音速绕地球一圈要多长时间,10马赫绕地球一圈要多久

首页 > 科学 > 作者:YD1662022-11-20 06:56:34

俄军下一代战略轰炸机PAK-DA外形想象图。

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俄罗斯曾展出过的一种高超音速试验飞行器的模型。

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美国X51A飞行器。

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今年8月,美国发射高超音速武器(又作超高音速武器)的实验失败,飞行器失去控制,军方被迫将其引爆。而同一时期,中国的高超音速武器研发也成为关注重点。高超音速武器究竟是怎样的一种武器,它具备哪些优势,目前各国研发情况又如何?本期为您解读。

怎样才能飞得快?

“天下武功,唯快不破”。无论是比武场上还是战场上,更快的速度总是能取得优势。而军事武器中,飞行在空中的飞机、导弹,速度远远超过陆地的坦克、装甲车辆或水面、水下舰艇。对各国军队而言,拥有更快速的飞行器,将在未来战争中获得显著的优势。

一架(或一枚)飞行器怎样才能飞得快?首先是空气动力的问题,飞行器应有最佳的外形,减少高速飞行时带来的阻力,或者干脆逃离大气层,在稀薄的太空中飞行。其次,飞行器本身带的发动机或火箭推进器越先进,能提供的推力越大,飞行器速度则能越高。

除了更快的飞行速度之外,军用飞行器还必须根据其用途,发展不同层次的综合性能。例如对作战飞机而言,续航力、机动力、载弹量甚至驾驶员安全、舒适程度都是要考虑的问题。而对导弹而言,还必须在提高速度的同时,解决如何防止敌方反导弹系统拦截,如何有效制导,确保导弹飞行精度等。

核心设备是什么?

实现高超音速飞行的核心设备之一,是冲压喷气发动机。它被誉为世界航空史上继螺旋桨、喷气式发动机之后的第三次大革命。

冲压喷气发动机,简单说便是把飞行中产生的迎面气流“吞”入发动机,利用高速的相对气流,提高发动机内空气的压力,经压缩后的空气进入燃烧室,与燃料混合燃烧,生成的高温燃气在喷管中膨胀后,以更大的速度朝后面加速排出,从而产生推力。这样,飞行器本身飞得越快,迎面来的气体越猛烈,产生的后向推力也越大。

不过,冲压喷气发动机不能自行从静止时候启动,因此必须由其他发动机先启动飞行器本身,产生一定初速度后,冲压发动机才能生效。此外,对于低速飞行的飞机而言,显然冲压喷气发动机是没有用武之地的——速度太小,迎面气流不够强,冲压发动机效果也就很一般。

高超音速有多高?

高超音速武器,目前还是个新概念武器,只是在几个国家开始试验。按照美国军方的界定,所谓“高超音速”,是指超过5马赫即5倍音速。音速在大气中为每秒340米,或者每小时1224公里。因此高超音速大约是每秒1700米,每小时6000公里以上。

这个速度相当恐怖。以我国正在退役的三代战斗机歼8为参考,歼8的最大速度是2.2马赫,大约只有高超音速的44%。美国最先进的五代机F22,其最大速度也不过2.25马赫。而5马赫高速的飞行器,只需要10分钟即可以从北京飞抵上海,从东京到纽约也要不了两个小时,绕地球一圈也只需要8个小时。而这只是高超音速武器的“入门价”。各国正在研发中的高超音速武器,理论上能达到10马赫、15马赫乃至20马赫的高速。如20马赫的武器,折合每秒6800米,每小时2.4万公里,先进武器中只有洲际导弹能达到这个速度。

目前设想中的高超音速武器,包括高超音速导弹、高超音速飞机、高超音速航天飞机等。

“*手锏”是啥?

