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巡航里程无限!疯狂的核动力飞行器,最近死灰复燃

2019-08-13 10:44:22 来源:男人帮 编辑:纸上的宣仔44分钟前我要分享 热度:

导读:核动力,是超级大国自冷战以来一直孜孜不倦地研究的动力系统。在上个世纪50年代,美国苏联就曾经从事过一项疯狂的研究,就是把核动力的飞行器上天,让它作为动力系统推进飞行器。理

核动力,是超级大国自冷战以来一直孜孜不倦地研究的动力系统。在上个世纪50年代,美国苏联就曾经从事过一项疯狂的研究,就是把核动力的飞行器上天,让它作为动力系统推进飞行器。理论上使用核燃料的航空发动机,几乎可以让让飞行器足以长时间滞空并拥有无限的射程。在2018年的俄罗斯国情咨文中,俄罗斯高调曝光了他们的“雨燕”核动力巡航导弹,并宣称即将开始在堪察加半岛进行实验。这种武器据称可以达到5马赫以上,不仅射程无限,而且工作在高超音速上,任何防御系统的都难以拦截。

核动力飞行器发展第一阶段——核动力飞机

二战结束后,人类开始认识到核能到巨大潜力,拥有无限航程的核动力航空发动力也成了热门课题。美国从1946年开始先后启动了NEPA(Nuclear Energy for the Propulsion of Aircraft )和ANP(Aircraft Nuclear Propulsion)计划,率先开展了这方面到研究。本质上,核动力发动机与喷气式发动机都是遵从布莱顿循环的热机,都拥有压气机和涡轮结构,只不过一个利用的是碳氢键的能量,一个是原子核裂变的能量。当时通用动力和普惠两家公司提供了2种核动力航空发动机原型,在通用的J47涡轮喷气式发动机进行改装。通用的构造十分的简单粗暴,只有一个回路,然后将烧热的空气绝热膨胀后排出,从而获得推力,但在工作过程中喷出了相当多的放射性物质,属于杀敌八百自损一千;而普惠的发动机是间接空气循环(Indirect Air Cycle),类似二回路压水堆,先加热金属管路,然后通过热传导给二回路中的空气966383.Com男人帮,这样就避免了放射性物质的排放。然而这种方式的输出功率则远不如第一种。

HTRE-3发动机

直接空气循环式(通用方案)

然而美国在1956年NB-36H验证机上进行的一系列飞行实验中,更多的是验证发动机工作时辐射对机组人员对影响;结果表明辐射对机组人员的健康和对机载电子设备影响太大,已经失去了进一步论证的意义。

B-36改装的NB-36核动力验证机

苏联的研究稍晚于美国,但遇到的问题几乎和美国完全相同。苏联原计划设计一款叫Tu-119的核动力战略轰炸机,在tu-95机身上改装而成,动力系统同样由一个中心反应堆和两台喷气式发动机改装的NK-14A发动机组成。该飞机在1961年首飞,并且完成了40次试飞。然而其获得结论几乎和美国一模一样,即这种飞机在工作时的环境根本不适合人类生存。

Tu-119的构想

核动力飞行器发展第二阶段——核动力巡航导弹

在核动力飞机实验失败后,美国人认识到核动力飞行器的高剂量辐射决定了它只能是无人操作的。1957年,美国空军联合美国原子能委员会启动了冥王星(Project Pluto)和SLAM(Supersonic Low Altitude Missile)。SLAM是一种设想依靠超低空飞行突防的超音速巡航导弹,其结构其实是一个核动力+冲压发动机的配置。由于冲压发动机的工作原理,在小于3马赫以下时几乎无法稳定工作,这种导弹还需要在捆绑3枚火箭,当飞行器加速到3马赫时开启冲压发动机并抛掉火箭。不过因为冲压发动机常常工作在3马赫以上,怎么可能在超低空巡航飞行呢?所以实际上SLAM的设计指标是定在差不多35000英尺的高空巡航。

SLAM风洞模型

1961年,美国开始了发动机的地面试车工作,一台Tory IIA的地面试车台在长达40km的润滑轨道上进行了试车。1964年,核动力冲压发动机的原型机Tory IIC在满推力下运行了5分钟,获得了空前成功。然而接下来,五角大楼评估后认为,该项目“挑衅”意味过浓,会激起苏联也进行同类武器的开发;此时LGM-30“民兵”洲际导弹已经服役,ICBM的技术路线较为成熟,而跨洲际的巡航导弹与它的定位是重合的,因此没有必要再进行下一步的研发。

