看二国导弹发展,人类核准踏足地外行星

  出品:科普中国

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  出品:科普中国军事科技前沿

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  作者:邵永灵 军事专家

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  作者:程笑颜工作室

  作者:矛隼工作室

  策划:毕孝斌

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  监制:光明网科普事业部

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  自1939年9月14日,美籍俄裔工程师西科斯基发明了VS-300型直升机并成功首飞以来,直升机的历史已逾79年。在79年的漫长岁月里,随着现代科技与工业的不断进步,直升机的各项性能与指标也经历了大规模地进化。进化与积累最终引起了质变,进而在直升机间产生了代差。直至今日,直升机已经历了四次质变,发展出了四代直升机。

  探索其他星球,一直人类航天的最大愿望之一。人类在上个世纪登上了月球,并留下了脚印,但这只是个距离地球三十八万公里的卫星,不是一个真正的行星。

  近日,美国《国家利益》双月刊网站发表文章称,美军拟用AGM-158A隐身巡航导弹打击中国东风-21D。美国为何要与东风21D过意不去?这是一款怎样的导弹? 让我们把时间拉回到10多年前。当时,一些外媒开始陆续报道,中国正在发展一款用来打击航母的弹道导弹,即东风21D。2009年,美国国防部在《中国军力报告》里首次正式提到:作为其“反介入”战略的一部分,中国正在开发一种基于改进型的CSS-5(即东风21)中程弹道导弹的反舰弹道导弹。这种导弹的射程超过1500千米,装备着一种机动弹头。与一个先进的指挥和控制系统相结合,旨在为解放军提供袭击海上船只,包括西太平洋中航母的能力。

  进入5月,结怨已久的伊朗和以色列从文斗升级为武斗。伊朗用火箭弹袭击以色列在戈兰高地驻军,以色列则用战机打击叙利亚境内伊朗目标。一时间,伊以两国刀光剑影、危机四伏。假如伊以真的发生大规模战争,面对以色列这个中东军事强国,遭受制裁多年的伊朗到底有没有可以制衡对手的大杀器?

  想对直升机划代,必须先认识直升机的划代标准。而标准主要包括四大项指标。它们分别是:发动机、桨毂、飞控与机体材料。

  而火星,这个距离地球足够近,又有可能被殖民的行星,是人类自航天时代开始以来就试图征服的对象。

  美国军方领导人在谈话中也每每提到中国的反舰弹道导弹,将它称为中国推行“反介入”或“区域拒止”战略的手段,认为中国是想借此将美国海军排斥在关键海域之外,显示了中国的政治军事野心,美国要对此做好应对准备。时任美军参联会主席的马伦海军上将甚至将反舰弹道导弹形容为“颠覆海战规则的武器”。

  从目前来看,对付领土并不相邻的以色列,伊朗最有效的手段就是弹道导弹。与大多数第三世界国家一样,伊朗的弹道导弹事业也是起步于苏联的“飞毛腿”导弹。不过苏联并没有直接卖导弹给伊朗,伊朗是从第三者手中买到“飞毛腿”的,并在此基础上通过仿制建立起了自己的导弹生产、维护与零部件组装等基础设施,奠定了自主研发的基础。在1980~1988年的两伊战争中,伊朗共向伊拉克发射了117枚“飞毛腿”B型导弹(伊朗自己称“流星”-1型)。

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  火星与月球截然不同之处的在于距离,地球和火星都在同时距离火星公转,这使得两个星球的距离有时极其远,有的时候相对较近,但是最近的时候也有五千五百万公里。

  想象力丰富的美国学者煞有介事地描绘了一幅相关图景:2012年春天,中国大陆威胁进攻台湾。华盛顿向台湾海峡派遣了两个航母战斗群。中美之间的唇枪舌剑不断升级,终于爆发战事。第二天美台战斗机和大陆战机展开激战,一名台湾战斗机飞行员描绘说战斗就像捅了地狱里的马蜂窝一样。第三天,几十枚大陆反舰导弹击沉了美军航母、几艘宙斯盾驱逐舰和海陆两栖作战舰只,1.8万名美军丧命。不到一小时,美军伤亡达到伊拉克战争的4倍……

  在引进和生产流星-1型导弹(飞毛腿B)之后,伊朗又发展了射程更远的“流星”-2型(飞毛腿C)。但是,这两种导弹的射程分别只有300公里和500公里,打击范围非常有限。所以,伊朗在上世纪90年代开始研发射程更远的“流星”-3。1998年9月25日,在德黑兰举行的阅兵式上,伊朗公开展示了2枚“流星”-3型导弹,导弹上分别写着“以色列应从地图上消失”和“美国将爱莫能助”的字样。这实际上在暗示,“流星”-3是为以色列量身定做的。2003年7月7日,伊朗政府公开表示已完成“流星”-3型导弹的最后测试,不久该型导弹正式列装伊朗伊斯兰革命卫队。

