國(guó)外高超聲速飛行器發(fā)展概況

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國(guó)外高超聲速飛行器發(fā)展概況

Development Situation of Foreign Hypersonic Vehicles

唐耀秦雷（北京航天情報(bào)與信息研究所）

隨著世界軍事格局發(fā)生深刻變革，戰(zhàn)爭(zhēng)日益由傳統(tǒng)以人為主體的作戰(zhàn)模式轉(zhuǎn)換到無(wú)人參與的作戰(zhàn)模式，因此各國(guó)均把速度更快、機(jī)動(dòng)能力更強(qiáng)的高超聲速飛行器技術(shù)作為未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的研究方向。近年，國(guó)外臨近空間飛行器技術(shù)發(fā)展迅速，美國(guó)X-51A計(jì)劃和“兵力運(yùn)用與本土發(fā)射”（FALCON）高超聲速飛行器計(jì)劃取得顯著成果。

1　引言

臨近空間高超聲速飛行器作為新一代進(jìn)攻型武器，是美國(guó)全球快速打擊的重要組成部分，以臨近空間武器為代表的全球快速打擊武器成為支撐美國(guó)新“三位一體”戰(zhàn)略中“非核遠(yuǎn)程打擊”的重要選擇。

臨近空間武器將在未來(lái)作戰(zhàn)中充當(dāng)“開(kāi)路先鋒”，先期負(fù)責(zé)摧毀現(xiàn)有防空反導(dǎo)武器核心節(jié)點(diǎn)，成為新一代攻擊體系骨干裝備。美、俄、印、法、英、德、澳、日等國(guó)已加緊推動(dòng)相關(guān)技術(shù)研發(fā)，其陸續(xù)裝備部署，將給世界軍事格局與軍力對(duì)比帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。

2009年美國(guó)提出“空海一體戰(zhàn)”計(jì)劃，旨在遏制中國(guó)的軍事力量，特別提出要有“戰(zhàn)略突防”和“1小時(shí)遠(yuǎn)距離精確打擊”能力，以“確保繼續(xù)進(jìn)入和控制西太平洋地區(qū)”，臨近空間武器成為美軍發(fā)展應(yīng)對(duì)“反介入/區(qū)域拒止”能力的重要選擇。

臨近空間武器旨在打擊“時(shí)敏、高價(jià)值、決定性”的目標(biāo)，具有高速度、強(qiáng)機(jī)動(dòng)、高精度、超遠(yuǎn)程、強(qiáng)突防等特點(diǎn)，具體如下：

1）高速度：高超聲速巡航導(dǎo)彈飛行速度在馬赫數(shù)5以上，滑翔彈頭最大速度可達(dá)馬赫數(shù)20；

2）強(qiáng)機(jī)動(dòng)：滑翔彈頭橫向機(jī)動(dòng)距離可達(dá)射程1/3，飛行過(guò)程中可變更打擊目標(biāo)；

3）高精度：米級(jí)精度，實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)穴式”打擊；

4）超遠(yuǎn)程：射程數(shù)千千米到上萬(wàn)千米；

5）強(qiáng)突防：飛行速度快，壓縮系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間；機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)，增大攔截難度，典型飛行高度在現(xiàn)有防御系統(tǒng)主要防區(qū)之外。

美軍提出臨近空間武器主要包括高超聲速巡航導(dǎo)彈、高空高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)、高超聲速滑翔彈頭等。

2　國(guó)外高超聲速飛行器發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)

最早開(kāi)展高超聲速飛行器研究的是美國(guó)，其研究工作開(kāi)始于20世紀(jì)50年代。美國(guó)在多個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行了地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)，將高超聲速飛行器技術(shù)的研究從概念和原理探索階段推進(jìn)到以實(shí)際應(yīng)用為背景的先期武器開(kāi)發(fā)階段。迄今為止，美國(guó)實(shí)施過(guò)的研究計(jì)劃有：“國(guó)家空天飛機(jī)”（NASP）計(jì)劃，“高超聲速試驗(yàn)”（Hyper-X）計(jì)劃，“高超聲速飛行”（HyFly）計(jì)劃，X-51A計(jì)劃，兵力運(yùn)用與本土發(fā)射高超聲速飛行器-2（FALCON HTV-2）計(jì)劃和“常規(guī)打擊導(dǎo)彈”（CSM）計(jì)劃等。