Tory IIA的地面试车图纸

Tory IIC原型发动机

其实,即使当时的美国继续研发冥王星项目,最终的结果恐怕也不会太好,因为当时的巡航导弹制导技术本质上与二战时期的V-1火箭并无区别,和弹道导弹一样,只能使用ISN(Inertial Navigation System,惯性导航系统)。INS有一个最大的问题,就是积累误差。因为陀螺仪本身利用重物块的转动惯量来提供一个恒定参考系,而陀螺仪由于微小的摩擦,重物块加工上存在一定误差,旋转轴并不一定穿过旋转轴,加上热胀冷缩等影响,陀螺仪会随着时间的推移产生漂移,时间越长积累误差越大。因此一枚惯性制导的导弹当然是越快击中目标越好。而核动力巡航导弹不过是3马赫的速度,只相当于3000多公里的时速,这样实现1万公里的射程就需要将近3个小时,而洲际导弹从发射到击中目标只需要半个小时。按照当时的技术条件,LGM-30 ICBM达到了2.4公里的误差半径;同样的导航系统装在核动力巡航导弹上,已经毫无精度可言,即便是安装核弹头威力也已经不足以造成太大影响。

LGM-30 “民兵”洲际导弹的陀螺仪

随着技术的发展,美国在70年代重启了对巡航导弹的研究,但仅限于常规动力。此时的美国解决了巡航导弹的制导问题,引入了TERCOM的方式。TERCOM是Terrain Contour Matching地形匹配制导,通过实现制定巡航导弹的路径,将通过路径上高低起伏的地形高度数据实现记录在导引头中,在导弹飞行过程中,通过雷达测距器来与记录的数据做比对,以便知道当前是否偏离航线、在航线中处于什么位置。由于这种制导模式,可以为导弹制定非常复杂的路线,因此可以让导弹在超低空以亚音速贴着起伏地形来飞行,以避开敌方的搜索雷达,或者极大压缩它们的反应时间。

战斧式巡航导弹的TERCOM

而到了80年代,随着数字处理器的进步,又发展出了DSMAC(Digitized Scene-Mapping Area Correlator,数字场景地图匹配制导),用于攻击路径上特征路标的识别以及攻击时目标的图像识别,从而将TERCOM制导下几十米的CEP缩小到米级;而到了90年代则又引入了卫星制导方式。

DSMAC制导模式

今天的巡航导弹一般采用INS+GPS+TERCOM+DSMAC复合制导模式

有了精确制导的能力,核动力巡航导弹是否有机会复活呢?就在最近俄罗斯给出了一个答案,让我们重新认识到核动力导弹的生命力。

死灰复燃的核动力巡航导弹

俄罗斯在2018年发表的国情咨文中,披露了本国正在研究一种基于核动力高超音速武器,型号为 9M730 ,代号“Буревестник”(雨燕)。美国也通过侦查手段发现了这种导弹的实验情况。实验是在一个孤立小岛上进行,这应该是因为导弹排出气体的放射性污染不适合在有人居住区域进行试射,连专门前往该岛的船只都是具备处理核废料资质的。该导弹在前四次的实验中全部失败了,最远的一次只飞行了35公里。

目前已披露的雨燕核动力导弹的外形照片

从已经试飞的图像和模型来看,与车间曝光的形状又有所不同,它的外形是圆柱体弹体+捆绑核动力发动机的外形。从发动机近期形状看,应该是仍是一种亚音速或核动力巡航导弹,或者仅具有有限的超音速突防能力,它的技术相比50年代的核动力飞机并没有本质上的差别,区别只在于有人和无人。它的攻击模式可能与战斧式巡航导弹类似,这款导弹只需要在低空飞行,利用TERCOM和DSMAC以及卫星复合制导的方式,提前规划攻击路径,绕开雷达和防空系统的拦截。虽然不具备SLAM那样3马赫以上的速度,但是多种复合制导方式反而令这款导弹的突防能力更强。它几乎无限的射程,显然可以让战场指挥官更加得心应手的设置突防路径,以出乎对手意料的方式出现在目标点,让对方的警戒和防御系统成为二战时的“马奇诺防线”。

从雨燕的尺寸上看,这应该是一枚可以用来由战略轰炸机携带的导弹。也许这才是俄罗斯的开发这款导弹的答案。那就是利用战略轰炸机携带这种超远程的核动力巡航导弹,在进入美国的防空拦截圈之前就将导弹射出。这样就对美国构成了非常大的威胁,很大程度上弥补了Tu-160不具备B-2那样优秀的突防能力带来的劣势。只是这种导弹高污染和极易招致核报复的特性,以及对制造工艺要求非常高;能否真正技术成熟,能否得到持续的支持,恐怕就是未知数了。

而在近两天俄罗斯火箭军的试射基地刚刚发生的一次严重事故中,有五名核专家当场死亡;除此之外在附近检测到了高剂量的辐射,引起了居民的恐慌,纷纷抢购碘片。能产生这么严重的核泄露的,也只有雨燕核动力巡航导弹符合要求。估计这事之后,俄罗斯也该作罢了吧。

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