渦輪基組合動力水平起降高超聲速戰略打擊模式探討

李 俊，楊水鋒，陳文兵

(成都飛機設計研究所，四川 成都 610091)

1 引言

快速響應戰略打擊是近年來各國研究的熱點，其飛行模式的選擇對關鍵技術牽引和突破影響巨大。遠程高超聲速飛行器通常以兩級組合形式構成，按發射方式和飛行方式組合，可分為火箭動力垂直發射高超聲速彈道飛行、火箭動力垂直發射高超聲速巡航飛行、渦輪基組合循環(TBCC)動力水平起降機載發射高超聲速彈道飛行、TBCC水平起降機載發射高超聲速巡航飛行四類。其中TBCC動力水平起降機載發射高超聲速彈道飛行模式，在平臺機動性、發射隱蔽性、突防概率等方面都有優勢。下面將對TBCC動力水平起降高超聲速戰略打擊模式進行探討。

2 國外高超聲速飛行器種類及特點

高超聲速飛行器從廣義上講，包括目前已出現的高超聲速無人機、高超聲速導彈、空天飛機，及未來可能出現的高超聲速轟炸機等[1]。類似X-51驗證機的飛行器，可視為高超聲速巡航飛行器。

高超聲速飛行器種類繁多，為了簡化，按動力種類，可將高超聲速飛行器分為無動力滑翔飛行器、吸氣式動力巡航飛行器和火箭動力彈道飛行器三類。火箭動力技術相對成熟，吸氣式動力技術和彈道滑翔式技術成熟度尚低，是各國發展的重點。

采用火箭動力的主要是彈道導彈，按發射方式分為地面發射和空中發射。地面發射具備很強的突防能力，但存在發射時紅外特征持續時間較長等弱點，容易被預警衛星發現。

采用吸氣式沖壓動力的主要是新型高超聲速巡航飛行器，能以大于Ma5的速度巡航，遠大于目前世界上現役飛行器的巡航速度，能極大地縮短目標反應時間。對瞬時可疑目標、高價值目標，能做到在其完成部署與做好攻擊準備前先敵摧毀。高超聲速飛行器能威脅地面的固定設施及移動中的目標。

彈道滑翔式的通用航空飛行器，一般采用地面垂直發射方式獲得初始動能，然后以彈道加末端滑翔方式飛行并實施打擊。

3 高超聲速飛行器優勢

3.1 速度優勢

高超聲速巡航飛行器在未來實戰中的應用，很可能改變現代戰爭的模式。包括彈道導彈和空天飛行器在內的飛行器，未來具備遠程戰略與戰術打擊能力后，能使部隊在缺少前方存在的情況下，1～2 h內完成對敵目標的遏制與摧毀，將成為可替代核武器完成進攻與防御的重要一環。

美軍多次進行的X-51飛行器試驗，基本上以轟炸機為發射載體。從戰術角度考慮，轟炸機作為發射平臺具備了長滯空時間的能力，在敵方攻擊范圍外長時間巡航待機，其優勢在于能為高超聲速飛行器的快速打擊創造有利條件。

3.2 高度優勢

奪取制空權、保持空中優勢一直是空戰的首要目標，高度優勢可看作是主導空戰的重要因素。高超聲速飛行器在飛行高度上突破了現有戰斗機的飛行范圍，飛行高度在30 km以上，適合在大氣層邊緣的近地空間作高超聲速巡航。飛行器投放的炸彈或導彈具有極大的動能，體積很小的炸彈都能造成巨大的殺傷力，對地面及海上目標的威脅很大[2]。

3.3 突防能力優勢

隨著反隱身技術的不斷提高，戰斗機突防時的戰場生存力會逐漸削弱，高空與超高速的結合能有效避免隱身手段的不足，有效縮短敵方的發現距離，使其不能迅速做出攔截部署。

高超聲速巡航飛行器能有效進行高空高速突防和退出，對敵方直接打擊或作為遠距離發射平臺，大大提高了作戰效能。同時，能在敵方防區外發射或從遠離目標的空域發射，迅速擊中目標。遠程高超聲速飛行器能有效提高戰場生存能力，使敵方的防空系統難以攔截，并能對重要目標進行快速而迅猛的打擊。如高超聲速巡航飛行器以Ma≥5的速度在30 km以上高空突防，這就要求敵方的攔截防御武器至少具備Ma≥7的飛行能力，現有的防空系統無法做到有效攔截。