X-51A飛行假想圖

X-51A結(jié)構(gòu)示意圖

X-51A結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

（1）X-51A計(jì)劃

2005年7月，美國(guó)空軍將X-51A計(jì)劃列入X-Plane系列中，命名為X-51A超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)演示器-乘波飛行器，又稱為“乘波者”（Wave Rider）。X-51A中的字母“A”表示是X-51飛行器系列中的第一個(gè)飛行器設(shè)計(jì)方案，后續(xù)可能采用不同的助推裝置或飛行器推進(jìn)方案，將被命名為X-51B、X-51C等。

X-51A飛行試驗(yàn)發(fā)射準(zhǔn)備

X-51A飛行器由巡航體、級(jí)間、助推器三個(gè)部分組成。其是由“可負(fù)擔(dān)的快速響應(yīng)導(dǎo)彈驗(yàn)證器”（ARRMD）計(jì)劃研制的截短的乘波體機(jī)身發(fā)展而來(lái)的，外形主要由楔形頭部、腹部進(jìn)氣道和控制面組成。助推器是經(jīng)改造的洛克希德－馬丁公司陸軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈。該飛行器長(zhǎng)約7.62m，質(zhì)量1780kg，最大寬度0.584m，速度大于5793.6384km/h，飛行距離大于740.8km，升限大于21336m。

美國(guó)軍方空軍實(shí)驗(yàn)室透露，該技術(shù)將直接用于高超聲速巡航導(dǎo)彈中。該導(dǎo)彈能以最高馬赫數(shù)7 在30km以上的高空進(jìn)行巡航。有效覆蓋距離約達(dá)804.5km，并能用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和戰(zhàn)略導(dǎo)彈的攻防對(duì)抗。較高的巡航速度使其能更為快速地打擊目標(biāo)，同時(shí)，較大的動(dòng)能可以使其能夠有效摧毀較為堅(jiān)固的目標(biāo)。

2010年5月26日，美國(guó)空軍在加利福尼亞南部海岸進(jìn)行了X-51A的首次自由飛行試驗(yàn)，掛載在空軍試飛中心B-52H“同溫層堡壘”轟炸機(jī)的左側(cè)機(jī)翼下，在飛行到穆古角海軍空戰(zhàn)中心海上靶場(chǎng)上空大約15240m高度時(shí)，投放試飛器。4s后，由美國(guó)陸軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈固體助推火箭將X-51A 加速到大約馬赫數(shù)4.5，隨后投放試飛器連同級(jí)間段。X-51A的發(fā)動(dòng)機(jī)使用乙烯和JP-7航空燃料混合物點(diǎn)火。經(jīng)過(guò)短時(shí)間后，X-51A過(guò)渡到只使用JP-7航空燃料。此次飛行達(dá)到約21336m高度和約馬赫數(shù)5的速度，續(xù)航時(shí)間大于200s。機(jī)載傳感器將數(shù)據(jù)傳輸給美國(guó)海軍一架P-3“獵戶座”（Orion）空中載機(jī)和位于穆古角、愛(ài)德華茲和范登堡空軍基地的地面系統(tǒng)。在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作140s后，測(cè)試人員發(fā)現(xiàn)部分傳感器異常，但發(fā)動(dòng)機(jī)仍在工作，隨后其與地面遙測(cè)數(shù)據(jù)鏈路中斷，迫使控制人員在200s時(shí)啟動(dòng)了自毀程序。美國(guó)空軍參謀長(zhǎng)認(rèn)為X-51A飛行試驗(yàn)的成功是空軍裝備劃時(shí)代的里程碑。

2011年6月13日，X-51 A進(jìn)行了第二次飛行試驗(yàn)。這次試驗(yàn)飛行地點(diǎn)與第一次飛行試驗(yàn)相同，X-51A掛在B-52飛機(jī)上，從愛(ài)德華空軍基地起飛，在穆古角海軍空戰(zhàn)中心的海上靶場(chǎng)高空約15.24km釋放。在助推級(jí)點(diǎn)火后，成功將飛行器加速至馬赫數(shù)5。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)成功點(diǎn)火，采用乙烯和JP-7混合燃料進(jìn)行工作，但在隨后將燃料完全切換至JP-7時(shí)，進(jìn)氣道未啟動(dòng)，最終未能轉(zhuǎn)化為滿功率運(yùn)行。在此期間，飛行器曾嘗試重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，并調(diào)整姿態(tài)取向以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)狀態(tài)，但均未成功，由于故障，飛行僅持續(xù)了9.5s。隨后飛行器沿可控的方向飛行，并最終墜入海中。

雖然這次試驗(yàn)未能圓滿成功，但其為高超聲速研究提供了重要的數(shù)據(jù)。據(jù)悉，美國(guó)波音公司和普惠火箭公司共生產(chǎn)了4架X-51A試驗(yàn)飛行器，并希望能達(dá)到馬赫數(shù)6的飛行速度。

