高超音速武器的那些事

董晟飛

人類很早就進入了超音速飛行時代，但經(jīng)過幾十年發(fā)展，通常飛機的速度最多只能提高到音速的3至4信，再往上就像當初音障的存在一樣，觸及到了傳統(tǒng)超音速技術(shù)的極限。于是，高超音速飛行技術(shù)理論應運而生。所謂高超音速，一般指馬赫數(shù)大于等于5的流動或飛行速度，約合每小時移動6000千米以上。按照這個速度，從烏魯木齊直飛上海只需30分鐘甚至更少，而一般的民航班機要數(shù)小時。將5馬赫作為劃分超音速與高超音速的基本界限，主要是因為在這個速度上，飛行器所遇到的氣流性質(zhì)發(fā)生巨大變化，使高超音速飛行器的設計十分困難。

高超音速飛行必須有與其飛行環(huán)境特征相一致的發(fā)動機技術(shù)。如果說螺旋槳是亞音速飛行的特征，渦輪噴氣發(fā)動機是低超音速飛行的特征，那么沖壓發(fā)動機就是中超音速的代表，而與高超音速飛行相對應的則是超燃沖壓發(fā)動機。這是因為在飛行速度達到5馬赫以上時，發(fā)動機內(nèi)的氣流速度非常高，也處于超音速燃燒狀態(tài)，對于飛機的發(fā)動機點火來說，就像在龍卷風中點燃一根火柴，還要保證它持續(xù)燃燒。因此高超音速飛行器使用的超燃發(fā)動機研發(fā)是個國際難題，也被認為是繼螺旋槳和噴氣推進之后的“第三次動力革命”。

此外，這種發(fā)動機和飛行器要跨越亞音速、音速、低超音速和中高音速，才能進入高超音速飛行，就像當初超音速飛機跨越音速后，飛機外形發(fā)生巨大變化，而且在兩個速度范圍內(nèi)飛機控制和穩(wěn)定性難以兼容一樣。高超音速飛行器也面臨著難以兼容不同速度范圍內(nèi)總體設計等諸多困難。

高超音速武器的分類

通常來說，高超音速飛行器外形尺寸比目前的同類飛行距離飛行器要小得多，只有后者的一半大小。目前高超音速飛行器有兩大類。一類是在稠密大氣層中進行較長時間飛行的“高超音速巡航飛行器”，主要有尚在研究發(fā)展階段的，以超燃沖壓發(fā)動機為動力的“空天飛機”和“高超音速巡航導彈”等。另一類是由火箭發(fā)動機發(fā)射到一定高度（通常為外層空間）再返回大氣的“助推—滑翔”式高超音速飛行器。

巡航飛行器從各國發(fā)展情況看，高超音速巡航飛行器目標是達到6倍音速。例如，美國臭鼬工廠設計規(guī)劃HSSW驗證機的目標速度為6馬赫。因為6馬赫是一個臨界點，若超過6馬赫將大大提高吸氣式飛行器發(fā)動機的成本，同時性能也會下降，而低于6馬赫將影響其作戰(zhàn)生存能力。不過美國NASA的X-43高超音速技術(shù)驗證機在2004年連續(xù)兩次打破吸氣式發(fā)動機飛行器的最高飛行速度世界紀錄，最高飛行速度接近10馬赫。雖然目前還沒哪個國家研制出高超音速巡航導彈，但可以看到未來高超音速巡航導彈的雛形將是：飛行速度大于6馬赫，采用高能、高密度的吸熱型碳氫燃料，超燃沖壓發(fā)動機，慣性及全球定位系統(tǒng)復合制導，射程大于1000千米，命中精度在15米以內(nèi)，導彈的出廠單價不高于100萬美元，可以從戰(zhàn)斗機、戰(zhàn)略轟炸機、水面戰(zhàn)艦的垂直發(fā)射系統(tǒng)或潛艇上發(fā)射，用于攻擊機動導彈發(fā)射車、地下指揮中心等目標。

“助推—滑翔”飛行器 “助推-滑翔”飛行器的主要目標是達到10馬赫。美國國防高級研究計劃局高超音速航天飛機可以重復使用，并沿著大氣層“跳躍”，在2小時內(nèi)能夠?qū)④娛掠行Ш奢d發(fā)送到世界上任何一個地方。他們制作的“高翔”航天飛機的概念機飛行速度10馬赫，飛行高度為35-60千米。在爬高之后，它可以沿著正弦波航線飛行：在大約爬升到35千米高度時，航天飛機在推進系統(tǒng)工作的情況下開始起跳，以正弦波航線跳躍至60千米高度；在跳躍中，航天飛機的重力加速度為1.5g，每次跳躍距離為400千米。這種高超音速的“助推一滑翔”飛行器可以設計成空天飛機，也可以設計成導彈機動彈頭。