  世界上第一台直升机——西科斯基VS-300

  每过两年左右,火星和地球就会接近一次,每过15-17年就会最为接近。换言之,每过两年,才会有一个可供发射的发射窗口,16年才能等到一次最佳时机。

  不过,中国官方对此类传言采取了既不承认也不否认的沉默态度。直到2011年7月,中国官方才首次透露反舰弹道导弹的消息。当年7月,陈炳德总长在与马伦上将的会谈中表示。中国正在研究弹道导弹打航母的技术。 惊鸿一瞥之后又是几年的杳无音讯。2015年的9月3日胜利日阅兵,老江湖东风21D终于在天安门广场闪亮登场。它的外观与国庆60周年阅兵式出现的东风21C颇为相似,解说词明白无误地告诉世人:这是一款打击大型水上目标的中程弹道导弹。至此,“航母杀手”揭开了它神秘的面纱。

  如果说“流星” -1、“流星”-2只是苏联“飞毛腿”导弹的仿制品的话,那么“流星”-3已经彻底摆脱了“飞毛腿”影子而成为一款全新的导弹。该导弹使用液体燃料,弹长16米,弹径1.35米,最大发射重量16吨,有效载荷1.2吨,最大射程1350~1500公里,可用于打击城市、机场、导弹阵地、交通枢纽、兵力集结地等重要战略战役目标,打击范围覆盖整个中东。2004年,伊朗国防部长又对外界宣布,伊朗已研制出一种射程可达2000公里的新型远程导弹,即流星3B。据估计,流星3B可能具备机动变轨能力,精度也更高。

  首先是发动机。

  然而,赶着窗口期去容易,但是回来可就费劲了,趁着窗口期返航极为困难,而要不然就要足足再等一个窗口期返程。

  反舰弹道导弹实际上是普通弹道导弹的“改进版”,改进的地方在于,普通弹道导弹只能打固定目标,而反舰弹道导弹打的是海上移动目标。当然,从固定目标到移动目标,对导弹的制导系统和末端机动能力提出了更高的要求,也需要有更强大的天基信息系统做支撑。无疑,它考验的是一个国家总体的科技实力。

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  第一代直升机使用的动力系统均为星型活塞发动机。如美国的贝尔-47直升机,采用一台莱康明V0-435-A1B星型6缸活塞发动机,最大输出功率153千瓦。苏联的米-4直升机,采用一台活塞-7星型14缸活塞发动机,最大输出功率1301千瓦。中国的直-5直升机即为苏联米-4的仿制产品。同样使用活塞-7发动机。活塞发动机有着油耗低,结构简单,燃烧温度低,寿命较长等优点,很适合作为早期直升机动力。但是,活塞发动机扭矩小,超频冗余度低,进气密度不足等缺点却严格限制着直升机的最大速度,实用升限以及机动性。因此,工程师们开始把目光转向了一种新的动力——涡轴发动机。

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  东风21-D的原型是东风-21,这是我国第一种固体燃料、陆基机动发射的中程弹道导弹,于上世纪80年代末问世。90年代以来,在东风-21的基础上又发展出了东风-21A和东风-21C。东风-21D是东风-21系列的最新型号,而且实现了功能上的大跨越。

  在发展液体燃料导弹的同时,伊朗也在研发作战反应速度更快的固体燃料导弹。2009年5月20日,伊朗电视台首次播出了伊朗成功发射“泥石”-2导弹的画面。该导弹射程约2000公里,采用了两级火箭。这对伊朗来说是一个很大的进步,因为多级火箭发动机高空分离点火技术是研制远程导弹的关键,很多国家都因无法突破这一技术瓶颈而就此止步于近程导弹。不过此后“泥石”-2导弹仅在阅兵中出现,试验飞行报道逐渐减少,外界估计可能是在研发过程中遭遇困难。

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  图为地火霍曼转移轨道,也是最为节省燃料的轨道(图源航天爱好者网)

  虽然功夫了得,但作为反舰弹道导弹,东风-21D是不折不扣的防御性武器。它陆地部署、1千多千米的射程决定了,除非他国舰船靠近我国近海,从事破坏我国国家安全的行动,否则无法实施打击。所以,那些借渲染东风-21D鼓吹中国威胁论的国家,如果真的想保证自己水面战舰的安全,只要不到中国周边指手画脚就够了。