高超音速武器同时具备远程、高速度、高精度、机动灵活的特点。因此对超高音速导弹提出三个要求,第一是速度快,达到5-10马赫,甚至20马赫。第二是打击距离要远,要求能够“一小时打击全球”,即射程达到2万公里以上。第三则是要求打击的精准性。

这种导弹首先通过火箭助推器发射,使之飞升到几十公里以上的高空。之后,弹头在大气层外惯性飞行,飞行一段距离后再次进入大气层。进入大气层以后,导弹可以采用三种方式进行飞行。

第一种方式是依靠导弹本身具有的高速,靠气动产生的升力,做远距离跳跃,甚至再次跳出大气层。这种方式被形象地称为“大气层打水漂”。第二种方式是直接在大气中进行滑翔机动飞行,并利用良好的气动布局,保持高速度。第三是通过加装的冲压发动机,做有动力的机动飞行。飞行至目标上空30公里左右时,开机对导弹进行末制导,引导导弹直扑目标,完成攻击。

不过,也正因为高超音速武器速度快,在震撼敌人的同时也会迷惑自己。在导弹最后的一程,高速冲刺的导弹如何实现精确制导,也是一个难题。美国近期的超高音速导弹试验,正是因为速度过快,导致失联才失败的。

战略意义何在?

高超音速武器(包括飞机和导弹等)在未来战争中的战略价值,首先在于高速远程打击。能够打击全球范围的高超音速武器,使得无论是幅员辽阔的大国,还是有着天然地理间隔(比如海洋)的国家,均不能再凭借“距离”享受安全感。只要敌对方拥有了高超音速武器,你的每一片国土都可能受到威胁,而且人家只要一小时甚至几十分钟就能打过来。

其次,高超音速武器的突防能力也相当强。由于其速度快,给防守方的反应时间有限。从30公里高空冲下来,几秒钟就能到眼前,很多拦截武器都失去了用武之地。

现有的洲际弹道导弹,同样具有每秒钟几公里的速度,能够打击上万公里距离,这两点与高超音速武器差不多。但洲际弹道导弹本身的弹道较为固定。在远程警戒雷达和警戒卫星的上下监视下,导弹一旦发射,很快就会被看到,之后洲际导弹大部分飞行时间都是在大气层之外,敌方的弹道拦截导弹也时刻待命。相反,高超音速武器在速度和距离不亚于洲际导弹的同时,其飞行方式更加灵活,甚至能在大气层边缘变向“蛙跳”,这就使得现在的弹道导弹拦截系统在很大程度上无法应对,从而大大增强了突破敌方防御、命中目标的能力。

美国态度:又爱又恨 只许州官放火

作为世界军事头号强国,美国对超高音速武器的态度非常有趣。一方面,军方在紧锣密鼓不断进行相关研发;另一方面,美国又有专家呼吁,各大国应该签署合约,禁止超高音速武器的研发。据说,其原因之一是,如果核弹头被超高音速武器携带,那么将给世界和平带来巨大威胁。这其实反映了美国对超高音速武器又爱又恨的心理。

为了保持自己的领先优势,美军当然要大力发展超高音速武器,而且其研发确实也走在世界前列。对于美国的国家战略来说,它搞的是全球霸权,而超高音速武器这种打击全球的东西,当然用起来非常顺手。

不过另一方面,由于超高音速武器是一种新概念武器,各国研发都还处在起步阶段。美国技术基础更好,进展也快一些,但远远没有形成代差,而且还可能被其他国家赶上。这样一来,在该项目上美国如果无法保持领先地位,当然会感觉不爽了。

更严重的是,全球打击、超强突防能力的超高音速武器,恰好是削弱了美国固有的优势。美国最大的优势是隔着东西两个大洋,本土安全程度较高。敌国的陆海空军很难突破太平洋、大西洋上的防线,把战火燃烧到美国本土。而洲际导弹来袭,美国又早已布置好严密的国家导弹防御系统和战区导弹防御系统。如今,真要是让其他国家拥有超高音速武器,美国现有的这些导弹防御系统便成了摆设。这样一来,美国的安全感当然要下降。所以站在美国的立场,真要能把这个祸害禁掉,其实是好事。

