51 WaveRider – 這是一款結合「乘波體」與Scramjet兩種高超音速技術的巡航飛彈(Cruise Missile)。

X-51彈體由鎳合金製成,長度為3.5米,是一種標準尺寸的「空對地」飛彈;它有一個扁平的頭部,彈身中部設有4片可以偏轉的小翼(襟翼)和腹部進氣道。X-51設計飛行速度為5馬赫,射程約為750公里,採用了乘波體設計概念,通過專門設計的尖銳頭部,可以形成精確角度分布的震波,使得所產生的壓力直接作用在飛彈下方為飛彈提供升力。

此外,X-51飛彈頭部形成的震波還能產生空氣壓縮的作用,有助於Scramjet的燃燒過程;進氣道的壓縮空氣經過隔離段後,氣流調節到適合於燃燒室所需要的穩定壓力,隨後和霧化了的JP-7噴氣燃料混合點火燃燒。因為高超音速飛行產生的溫度高達4500℃,燃料還可作為冷卻劑,以避免發動機壁面被熔化。

 

AGM-183A

來源:洛克希德 · 馬丁公司公布的AGM-183A高超音速飛彈5

 

洛克希德 · 馬丁公司在2018年開始為美國空軍開發AGM-183A高超音速飛彈5,這是一款「空射快速反應武器」(Air-Launched Rapid Response Weapon, ARRW),設計最高飛行速度為20馬赫,射程為1,600公里,可由B-52 (參見上圖)、或B-1B及F-15由空中發射。

美國空軍於2022年5月14日成功測試了AGM-183 ARRW高超音速飛彈,飛彈從一架B-52轟炸機上發射,飛行速度達五倍音速。

 

HTV-2

來源:DARPA公布的HTV-2高超音速飛彈6

 

「獵鷹HTV-2號」是由美國空軍和國防部下屬的國防高等研究計畫署 (US Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA) 共同研製的。據德國《明鏡》雜誌網站報導,美國於2010年4月在太平洋上空試飛名為「第二代獵鷹高超音速飛行器」 (Falcon Hypersonic Technology Vehicle 2, HTV-2) 無人駕駛機 ,可攜帶5噸重的物資,以超過音速20倍的速度在1小時內可抵達世界任何地方。

HTV-2為無動力滑翔機,採用了Typ Minotaur IV火箭發動機作為助推器,在美國加州范登堡空軍基地試飛兩次(2010、2011)。與助推火箭分離後,HTV-2以高超音速度 (20馬赫) 在大氣層內飛行,計劃飛行8000公里,以檢驗飛機的絕熱性和氣體動力駕駛的穩定性。飛行還將測試機身所使用的碳合成材料,是否可以抵擋2000攝氏度的極限溫度。DARPA只建造了兩架HTV-2,不過兩次HTV-2試飛均已失敗告終。

推究失敗的原因:專業人士一般認為主要還是高速高溫的控制問題–HTV-2是由火箭助推到太空邊緣;與火箭分離後,以20馬赫的速度開始滑翔飛行,在如此高速度下滑翔飛行,必然會產生大量高溫,HTV-2所使用的碳合成材料或許無法抵擋攝氏2000度的極限溫度?!

 

附註一、神龍擺尾——乘波體高超音速武器簡介

https://twgreatdaily.com/HvEHGmwBmyVoG_1ZxSag.html   

 

附註二、Waverider Design

http://www.aerospaceweb.org/design/waverider/waverider.shtml

 

附註三、”Hypersonic Missile Nonproliferation, “

https://www.youtube.com/watch?v=FyUTNRIuAqc

 

附註四、X-51 WaveRider

https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw/X-51乘波者試驗機

 

附註五、AGM-183A空射快速反應武器 (Air-Launched Rapid Response Weapon)

https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw/AGM-183_ARRW

 

附註六、Hypersonic Technology Vehicle 2, HTV-2無人飛機

https://zh.wikipedia.org/wiki/高超音速技術載具2  

 


作者:

王志强 博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist),1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業;他的斜槓人生還擔任過:安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理,中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。

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