目前各國的高超音速飛行器研制基本屬于這兩種類型。例如波音正在研制X-51A“乘波者”高超音速飛行器，而洛馬公司則研制FHTV-2高超音速飛行器。未來的高超音速武器技術(shù)也將沿著這兩種路線發(fā)展。2012年11月，美國海軍航空作戰(zhàn)中心要求全美工業(yè)界、學術(shù)界提供高超音速飛行器概念技術(shù)，一個是火箭助推高超音速滑翔機，一個是吸氣式巡航飛行器。海軍航空作戰(zhàn)中心表示兩種方案都不具有經(jīng)濟可承受性.助推一滑翔概念需要高溫材料和可提高升阻比的空氣動力外形，而吸氣式概念無法容納內(nèi)部推進流程和燃料供應系統(tǒng)。技術(shù)障礙

高超音速飛行技術(shù)研究已經(jīng)歷了幾度興衰。上世紀60年代，人們就曾在這方面做過努力，但因超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)難度太大而放棄。1986年，美國發(fā)起了X-30國家空天飛機計劃，向超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)發(fā)起了新一輪沖擊。這一計劃一再變化，最終演變?yōu)楝F(xiàn)在的X-51高超音速飛行器計劃。而蘇聯(lián)從20世紀7（）年代開始積極研制高超音速技術(shù)，如機械制造科學生產(chǎn)聯(lián)合體研制了“隕石”導彈，后來開始了代號“4202”的導彈研制工作。20世紀70年代，蘇聯(lián)曾在S-201）導彈基礎上研制出飛行速度達到6000千米/小時的“冷”飛行器。20世紀80年代，彩虹導彈設計局（目前是俄羅斯戰(zhàn)術(shù)導彈公司的一部分）開始了Kh-90項目。但上述研究未催生出實戰(zhàn)裝備。近年來，俄美兩國開發(fā)了高超音速巡航導彈、高超音速飛機、跨大氣層飛行器和空天飛機等，但這些開發(fā)仍障礙重重。

美國已開展了多年的沖壓發(fā)動機技術(shù)攻關工作并取得了大量成果，但在高超音速飛行中仍會出現(xiàn)許多問題，如Hyfly項目。對于發(fā)展由機場起降、可重復使用的高超音速飛行器，如HTV-3，則需要發(fā)展技術(shù)更復雜的組合發(fā)動機，如渦輪基組合循環(huán)推進系統(tǒng)，實現(xiàn)從O至6馬赫以上大速度跨度飛行。由于技術(shù)難度和經(jīng)費需求都很大，目前美國尚處探索階段。目前美國較偏向于采用火箭基組合循環(huán)（RBCC）發(fā)動機。RBCC發(fā)動機的基本思路是把火箭同沖壓/超燃沖壓發(fā)動機結(jié)合到一起，火箭部分用于在速度較低和運載器飛出大氣層后提供推力。美國航空噴氣發(fā)動機系統(tǒng)公司已在從海平面、零速到42.7千米高度、8馬赫速度條件下對其支桿噴氣RBCC發(fā)動機的一個縮比模型進行了地面試驗，并認為該方案已可轉(zhuǎn)入飛行試驗階段。支桿噴氣發(fā)動機在飛行中要幾次變換角色。它在起飛時是一臺裝在涵道內(nèi)的加氣補燃式火箭，在2.4～6馬赫時是一臺沖壓發(fā)動機，在6～8馬赫時是一臺超燃沖壓發(fā)動機，隨后又成為一臺純粹的火箭。該發(fā)動機的關鍵技術(shù)是進氣道內(nèi)楔形的立式支桿。這些支桿可對來流空氣進行壓縮，還用于噴注燃料并安裝火箭推力器。支桿噴氣發(fā)動機用于航天發(fā)射時使用氫燃料，用于大氣層內(nèi)執(zhí)行任務時可使用烴類燃料。endprint

除了發(fā)動機技術(shù)外，綜合設計與精確控制是一大障礙。當飛行器以高超音速飛行時，會產(chǎn)生強烈的激波，激波與附面層之間產(chǎn)生相互干擾，在高超音速氣流駐點附近產(chǎn)生極高的溫度，能使附近的氣體分解和電離，形成相當復雜的混合氣體，使得高超音速氣流的研究成為非常復雜的問題。這不僅對飛行器平臺的綜合設計提出了挑戰(zhàn)，也給高超音速下的精確控制帶來了困難。x-51A的第二次驗證飛行失敗就出于這個原因。

高超音速飛行還有一個巨大的難題需要面對，就是高速條件下產(chǎn)生的“熱問題”。飛行器在大氣層內(nèi)以6馬赫以上速度飛行時，表面多個部件溫度將達到500℃以上，對于結(jié)構(gòu)和材料的熱防護提出了嚴峻挑戰(zhàn)。X-51A首次試飛失敗，噴管與機體連接處密封失效，氣動熱就是重要原因之一。

除此之外，高超音速飛行器未來要形成作戰(zhàn)能力，還要解決一系列問題，包括高超音速條件下的武器末制導技術(shù)等。目前國外大多數(shù)高超音速演示飛行都沒有完全成功，說明各國都遇到了嚴重的技術(shù)阻礙。