格林尼治時(shí)間2012年8月15日17:00～18:00（北京時(shí)間2 0 1 2年8月1 5日0 1 : 0 0～0 2 : 0 0），X-51A進(jìn)行了第3次飛行試驗(yàn)。按照計(jì)劃，X-51A將搭乘B-52轟炸機(jī)從愛(ài)德華空軍基地起飛，然后在太平洋上空約15.24km高度被釋放，飛機(jī)脫離轟炸機(jī)后，發(fā)動(dòng)機(jī)將點(diǎn)火。項(xiàng)目官員們?cè)竿鸛-51A的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)能在維持5min的馬赫數(shù)6高超聲速飛行之后才落入太平洋。但實(shí)際飛行過(guò)程中，X-51A乘波者飛行器雖然按計(jì)劃實(shí)現(xiàn)了與載機(jī)的成功分離，助推火箭也實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)火，但是巡航級(jí)舵面出現(xiàn)故障，級(jí)間分離后巡航級(jí)失去控制，X-51A在16s后就垂直墜進(jìn)了太平洋。

2013年5月2日，X-51 A進(jìn)行了第4次飛行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了其首次成功飛行試驗(yàn)。此次X-51A飛行試驗(yàn)有動(dòng)力飛行240s，飛行最大高度18.288km，最大速度馬赫數(shù)5.1，航程426km。

X-51A由B-52H母機(jī)掛載，從位于加利福尼亞州的愛(ài)德華空軍基地起飛，在高度為15.24km時(shí)，飛行器與B-52載機(jī)分離；助推器點(diǎn)火工作約26s后，飛行器速度達(dá)到馬赫數(shù)4.8，助推級(jí)和巡航級(jí)分離；超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作，有動(dòng)力飛行240s，最終在18.3km高度達(dá)到最大速度馬赫數(shù)5.1狀態(tài)，之后轉(zhuǎn)入無(wú)動(dòng)力滑翔。整個(gè)飛行過(guò)程持續(xù)傳回遙測(cè)信號(hào)，最終獲得了370s的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

盡管X-51 A作為一個(gè)技術(shù)演示驗(yàn)證項(xiàng)目，仍處于試驗(yàn)與發(fā)展階段，但從目前發(fā)展看，其作為美國(guó)研究高超聲速飛行器的關(guān)鍵計(jì)劃之一，是離工程化應(yīng)用最為接近的高超聲速飛行器之一，其自由飛行的成功，將使超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)向?qū)嵱没~出重要一步，X-51A的研究成果將被應(yīng)用到由美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）近期提出的高速打擊武器（HSSW）演示驗(yàn)證項(xiàng)目的研究中。預(yù)計(jì)2015年前后，以X-51A為基礎(chǔ)的高超聲速巡航導(dǎo)彈形成初始作戰(zhàn)能力，X-51+也列入了2015年后規(guī)劃中的飛行試驗(yàn)。

（2）“兵力運(yùn)用與本土發(fā)射”計(jì)劃

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（D A R P A）和美國(guó)空軍于2 0 0 2年推出“兵力運(yùn)用與本土發(fā)射”（FALCON）計(jì)劃，其目的是使美軍具備能夠?qū)θ蛉魏蔚攸c(diǎn)進(jìn)行快速打擊和兵力投送的能力。2005年，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局和美國(guó)空軍按照國(guó)會(huì)的意向，將“兵力運(yùn)用與本土發(fā)射”計(jì)劃中的“通用航空飛行器”（CAV）重新命名為“高超聲速飛行器”（HTV），去除了其中有關(guān)武器化的內(nèi)容。“高超聲速飛行器”包括高超聲速飛行器-1、2和3，通過(guò)一系列飛行試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證高超聲速滑翔飛行技術(shù)，目前已經(jīng)進(jìn)展到高超聲速飛行器-2階段。

“高超聲速飛行器”將由類似“人牛怪”的運(yùn)載火箭將其推進(jìn)到240～300km的高度，隨后“高超聲速飛行器”與運(yùn)載器分離并再入大氣層?！案叱曀亠w行器”沒(méi)有安裝發(fā)動(dòng)機(jī)，但裝有導(dǎo)航控制系統(tǒng)，再入地球大氣層時(shí)的最大速度可達(dá)馬赫數(shù)20，能在數(shù)小時(shí)內(nèi)打擊全球任何目標(biāo)。

2009年，美國(guó)軍方授予洛馬公司一項(xiàng)計(jì)劃：改進(jìn)高超聲速飛行器-2的設(shè)計(jì)，使之能容納武器。已經(jīng)完成兩架試驗(yàn)用驗(yàn)證機(jī)的建造（高超聲速飛行器-2a和2b）。

