《铸剑》2015-09-21：迷雾后的大目标：中国高空高速无人机探秘

源济

澎湃防务  2015-09-21

在上周五突然曝光试飞的高空高速无人机引发了网络上的讨论热潮，而9月21日的一则官方报道中专家的结论又让很多人对它有些失望。究竟这款“犹抱琵琶半遮面”的无人机是何面貌？本期《铸剑》结合战术需求、技术实力和验证方向为您做独家分析。





首先需要明确，在中国航空工业的现行规则下，基本不存在不依靠实际装备型号立足的纯科研性项目（最近的垂直起降飞机项目算是极少数例外）。由此分析，这种高速无人机系统可能就是一个在研的军用型号，当然也可能只是某个项目的“开路先锋”。





从军队需求上说，上世纪90年代无侦-5退役后，中国空军战术侦察机就只有歼侦-6和歼侦-8两个系列，如今更是只有歼侦-8F一个型号。SR-71退役后，各国有人侦察机已经极少依赖高空高速作为侦察手段，歼侦-8F也更多依靠其侧视侦察吊舱执行任务。





但在无人侦察机领域，除了很多国家都在研制的亚音速高空长航时设计之外，高空高速远远没有被放弃。美国1960年代的D-21无人侦察机就是这一类型侦察机的始祖。而美军正在研发的SR-72无人侦察机则在飞行性能上进一步提高，有望达到6倍音速。





虽然中国军用航天事业近年不断取得新成就，在亚太地区已构建了强大的综合监测体系，具备对各类移动目标良好的探测能力。但面对美国咄咄逼人的太空战手段，为了保证完整的杀伤链，我们仍然需要一种比轨道航天器反应更快速、生存性更高的手段。





从公开资料可知，本世纪初国内启动了多个无人机项目，比如已曝光的由601所主导的“神雕”高空远程反隐身无人机。而最近曝光的无人机从发现地点看可能是611所的设计，这两个从气动外形到性能特点都相差极大的型号是国内无人机尖端领域的代表。





从这张2015年7月的谷歌地图照片来看，对比身边的“翼龙”无人机，新型无人机长度不超过10米，翼展不超过7米。考虑到轰-6母机的起飞重量限制，即使加上助推火箭后，整个无人机系统的起飞重量也不超过10吨，和D-21无人机基本处于同一量级。





但该机气动和D-21明显不同，机翼没有采用弦长几乎和机身等长的超小展弦比设计，而是采用了带有翼身融合的中等展弦比梯形翼。从这一点看新型无人机更多考虑极速性能而非持续巡航。其整体像是一架缩小比例，但没有水平尾翼的X-15试验机。





为了进行突破热障的高速飞行，新机的机体材料必然有创新。为了实现高速飞行和控制重量两大目标，很多国家的类似型号都使用昂贵的钛合金，比如D-21就是如此。相对便宜的办法是类似X-15的镍铬铁合金涂层，笔者认为后一种的可能性更大一些。





和国内很多种高速飞行器一样，最适合作为这种新型高速无人机载机平台的还是轰-6。最早轰-6曾计划携带北航的靶-6型超音速靶机，后来在本世纪初又外挂过“神龙”的原理样机，都是把机腹弹舱门卸掉然后重新设计挂架，充分利用其机腹离地较高的优势。

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但由于无人机机载设备越来越复杂，载机挂载并发射无人机比打一枚导弹出去还要复杂，因此载机也要进行特殊改装。比如NASA用于挂载X-15飞行的NB-52B，就能够在X-15脱离母机前对X-15的飞行员座舱环控系统等关键系统保持电力，协助自检等等。





由于其飞行剖面特殊，试飞不会在位于陕西的中国飞行试验研究院进行，而应当是在大漠戈壁深处的某试验试飞基地。报道中虽然提到是在试飞中心的首次飞行，也并不能说明之前在本场进行过试飞——它很可能是在完成总装后由伊尔-76运输到试飞中心的。





根据公开论文显示，新型无人机的使用方式和D-21B大概相同，和固体火箭助推器组合后挂载在改装半埋式挂架的轰-6机腹。母机起飞后投放无人机的高度在9000-10000米左右，飞机保持挂弹时巡航速度M0.8，投放后助推器点火将无人机加速到M2.0以上。





此时达到启动条件，用于进一步加速和做巡航飞行的冲压发动机点火，将无人机加速到M3以上的高速。由于气动限制超音速巡航效率不如D-21，新型无人机巡航速度可能略逊于D-21的M3.3，加上机体容积制约载油，航程也难以达到后者7000km的高水准。