軍事優(yōu)勢

打擊速度更快高超音速巡航導彈提高了攻擊目標的突然性和有效性，這對打擊彈道導彈發(fā)射車或航母等時間敏感目標十分有效。例如，1200千米的距離，8馬赫的高超音速巡航導彈只需飛行7分多鐘，而一般國家機動部署戰(zhàn)略導彈完成發(fā)射和升空飛行的時間約8分鐘左右，機動發(fā)射架在發(fā)射導彈后10分鐘內(nèi)撤離陣地，這就是說敵方戰(zhàn)略導彈剛升空、發(fā)射架還沒完全撤離就會遭到高超音速巡航導彈的攻擊。

突防能力更強 突防能力是巡航導彈實施縱深打擊的前提。現(xiàn)有的巡航導彈主要依靠超低空飛行與隱身技術(shù)突破防御，由于速度太慢，暴露后很容易被攔截，在科索沃戰(zhàn)爭中就有數(shù)十枚“戰(zhàn)斧”遭擊落。而高超音速巡航導彈留給敵方防御系統(tǒng)的反應時間短，如再采用隱身技術(shù)將極大降低被攔截概率。此外，高超音速巡航導彈的飛行高度一般在25～40千米，防空系統(tǒng)對這一高度上的超音速飛行器般難以實施攔截。航母編隊對亞音速導彈一次防御不成還可以進行兩次、三次，而對超音速導彈基本就不再有第二次機會。但是，目前防空導彈尤其是近程防空導彈過載已經(jīng)達到35～50個g，再加上采用垂直發(fā)射，導彈能馬上轉(zhuǎn)彎，所以超音速導彈突防優(yōu)勢下降。而高超音速導彈的速度優(yōu)勢減少了敵防空系統(tǒng)的攔截時間，系統(tǒng)對導彈的探測跟蹤難度增大，而且高超音速導彈可在遠程防空導彈射程外發(fā)射，這樣除了彈藥的消耗，人員和裝備的損失可降到最低，從而增強了高超音速巡航導彈的突防能力和生存能力。

戰(zhàn)場空間更廣 與需要攜帶大量氧化劑的傳統(tǒng)彈道導彈不同，這種新式導彈的發(fā)動機能夠以極快的速度將自帶燃料和空氣中的氧氣進行混合，從而產(chǎn)生出極高的速度，因此在攜帶同樣燃料的情況下，高超音速導彈比彈道導彈的飛行距離更遠，戰(zhàn)場空間也更廣。計算表明，速度為6馬赫的高超音速飛行器，能在6小時內(nèi)環(huán)繞地球一周，也就是說，高超音速導彈和飛機能在很短的時間內(nèi)抵達地球上的任何一點，迅速打擊數(shù)千或上萬千米外的各類軍事目標，這大大地拓展了戰(zhàn)場的空間。比如，空天飛機既能作為航空兵參加空地聯(lián)合作戰(zhàn)，又能加入天軍行列，還可成為往返于太空與地球間的運輸機。美國開發(fā)的HTV-2的載重量為5噸，是目前飛得最快的戰(zhàn)機。這種楔型戰(zhàn)機在2小時內(nèi)可飛行近1.7萬千米，接近地球周長的一半，而洲際導彈的射程只有5500～15000千米。根據(jù)美軍的研發(fā)計劃，這種轟炸機可以從美國本土起飛后兩小時內(nèi)打擊全球任何一個目標，而不必依賴美國在海外的軍事基地。B-52最大飛行速度是每小時1010千米，伊拉克戰(zhàn)爭期間，這種老式轟炸機從英國的空軍基地起飛執(zhí)行了100多次轟炸任務，每次往返花費的時間是44個小時。而高超音速轟炸機可大大提高五角大樓的靈活性，制訂軍事計劃者可以很方便地取消攻擊。

破壞威力更大 高超音速武器具有驚人的動能，特別適合打擊深埋地下的指揮中心等目標。高超音速巡航導彈沿高彈道垂直向下像錐子一樣插入很深的地下，如果攜帶先進的侵徹彈頭，對地下掩體目標的殺傷力不言而喻。根據(jù)計算，1.5千克的高超音速飛行體就足以使一座橋梁解體。美國軍方對高超音速巡航導彈的要求是對鋼筋混凝土的侵徹能力為6～11米，對一般地表土層則要達到40米。高超音速動能武器不僅能通過熱輻射和沖擊波造成毀傷，而且能依靠直接命中來破壞目標的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，精確打擊時附帶的損傷比常規(guī)精確制導武器要小得多。高超音速導彈或炸彈的體積比一般射彈都要小許多，因此運輸機、戰(zhàn)斗機和轟炸機可大量裝載，作戰(zhàn)威力顯著增強。尤其是高超音速偵察機，能在很短時間內(nèi)飛遍全球，對許多突發(fā)性事件地區(qū)均能快速反應，所以具有很高的偵察和信息戰(zhàn)效能。endprint