  2016年年初,美国和以色列情报部门又发现伊朗试射了某型中程弹道导弹,其弹道特征不同于“流星”-3和“泥石-”2。这个谜底直到2017年9月22日伊朗纪念两伊战争爆发37周年的阅兵式上才解开。此款新型导弹被称为“霍拉姆沙赫尔”,外观与以往导弹差别很大,看来是一种全新的型号。“霍拉姆沙赫尔”仍处于工程试验阶段。

  星型活塞发动机(图片来源于百度图片)

  最初的计划来自于土星五号火箭的设计师沃纳·冯·布劳恩,他所设想的是一个庞大的“远征舰队”,由十艘宇宙飞船和七十个船员组成。而这只远征舰队将在地球轨道上建造,总吨位超过三万七千吨,而其中的绝大部分都是返程的燃料。但随着航天逐渐从想象变为现实,大家逐渐意识到人类的航天发射能力并没有这个计划中的如此强大,这一计划也随之作废。

  总的来看,伊朗目前已具备了用弹道导弹打以色列本土的能力。不过,射程能够覆盖以色列的仅有“流星”-3和“流星”-3B,具体数量不详,一说只有50枚。另外,伊朗因为大推力火箭发动机技术不过关,增加火箭射程往往要靠减少有效载荷来实现。有资料显示,目前射程最远的“流星”-3B导弹弹头只有500公斤左右,导弹的毁伤力比较有限。 矛与盾总是相伴而生,尤其在中东这样一个国家、民族、宗教矛盾极其复杂、战乱冲突长期不休的地区。在阿拉伯国家开始引进“飞毛腿”导弹并进行改造、仿制之后,以色列就在美国的帮助下着手研发“箭”式反导系统。

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  1999年11月1日,“箭”-2导弹首次拦截试验就成功地拦截了一枚模拟“飞毛腿”的靶弹。2000年3月14日,以色列成立了首个“箭”-2导弹发射营。之后,“箭”-2又开发出几种改进型号,还在美国进行了拦截“飞毛腿”导弹的全射程试验。“箭”-2最大飞行速度为9马赫,采用高能破片杀伤战斗部及近炸引信,杀伤半径为50米,最大拦截高度40公里,可攻击70甚至90~100公里远的战术导弹。由于拦截距离远,箭2拦截弹可以对来袭导弹实施二次拦截。

  中国直-5型第一代直升机(图片来源于哈飞集团官网)

  图为上个世纪冯·布劳恩设想的火星远征舰队(图源航天爱好者)

  尤其值得一提的是“箭”式反导系统配备的青松雷达,它集早期预警、火控和导弹引导功能于一身,是一种电子扫描固态相控阵雷达,可探测500公里范围内的各类目标,同时处理数十个目标并具有较强的抗干扰能力,是目前世界作战能力最强的预警雷达。 随后美以又开始研发使用动能拦截器、具备大气层外拦截能力的“箭”-3拦截弹,并于2015年12月10日取得拦截测试成功。目前“箭”-3尚未服役,仍处于试验测试阶段。

  涡轴发动机在分类上从属于燃气轮机,与螺旋桨运输机使用的涡桨发动机原理及循环模式最为相近,通过压气机对吸入的空气进行加压,推入燃烧室与煤油燃料混合点燃后喷出,喷出的高温燃气直接推动燃气涡轮叶片与动力涡轮叶片转动,最终将高速转动的输出轴接入减速器,降低到最优转速带动直升机旋翼进行旋转,进而产生升力。涡轴发动机以其强悍的超频能力,更高的进气密度以及优异的扭矩而成为直升机的完美动力,自二代到四代直升机均采用涡轴发动机作为动力源。

  三十年前,NASA展开了一项研究,这份研究规划了1990年之后的NASA发展方向。在新的研究中,NASA计划了一个重达1300吨的火星飞船,这虽然相对于上一个计划可以说是十分微缩。但考虑到人类目前最大的太空结构——国际太空站——也不过只有400吨,这一计划依然显得非常惊人。

  一旦 “流星”遭遇“箭”式,结果到底会怎样?考虑到弹道导弹拦截特有的困难,以及美国在海湾战争当中即使面对头体不分、性能落后的“飞毛腿”拦截概率也相当低下的现实,以色列想靠“箭”式化解“流星”的攻击并不容易。

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  经过重重发展,NASA最终产生了现在的登火组合体计划。登火组合器是一个数百吨的组合飞船,将于轨道上组合建造,然后前往火星。总体而言还算是承接了冯·布劳恩的设想。只不过是飞船吨位越来越小,航天员将在飞船中生存数百天直到返回地球。