另外，由于高超聲速巡航飛行器在巡航段的飛行時間長、機動動作少，被雷達探測并鎖定的幾率相對較大，若采用一些輔助措施(飛行性能與隱身特性一體化設計、紅外隱身、雷達隱身、有源電子干擾或在必要時投放干擾誘餌)用于突防，可大幅提高高超聲速飛行器的戰場生存能力。

4 全球/遠程打擊飛行模式

近年來，美軍提出了2 h內打遍全球的作戰要求，包括戰術打擊和戰略打擊。戰略打擊任務，是指以最快的速度，在全球范圍內對敵方的本土戰略目標實施打擊。為此對高超聲速戰略打擊模式、全球/遠程打擊飛行模式和相關飛行器技術突破提出了迫切需求，并引領世界各國競相開展相關研究。

從飛行方式上看，采用高超聲速飛行器進行全球/遠程打擊的飛行方式，有水平起飛超聲速巡航飛行、水平起飛高超聲速巡航飛行、水平起降機載發射高超聲速彈道飛行、垂直發射彈道飛行、垂直發射周期性跳躍巡航飛行、垂直發射彈道巡航飛行等多種。圖1為多種飛行器飛行軌跡比較[3]。

圖1 多種飛行軌跡比較Fig.1 Comparison of various flight trajectories

全球/遠程打擊四類飛行模式的具體定義見表1。分析發現，要實施全球范圍的飛行和到達，通常應采用兩級以上的高超聲速飛行器組合完成。

表1 四類全球/遠程打擊飛行模式Table 1 Four kinds of Global/Long-range strike flight modes

5 典型全球/遠程打擊飛行模式特點分析

5.1 火箭動力垂直發射高超聲速彈道飛行模式

彈道導彈、周期性跳躍彈道式飛行器，發射受限于公路、鐵路或固定的發射井架，其機動性不強。在現代衛星等先進偵查手段下，發射前易受到敵方攻擊。發射時產生的巨大的、持續時間較長的紅外特征信號容易被預警衛星發現，直至發動機關機，預警系統根據目標信號特征能判斷出目標類型和彈道軌跡，進而采取措施實施初、中段攔截。海基潛射戰略導彈發射場所雖有良好的機動性和隱蔽性，但其導彈發射后，初速較低，易遭到敵方的初段和中段攔截摧毀。然而，一旦突破了初段攔截和中段攔截，末段被攔截的概率很小，即使末段被攔截，所有碎片將落入目標國，同樣可起到戰略威懾作用。因此，該模式仍為一種有效的戰略打擊模式。

5.2 火箭動力垂直發射高超聲速巡航飛行模式

這種飛行模式主要有以下特點：

(1)對火箭動力垂直發射助推器的依賴較強。由于超燃沖壓發動機無低速啟動能力，因此高超聲速巡航飛行器的起飛與加速階段都要依賴火箭助推器，存在垂直發射時在初段和中段被攔截的可能。

(2)對其它任務領域的要求苛刻。實現遠程快速精確打擊，給其它任務(情報偵察、信息搜集、衛星通信、戰場態勢感知及指揮與控制等)領域帶來了新的挑戰。在實施快速打擊前必須準確鎖定攻擊目標，否則準備時間過長，快速打擊將失去意義。同時，安全可靠的導航、飛行軌跡持續變化的控制、敵防空導彈的攔截預警等都是需要考慮的重要因素[4]。

(3)飛行器自毀概率高。從目前水平看，實現對高超聲速巡航飛行的飛行器的控制依然困難。在Ma8左右超高速度下，飛行器周圍會產生等離子鞘，顯著影響通信導航與精確控制，一旦不受控，飛行器極有可能大幅偏離預定航線，甚至墜毀。

(4)對手防御手段較多。由于其突出的特點為快速打擊，因此在攻擊末端留給自身的反應時間也縮短，應急狀況下飛行軌跡的快速重構難度較大，精確打擊能力較難保證。同時，根據飛行器的特點，對手利用高功率電磁干擾手段進行對抗，可有效干擾飛行器的飛行控制，使其偏離預定目標。如RQ-170曾被伊朗采用GPS欺騙手段俘獲。

(5)遠程巡航比彈道模式飛行時間長，大于2000 km遠程飛行高超聲速巡航比彈道飛行時間長1倍以上。如進行2000 km的快速打擊，彈道導彈只需10 min，但利用如X-51一類的高超聲速巡航飛行器以Ma5的速度巡航，續航距離2000 km將耗時20 min，不能滿足快速打擊的要求；在執行10000 km全球飛行任務時，彈道飛行模式只需30 min，而以Ma5巡航飛行則需2 h以上，即使以Ma8巡航飛行也需1 h以上。

