《出鞘》2020-03-11：沉河洗甲看流星：冲压动力是否代表了空空导弹的未来

源济

沉河洗甲看流星：冲压动力是否代表了空空导弹的未来
新浪军事  2020年03月11日

在当今的世界空空导弹家族中，有这样一个“异类”，欧洲流星远程空空导弹。之所以说其是个“异类”，主要是因为其动力方式与其他空空导弹大相径庭，采用了整体式固体火箭冲压发动机而非传统的固体火箭发动机。事实上，在上世纪末本世纪初，我国国内也有大量鼓吹在空空导弹上应用固冲一体发动机的论文。那么，这两种发动机各自究竟有何优劣，未来我国的空空导弹又应该如何发展呢？




所谓固体火箭冲压发动机，其实本质上就是一种冲压发动机，是喷气式发动机的一种。与我们熟知的涡扇发动机、涡喷发动机相比，冲压发动机并不需要涡轮这种旋转部件来进行压气。其主要是靠发动机在高速飞行时空气自然流入进气口来进气的，而压气则主要靠发动机内部的结构设计。受其工作原理所限，使用冲压发动机的导弹通常都需要在较快的速度下进行发射，否则就需要额外挂一个火箭助推器来对导弹进行加速，使冲压发动机能够顺利开机。




但是这种传统的冲压发动机+固体火箭助推器的两级推进模式有一个巨大的缺陷，就是弹体过于巨大，这无疑会影响导弹的携带性。因此，人们研制出了一种将固体火箭助推器和冲压发动机整合到一起的新技术，即整体式固体冲压发动机。这种发动机将固体药柱整合进了冲压发动机的燃烧室，有效的缩短了导弹的长度，因此非常适合空基平台使用。除了上文我们提到的欧洲流星导弹以外，俄罗斯的Kh-41白蛉反舰导弹、我国的鹰击-12反舰导弹等也采用了类似的技术。




一般而言，火箭发动机需要同时携带燃料和氧化剂，而作为喷气式发动机的冲压发的动机则是利用空气中的氧气作为氧化剂的，其本身只需要携带燃料即可。因此，在相同尺寸的弹体上，冲压发动机可以携带更多的燃料。因此，在弹体大小相同时，采用冲压发动机的导弹会拥有更大的比冲，以达到更快的末端速度和更远的射程。




此外，由于固体火箭发动机的推力不可控，加之其燃料柱的燃烧速度不可能太慢，因此采用固体火箭发动机的空空导弹都存在一个很棘手的问题：在火箭发动机工作的十来秒时间里，导弹的性能极为强悍，但一旦发动机熄火，导弹就只能靠惯性前进。此时由于导弹已经无法再补充能量，因此如果其跟随目标做了超大过载机动损失大量能量而又没有命中目标的话，就无法再对目标产生威胁了。同时，由于导弹已经丧失了动力，其也无法继续使用效率较高的机动方式——推力矢量控制，而只能使用效率较低的空气舵进行机动了。




相对的，冲压发动机可以控制燃料的燃烧速度，在整个飞行时间内，推力更加平均，动力更加绵长，动力时间也更长。这就有几个很大的优势：首先，冲压导弹几乎不存在一个速度峰值，那么其阻力也就不存在一个峰值，这意味着其发射后的能量损失更小。其次，动力时间更长意味着其动力射程更长，即其可以在更长的距离内补充能量，导弹的不可逃逸区也就会更大。比如流星导弹的宣传亮点之一就是超过60公里的不可逃逸区，这比现役的美军AIM-120系列高出了3倍以上。




但是冲压空空导弹也有自己的劣势所在。首先是冲压发动机作为一种喷气式发动机，其必须有进气道，这意味着其重量和阻力一定会比安装火箭发动机的导弹更大。其次，火箭发动机可以很轻易的使用燃气舵进行推力矢量控制，但冲压发动机则很难实现这一点。想要进行推力矢量控制，就必须使用与战斗机类似的矢量控制喷管，其技术难度暂且不论，就算实现了也会大幅增加导弹的死重，导致导弹的能量下降。




再次，用于战斗机空战的空空导弹无一例外需要极高的机动性，而在进行高过载机动时，冲压导弹的进气口很容易因为超高过载而失速，因此，只能装两个进气口的空空导弹有可能在追踪目标的过程中因为进气道失速而丧失动力。而一旦这种情况发生，那么冲压导弹就失去了其意义。




最后，由于冲压发动机的推力峰值比火箭发动机小得多，再加上高空空气稀薄，冲压发动机效率下降，因此采用冲压发动机的导弹很难像采用火箭发动机的导弹一样，在火箭的动力段爬升到很高的高度打一个非常漂亮的高抛弹道。这实际上限制了冲压导弹的超远距离射程。因此，世界上现役的两种超远程截击导弹——俄罗斯的R-37M和我国的“电线杆”都没有使用冲压动力，而是老老实实的使用了固体火箭动力。




其实除了欧洲流星以外，很多国家也都研制过自己的冲压空空弹，比如美国雷声公司为英国研发的的FMRAAM、俄罗斯的R-77PD、瑞典的Rb-73等等。但这些导弹无一例外的在研制阶段下马，或者没有能够顺利进入服役。




与之类似，我国也曾在上世纪90年代和本世纪初做了大量的相关研究，几年前甚至公开展出过冲压空空导弹的模型。但最终，与歼-20战机共同服役的霹雳-15型空空导弹和至今仍未曝光型号名称的“电线杆”截击导弹却也依旧采用了固体火箭发动机。这或许说明了包括我国在内的大部分国家对于冲压导弹的态度。




诚然，冲压导弹相比于火箭导弹在很多方面有其独到的优势，但这些优势并非不可追赶的。比如美国的AIM-120D导弹就通过优化飞行控制系统实现了更大的射程。而我国的霹雳-15空空导弹则是通过放大弹体并采用双脉冲发动机的方式实现了更大的射程和更好的末端机动能力。




所谓双脉冲固体发动机，是指在传统火箭发动机的燃烧室里，通过隔板将药柱分为两个部分，并使药柱的两个部分各自拥有自己的点火系统。这样一来，导弹可以使用药柱的前半部分进行加速和巡航，而在末端使用药柱的后半部分补充能量并增强机动能力。同时，这样的布置还能使得导弹的速度峰值降低，这意味着在导弹的总冲相等的情况下，双脉冲火箭发动机导弹的射程相比于传统火箭发动机导弹更长。




虽然在最大射程方面，双脉冲导弹依旧只能望冲压导弹项背，但由于其可以在末端进行二次点火，因此，其末端机动性要远优于推力较小、不能使用矢量转向的冲压发动机。此外，由于固体火箭发动机导弹可以使用高抛弹道，在目标RCS相对较大的顶部对敌机进行攻击，因此，其对隐身战机的杀伤效能也要较冲压导弹更高。




因此，在综合考虑两种导弹各自的优势，我国歼-20战机的弹舱容积，以及我国已经拥有“电线杆”，空战导弹无需在极远距离执行截击任务后。我们大致可以得出结论：采用双脉冲火箭发动机的空空导弹才更符合我国的现实需求，在这一领域，我们无需盲目跟风欧洲。