  不过,我们还得设想另一种可能。以色列国土狭小,缺乏战略纵深,如果真的把保卫国土安全的希望完全寄托在反导拦截上,这对于以色列来说是非常危险的。任何反导系统都做不到100%的拦截概率,即使20%的导弹突防成功,也将给以色列造成巨大损失。从以色列以往的表现来看,它通常是不允许敌人开第一枪的。

  涡轴发动机原理图(图片来源于百度图片)

  用于制造登火组合体的火箭的是SLS太空发射系统运载火箭,这种运载火箭的后期货运型运力高达130吨,甚至可能达到165吨之多。

  所以,与其坐等导弹来袭,以色列更可能出动出击抢先下手,对伊朗的导弹待机库、发射阵地进行先发制人的打击。伊朗的中程导弹使用液体燃料,存在作战准备时间长的问题,生存能力和快速反应能力较之固体燃料导弹要差。以色列曾千里奔袭摧毁了伊拉克核反应堆,据说也炸掉了叙利亚的核反应堆,在进行此类突袭作战方面有丰富的经验。

  第二代直升机使用的涡轴普遍为单转子涡轴,如UH-1休伊直升机使用的T-53-L-1涡轴发动机,其燃气涡轮与动力涡轮均位于同一转子,因此转速相同。与此相同的直升机还有法国的SA-321超黄蜂直升机以及中国引进超黄蜂后自产的直-8直升机,该两款直升机均采用Tromo-3C型单转子涡轴发动机,该发动机国内引进自产代号为涡轴-6。单转子涡轴最大的问题在于输出轴转速过高,由于直升机旋翼转速普遍不超过400转/分钟,因此想把转速高达上万转的输出轴转速降低到几百转,对齿轮减速器是一个严峻的考验,因此会造成可靠性下降问题。同样由于转速过高,单转子涡轴不得不增加涡轮级数,降低压比来改善转速问题,这也同样造成了重量增加,发动机轴向长度增加以及油耗增大等问题。最后,由于启动转速过高,会造成压气机喘振,因此需要在压气机后方布置放气活门来减少喘振,进一步降低了可靠性。

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  图为SLS太空发射系统block2型的结构图(图源NASA)

  单转子核心机示意图

  登火组合体类似于一个摆渡船,并不具备下降至星球表面的能力,真正用于着陆的是独立设计的下降体飞船。而其返回则有两种不同的方案,其中之一是使用类似于阿波罗计划的方案,那就是上升段是下降飞船的一部分,返航时上升段脱离下降飞船独立返回。

  有着以上这些弊端,因此二代直升机的涡轴动力普遍性能还处于“勉强够用”阶段。比如美国通用电气的T-53-L-1涡轴,起飞油耗0.37千克/千瓦时,总压比仅为7.4。苏联的TV-2-117A涡轴,起飞油耗0.374千克/千瓦时,总压比仅为6.6。虽然已经比第一代直升机的活塞动力有不小的改善,但单转子涡轴指标的落后依然严重影响着二代直升机的航程,可靠性以及任务灵活性。随着航空动力学的进步,工程师终于找到了解决单转子涡轴弊端的途径,那就是——双转子涡轴,也成功推动了第三代直升机的出现。

  但是,火星不仅重力较大,还有稀薄的大气层产生阻力,这使得火星上升段的要求远远大于阿波罗计划。另一方面,阿波罗计划在月球上的停留时间远远低于火星任务的时间。

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  方案二则是在计划开展之前几年就发射一个飞船,这个飞船将独立运送加注好燃料的上升飞船(地球返回载具)。在完成长时间探索计划之后的火星宇航员们,将放弃其着陆飞船,并使用提前预置好的上升飞船返回轨道上的登火组合器。

  美国第二代直升机代表UH-1休伊直升机(图片来源于参考消息网)

  不过,众所周知的是,着陆时可能有诸多危机。这使得着陆飞船很有可能无法降落在预定位置,也就导致他们将与上升飞船相距极远,大大增加了计划的不稳定性不安全性。此外,提前预置的上升飞船将暴露在火星环境下两年或者更长,一旦上升飞船出现故障,后果不堪设想。