其他国家:俄紧锣密鼓 印度奋起直追

美国在超高音速武器的研究方面全球领先,然而其他一些国家也不甘落后。作为世界军事第二强国。俄罗斯在高超音速飞行器方面的基础能力较强。早在上世纪70年代就研究出玄武岩导弹、花岗岩导弹等超音速3倍的导弹。其后在2000年前后,试射匕首(SS-18洲际弹道导弹)、白杨-M等洲际导弹中,更是积累了丰富的技术经验。

目前,俄高超音速新技术已进入飞行验证阶段,正在研究规划更接近实际的发展布局。此外,俄还在研制“新一代发射技术”高超音速试验飞行器,将采用氢燃料超燃冲压发动机,速度可达6至14马赫。普京和其他俄高官多次强调,要大力发展“超高速飞行器”保家卫国。俄罗斯本身幅员辽阔,若其能成功研发高超音速武器,对美国霸权的反制能力将进一步加强。据报道,俄罗斯在2010年左右已经进行了高超音速武器的实验。

而正在积极追求大国地位的印度,则继续秉持一贯的“借鸡下蛋”捷径,于2014年宣布,将和俄罗斯研制“布拉莫斯”反舰导弹的高超音速型号。该导弹的速度可达6到7马赫。此外,印度还计划研发至少5倍于音速的喷气式战斗机,并称将是美国的X-43和X-51实验型飞行器之后的全球第三。

研发案例:HTV-2猎鹰 超音速20倍

HTV-2猎鹰是美军运用高超音速飞行技术打造的超级战斗机(或者可以叫做导弹),每架造价3.8亿美元。该战机可携带5吨重的物资,用运载火箭发射,然后在大气层外层的亚空间轨道,以20倍音速(约时速2.4万公里)飞行,接近目的地后再减速、滑翔到目标区域,实现精确打击。由于地球周长不过4万公里,该机可以在1小时内到达地球上任何一个地点。尤其在攻击敏感目标、加固目标等方面具有明显优势,更能适应未来作战的需要。

不过从2003年开始研发以来,猎鹰的试验并不很顺利。2010年4月首次发射9分钟后失去联系坠海。2011年8月第二次试验发射成功,但在返回地球时失去联系。

X-37B空天飞机 在太空侦察投放卫星

设计中的X-37B空间飞机,是一种既能从地面起飞,又能在太空遨游的空天两用战机。它以助推火箭发射或飞机投放、进入地球轨道高速飞行,在需要的时候再降落地面。X-37B无人驾驶,长9米,翼展4.57米,全机重量5吨,可携带4至5吨左右的载荷(包括武器、卫星等)。它的时速接近3万公里(25倍音速),很难被常规雷达发现,而且能在太空轨道运行达270天。2010年X-37B从佛罗里达州成功发射升空,这也是人类的首架太空战斗机。

通过地面或其他空间设备的遥控,X-37B可以在太空完成侦察、投放卫星,甚至也不排除加装攻击武器系统如激光的可能。一旦有需要,X-37B甚至可能直接从地球轨道上俯冲入大气层,对目标定点打击。X-37B具有的“居高临下”的位置及其高速,不但能使敌方防不胜防,而且可以直接利用动能产生巨大破坏力。哪怕一颗1.5公斤重的高超音速炮弹,也足以摧垮一座桥梁。

X-51“冲浪者” 超音速巡航导弹

洲际弹道导弹的射程远,速度快,但其弹道特征容易被预知。巡航导弹更为机动灵活,但是速度较慢。1998年美国曾用阿拉伯海上的舰队发射战斧巡航导弹,攻击1700公里外的位于阿富汗的拉登营地。结果由于战斧巡航导弹时速只有700多公里,等2小时后导弹飞达,拉登早就离开了。

针对战斧的这一问题,美军在巡航导弹上加装冲压喷气发动机,形成了既具有精准定位和自动导航能力,又能以高速飞行的超音速巡航导弹X-51“冲浪者”。该款新型导弹可由B-52轰炸机、多功能战斗机和潜艇发射,速度达到10马赫左右,射程高达6000公里。如果1998年用这种导弹来打拉登,那么只需要飞行20分钟就能炸到拉登的营地,拉登一定跑不了。(杨益)

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