其冲刺速度则有望达到或超过D-21的M3.7，但不太可能超过M4乃至M5。这不仅是传统亚燃冲压发动机面临的问题，和高超音速飞行的其他问题相同，这个速度下机体表面的气动加热问题我们也没有实际工程经验，只能靠经验公式和模拟数值来计算。





即使保守估计，M3.2的巡航速度也足以在20分钟内飞行1000多千米，足以对中等国家的纵深目标进行侦察。由于飞行速度较高，机上可能有用于强制冷却的液氮，保证机载侦察设备在这20分钟工作时间里，在机体表面受到高温炙烤时仍能开机工作。





很多人看到报道中的“试飞员”一词认为这是一架有人机，但根据中航工业标准用语，无人机操作员也可称作试飞员。在一架验证意义明显的飞机上采用有人设计，意味着要增加整套座舱特别是满足在高空高速高温条件下运作的环控系统，实在得不偿失。





国内之前的多个战斗机方案，东风113、歼-9、还有代号为三号任务的高空高速截击机方案，都有过双2.6甚至是双3的高指标。但由于当时的技术实在达不到要求，这些型号悉数下马。从某种意义上说，新型高空高速无人机的出现也算是圆了它们未竟的梦。





不同于动力结构相似但有去无回的超音速反舰导弹，完成临空侦察任务仅仅是无人侦察机任务剖面的一半。接下来的返航过程，特别是无动力段的滑翔飞行直至着陆，控制上难度也不小，这是无尾布局在低速条件下的迎角和侧滑角变化的不稳定所导致的。





而且和普遍升力系数高、滑降比出众的其他无人机相比，新型无人机偏高的翼载在着陆时势必显得笨拙。而翼身融合设计导致随飞行姿态变化而产生的多通道力矩（包括舵面控制力矩的）耦合也很明显，因此新机着陆控制设计的难度也远超之前的无人机。

源济

我们在报道中看到它在着陆时进行了大角度俯冲并拉空飘最终精准着陆，这在世界高空高速无人机发展史上也是不多见的。其可收放式起落架（这是肯定的）的舱门在高速飞行中要经受拉伸变形的考验，着陆时还要能正常打开，对设计和制造的要求都很高。





虽然中国不缺3倍音速以上的战术导弹，但是对3倍音速以上可返回飞行器这一领域的研究还非常有限。相信通过前文的分析，读者们对这架无人机所遇到的一些可能课题也有了初步的了解，而这可能仅仅是它在科研攻关中真正遇到问题的一小部分。





总之，高空高速可返回式无人机系统的首次验证飞行成功，对中国航空工业的意义绝不亚于光辉夺目的歼-20最新一架原型机2016号首飞。它们同样都是在之前国内从来没有系统进入过的领域的开拓者，都是在追赶国际先进水平的道路上走出的坚实一步。





但一如多种国产武器刚刚走出传说时所遭遇的情况，上周五之后短短几天，围绕新型无人机的猜测已经连篇累牍。而当接近真相的结论逐渐水落石出时，做出不切实际猜测的军迷朋友们难免会有失望情绪。笔者认为，对军事科技的发展规律要有基本认识。





即使在美俄航空技术的发展中也少有真正的“一夜精进”的例子，在总体理论研究和技术基础远不如美俄扎实全面的中国更是如此。扩展到整个尖端武器行业，即使是划时代的东风-21D，也有东风-15B、东风-21C等型号对末制导跟踪技术的研究作为基础。





所以希望读者们既不要因它不是能和美国并驾齐驱的跨大气层往返飞行器而悔恨，也不要因没用上串联涡轮冲压组合发动机达不到“中国黑鸟”的期望而感到羞耻。重要的是，我们在高速可返回飞行器领域这片处女地取得了踏实的成就和进展，这是最好的。





正如前面所分析的，如果这架无人机真的只是后面更大计划的一部分；那么在它完成对高速飞行相关领域的工程探索之后，将其经验结合到结合未来即将成熟的新型高超音速发动机等技术上，无论是侦察型还是轰炸型，打造出来的实用型号只会更加强大。





在航空工业朝着尖端方向的科研攻关中，长期技术积累的作用十分重要。在我们还没有建立像美国人那样完备的X系列验证机的科研体系之前，每一个新型号飞行器的任何一项验证工作都有其宝贵的意义。本期《铸剑》就到这里，周三《观棋》我们再见！