  第三代直升机开始使用双转子涡轴,与单转子涡轴不同,双转子涡轴引入第二根同心轴与自由涡轮概念,燃气涡轮推动压气机,而自由涡轮充当动力涡轮,单独驱动输出轴。这样做的好处在于可以将高压转子的转速提高到最优区间,而低压转子通过合理的叶片变距来实现转速控制,进而降低输出轴转速,减轻减速器负担,有效提高了可靠性。并且双转子涡轴的高压转子可以有效减少压气机级数,有效增大喘振裕度,不再需要放气活门。增大压比和涡前温度以提高循环系数,在更小的尺寸下达到更高的功率水平,增大了功重比。最后,更优的高低压涡轮配比在降低油耗的同时也提高了输出轴的扭矩,为直升机的单发失效状态下的应急功率带来了更大的冗余度,提高了三代直升机的安全性。例如俄罗斯的米-17河马直升机所使用的TV3-117VM涡轴,其采用双转子构型,其起飞油耗仅0.319千克/千瓦时,增压比提升至了9.4,而功重比更是高达5.16。而中国的三代涡轴主要有涡轴-9,其应用于直-10武装直升机。采用的双转子构型,拥有957千瓦的起飞功率和5.4的功重比,油耗也降低到了0.311千克/千瓦时。是一款完全自主研制的三代涡轴发动机。

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  图为“地球返回载具”(ERV,Earth Retuen Vehicle)的想象图(图源航天爱好者)

  装备涡轴-9发动机的中国第三代直升机直10(图片来源于百度图片)

  NASA的方案尚未确定,而SpaceX也有自己的火星计划,这个计划的相比于NASA的方案更加大胆和激进。其技术设想来自于祖步林博士,最大的特点就是,宇航员们将在火星上自行制造燃料。

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  SpaceX在原计划中将建造一个起飞重量高达一万两千多吨的复用超级火箭,进入轨道之后由加油船补给燃料,然后在三个月的行程里抵达火星。其飞行员将在火星着陆,并使用大气中的二氧化碳和水反应形成甲烷,并随后重新加注在其着陆飞行器中,在任务结束时起飞返回地球。

  涡轴-9是中国株洲动力研究所研制的三代涡轴

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  随着材料水平的进步,可以承受更高温度的燃烧室和可以承受更大转速的叶片相继问世,工程师们开始采用温度更高的燃烧室和离心式压气机来提升涡轴发动机的指标,而电子技术的进步也让涡轴发动机开始引入数字化控制概念。硬指标与数字化控制的发展使得直升机动力产生了第四次质变,推动了四代直升机动力的诞生。

  图为spaceX的火星方案(图源航天爱好者)

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  如此之多的火星探索方案,其实都寄托了人类试图探索外星的期盼。地球是人类的摇篮,但人类不可能永远在摇篮中生活,NASA的火星计划,或许能够真正助力人类成为一个多行星的物种。

  四代涡轴典型结构(图片来源于透博梅卡官网)

  第四代直升机开始采用引入了离心压气机甚至纯离心压气机概念,例如欧洲虎式武装直升机,采用两台透博梅卡MTR-390涡轴,该涡轴压气机仅有两级,且均为离心压气机,离心压气机由于形状特殊性,可以承受更大的扭矩,因此该发动机增压比有了质的提升。在高达1423开的涡前温度下,其总压比高达14。这是三代涡轴所无法达到的指标。而0.28千克/千瓦时的油耗和5.8的功重比也相较于三代涡轴有所提升。除了硬指标的提升,MTR-390涡轴还引入了全权限数字式发动机控制器(FADEC)。通过数字控制实现更精确的燃油计量、发动机故障检测、稳定引气与放气以及压气机控制。对发动机的输出性能,运行可靠性,油耗及功率调节的精确性有了质的提升。

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  中欧合作的直-15直升机,装备两台涡轴-16四代涡轴。

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  2000千瓦级的涡轴-10四代涡轴(图片来源于百度图片)

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  装备有两台涡轴-10的直-20四代直升机(图片来源于百度)

  目前我国拥有两款四代涡轴,首先是与法国透博梅卡共同开发的阿蒂丹-3C型发动机,中国称为涡轴-16,主要用于直-15中型直升机。涡轴-16采用两级离心压气机设计,带有FADEC控制器。起飞功率1250千瓦,油耗低于0.3千克/千瓦时,且功重比达到了6一级。是中航工业与欧洲空客直升机集团的合作典范。中国的第二款四代涡轴就是直-20的动力涡轴-10发动机,功率高达2000千瓦级,最早于2013年直博会曝光。拥有两级离心压气机与超过1600开的涡前温度,功重比也达到了7一级,属于四代涡轴中的翘楚。

  梳理完直升机发动机的四代构型,后续我们将重点讲一讲直升机划代的另一大指标——桨毂,请继续关注科普中国军事科技前沿。

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