进行风洞试验的HTV-2高超音速飞行器模型,照片摄于2005年。高超音速飞行器以高机动性机动弹头为技术基础,采用了高升阻比的乘波体设计。
高超音速飞行器技术难度很高
猎鹰计划中CAV要实现5500千米的滑翔距离和2200千米的横向机动能力,增强的ECAV甚至要求达到16700千米的滑翔距离和5500千米的横向机动能力。在30~60千米高度的高高空进行这样的高超音速远程滑翔,现有和研制中的反导系统对此可以说是鞭长莫及,即使是曾经寄予厚望的机载激光器,由于CAV在高高空超高速滑翔面临的高温高压苛刻环境,本身就对依靠加热破坏结构的激光武器也要能够具有强得多的硬抗能力,可以说携带武器的CAV将严重抵消反导系统的战略效果,在突防能力上具有颠覆性的效果。但技术难度也可想而知,即使是技术雄厚如美国,也无法一步登天。
以高机动性机动弹头为技术基础
CAV以美国在高机动性机动弹头上的技术储备为基础,洛克希德马丁公司的CAV/HTV就来自于早年的高机动性再入载具(HPMARV)方案,当然HPMARV虽然比更早的MARV设计如潘兴II的再入机动弹头的升阻比更高,具有更远的滑翔距离和机动能力,但距离猎鹰计划的目标仍有太大的距离。洛克希德马丁公司进一步优化设计,选用了高升阻比的乘波体设计满足苛刻的高升阻比要求。
国会对高超音速飞行器计划的影响
或许是因为反导系统已经激起了其他核大国极大的反对,2004年美国国会审议时参议院极力要求取消CAV的预算,不过平民化的众议院则对CAV情有独钟,要求加大拨款大力发展。最终两院达成妥协,通过了预算拨款但取消了猎鹰计划中的武器部分,规定不能用于武器化的CAV开发,也禁止使用陆基或是潜射弹道导弹发射CAV。经此一变,原来的“兵力运用与从本土发射”计划十分的名不符实,于是新的计划直接叫Falcon,虽然翻译过来还是猎鹰但已经不是缩写,同时CAV改名为高超音速技术载具(HTV)。
由于国会的限制,原定使用民兵II洲际导弹发射CAV的试验也不得不改成使用轨道科学公司的米诺陶4火箭发射HTV飞行器。米诺陶4火箭使用退役的和平卫士洲际导弹改装而来,实际投掷能力远远超出HTV所需,后来HTV-2A或许还有HTV-2B试飞的失败,很可能都与此有关。
美国对高超音速飞行器的飞行计划,但经过调整后目前整个HTV系列只剩下HTV-2在继续推进。
跳过HTV-1直接进行HTV-2飞行实验
去掉武器化的内容后,猎鹰项目继续推进相关研究。在HTV第一阶段竞争中洛克希德马丁公司击败波音、轨道科学公司、安德鲁斯宇航公司等对手,独霸了HTV系列的后继研制工作。洛克希德马丁公司原计划第二阶段先后实验一次性无动力滑翔的20马赫极速的HTV-1和HTV-2,再实验可复用超燃冲压发动机的HTV-3,从而为最终的HCV研制铺平道路。计划不如变化快,2006年5月由于HTV-1子承包商C-CAT在高曲率曲面前缘放热材料的结构上出现了短期内无法解决的问题,国防部先进研究计划局和洛克希德马丁公司决定放弃两架HTV-1的制造与试飞,直接制造两架HTV-2飞行器进行HTV-2的实验。
2007年5月国防部先进研究计划局又决定跳过HTV-3直接研制HTV-3X黑燕,黑燕尽管速度只有6马赫,但发动机技术更为成熟,但2008年10月在军费缩减的大形势下由于预算不足被迫取消,于是整个HTV系列只剩下HTV-2继续前进。
HTV-2的控制和制造材料存在较大难度
HTV-2飞行器使用优化设计的乘波体外形提高升阻比,据称在高超音速下的升阻比高达3-4,这个速度下传统飞船如联盟神舟只有0.2~0.3,阿波罗飞船为0.368,为了提高升阻比特意使用三角翼的航天飞机也只有1,HTV-2飞行器在高超音速下的高升阻比是它实现远距离滑翔的最根本基础。
在防热上HTV-2外部使用了低烧蚀性的碳-碳复合材料,配合一系列隔热措施确保内部的常温环境。由于高速飞行时间长而且飞行高度低,同时还要满足防热、气动和控制的一体化设计,HTV-2的防热和结构设计制造难度远远高于航天飞机更不要说普通宇宙飞船。
HTV-2的控制也是一个巨大的难题。虽然HTV-2的速度在再入后随着滑翔不断降低,如失败的第一次任务中再入后139秒HTV-2A速度从22马赫降低到17马赫减速很快,但纵观全程HTV-2的平均速度还是很高的。HTV-2A最初计划1363秒内进行全程5889千米距离的飞行,平均速度4.32千米/秒,末端速度也在4马赫左右。高超音速下要求更快的反应控制,更困难的是人类对高超音速下的空气动力学知之甚少,地面风洞无法有效模拟20马赫高超音速的环境,HTV-2的气动控制极具挑战性。
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