可見，這種模式不太適合發展為有效地遠程戰略打擊模式，但可發展為中近程戰術打擊模式。

5.3 TBCC動力水平起降機載發射高超聲速彈道飛行模式

這種飛行模式最典型的表現形式是機載發射彈道導彈，可在自己的領空范圍內巡邏發射，發射空域大，機動速度快。此外，空基導彈具有良好的機動性和隱蔽性，且生存能力和突防能力顯著提高。另一方面，機載導彈的發射準備工作，可在地面隱蔽進行，導彈的空中準備時間可在載機飛至發射點之前完成，實現零準備時間發射；同時，由于可使用多架載機，每架載機都可多次發射，因此空基導彈可實現對目標飽和攻擊和多波次攻擊。

TBCC動力水平起降機載發射高超聲速彈道飛行模式有以下優點：①可執行短時間重大作戰任務；②能進行快速響應作戰及火力投送；③性能和機動性大幅度提升；④全方位發射；⑤前方基地任選(能在任何地點部署)；⑥具備可召回的能力；⑦系統研制成本低、風險低，進度快。

美軍的F-15GSE(全球打擊鷹)是一種機載發射彈道導彈方案。該方案是利用現有的F-15飛機，采用發動機射流預冷性能增強技術，大幅提高推力。由于F-15起飛時機腹中部掛架對任務載荷/運載器長度的限制，方案中采用背部安裝運載器和任務載荷，而非常規的機腹安裝方式。F-15機背強度大，尾翼翼展寬，升力大，允許運載器具備更大重量和直徑，從而提供更大的載荷運送能力[5]。圖2為F-15GSE上的一次性載荷的構型布局。

采用機載發射彈道導彈方案，機載導彈14 t，可發射545 kg的全球打擊任務載荷到18520 km距離。圖3示出了F-15GSE任務典型彈道剖面，圖4給出了亞洲國家(日本)采用類似裝備可能威懾美國全境覆蓋范圍示意圖。因此該種模式可發展為有效戰略打擊模式。

5.4 TBCC動力水平起降機載發射高超聲速巡航飛行模式

圖2 F-15GSE背部背負彈道導彈構型布局Fig.2 Configuration of F-15GSE combined missile on the Back

圖3 F-15GSE任務典型軌道剖面Fig.3 Typical trajectory profile for the F-15 GSE mission

圖4 日本采用該裝備可能威懾美國全境覆蓋范圍示意圖Fig.4 Schematic diagram of the threat range on USA of this weapon used by Japan

高超聲速巡航飛行器反應快速、使用靈活、可實施快速精確打擊等特點，在中短程(＜1000 km)戰術打擊方面具有較大的軍事應用潛力。與TBCC動力水平起降高超聲速遠程飛行平臺結合，可作為有效的斬首行動戰術打擊手段，充分發揮其戰術優勢。因此，TBCC動力水平起降機載發射高超聲速巡航飛行，可能不太適合發展為戰略打擊模式，但卻是一種具有發展潛力的戰術打擊模式。

6 結束語

渦輪基組合動力水平起降機載發射高超聲速彈道飛行模式，具有行動隱蔽、突防效能高、適應性強等優點，可發展為新型戰略打擊模式，在未來能量中心戰(以能量為中心的體系作戰)中將發揮重要作用。

渦輪基組合動力及相關飛機和機載武器的研究，將促進一系列新技術的發展，帶動飛機設計技術相關領域一次大的進步，也將推動渦輪基組合動力技術的進步和發展，應特別關注和重視。

[1]Hank J M，Murphy J S. The X-51A scramjet Engine Flight Demonstration Program[R].AIAA 2008-2540，2008.

[2]張 渝，張華靚.從X-51試飛看未來飛行器的發展[J].國際航空，2012，57(1)：29—31.

[3]Carter P H，Pines D J，vonEggers R L.Approximate Perfor?mance of Periodic Hypersonic Cruise Trajectories for Glob?al Reach[R].AIAA Journal of Aircraft，1998，35(6)：857—867.

[4]Shaehtman N.Hypersonic Cruise Missile：America’s New Global Strike Weapon[J].Popular Mechanics，2007，1(1)：1.

[5]Chen T T，Ferguson P W，Deamer D A，et al.Responsive Air Launch Using F-15 Global Strike Eagle[R].AIAA RS4-2006-2001，2006.