2010年4月22日，高超聲速飛行器-2a完成了首次高超聲速滑翔試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了馬赫數(shù)20下可控飛行。但高超聲速飛行器-2a在飛行9min后失控，據(jù)報(bào)道可能是再入大氣層時(shí)溫度過(guò)高，摧毀了飛行器。未來(lái)設(shè)計(jì)能滑翔3000s，縱向滑翔16668km。

高超音速飛行器-2從運(yùn)載火箭分離

2011年8月11日，高超聲速飛行器-2進(jìn)行了第二次高超聲速滑翔試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了馬赫數(shù)20下可控飛行。此次試驗(yàn)雖未能實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)，但飛行時(shí)間比第一次有了較大提升。雖然美國(guó)目前沒(méi)有再次制造高超聲速飛行器-2的計(jì)劃，但高超聲速飛行器-2未能完全驗(yàn)證的關(guān)鍵技術(shù)將會(huì)在基于高超聲速飛行器的技術(shù)而發(fā)展的“常規(guī)打擊導(dǎo)彈”計(jì)劃中得到驗(yàn)證。未來(lái)計(jì)劃是以高超聲速滑翔彈頭為依托繼續(xù)發(fā)展“戰(zhàn)術(shù)助推滑翔”（TGB）計(jì)劃，該項(xiàng)目總價(jià)值為2600萬(wàn)美元，該項(xiàng)目的目的是在未來(lái)五年內(nèi)驗(yàn)證與高超聲速助推滑翔飛行器有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。未來(lái)還計(jì)劃開(kāi)展X-Plane計(jì)劃，該計(jì)劃已經(jīng)被列入規(guī)劃中的飛行試驗(yàn)。目前美國(guó)正開(kāi)展第三架高超聲速滑翔彈頭集成工作，已經(jīng)調(diào)整完高超聲速滑翔彈頭質(zhì)心位置，未來(lái)設(shè)計(jì)能滑翔3000s，縱向滑翔16668km。

（3）“先進(jìn)高超聲速武器”計(jì)劃

除美國(guó)空軍外，美國(guó)陸軍也啟動(dòng)了“先進(jìn)高超聲速武器”（AHW）計(jì)劃，用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離快速投放常規(guī)武器實(shí)施打擊。AHW計(jì)劃是美國(guó)陸軍提出用于實(shí)現(xiàn)常規(guī)全球快速打擊計(jì)劃的滑翔彈頭，可部署在關(guān)島、印度洋迪戈加西亞和波多黎哥。與“常規(guī)打擊導(dǎo)彈”計(jì)劃和高超聲速飛行器-2計(jì)劃相比，對(duì)“先進(jìn)高超聲速武器”計(jì)劃的報(bào)道甚少。該飛行器采用美國(guó)海軍“海神”彈道導(dǎo)彈的助推級(jí)STARS，并帶有精確制導(dǎo)系統(tǒng)。該武器采用圓錐體加四個(gè)襟翼的構(gòu)型，并具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)能力，能夠繞過(guò)第三方國(guó)家實(shí)施打擊，射程比高超聲速滑翔彈頭短，能在35min內(nèi)到達(dá)6000km以外目標(biāo)，命中精度在10m以內(nèi)。美國(guó)國(guó)防部認(rèn)為陸軍的這一計(jì)劃有助于為降低空軍“全球快速打擊計(jì)劃”（CPGS）的風(fēng)險(xiǎn)提供支持。與高超聲速飛行器-2計(jì)劃相比，“先進(jìn)高超聲速武器”計(jì)劃技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)更低，將更早形成威脅。

美國(guó)對(duì)該計(jì)劃進(jìn)行了兩次飛行驗(yàn)證試驗(yàn)。2011 年11月17日，AHW的首次飛行試驗(yàn)獲得成功，試驗(yàn)射程達(dá)4600km，2014年開(kāi)展了第二次飛行試驗(yàn)，但是試驗(yàn)失敗。 據(jù)報(bào)道，AHW正在開(kāi)展3900km、7000km、9000km等多種射程的助推級(jí)方案論證，還計(jì)劃發(fā)展空基、?；撋涞榷喾N類型。

（4）高空高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)

除了助推-滑翔飛行器發(fā)展計(jì)劃，美國(guó)還研發(fā)了一款高空高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)，代號(hào)為SR-72，它是一款集情報(bào)搜集、偵察、監(jiān)視和打擊等多種作戰(zhàn)能力于一體的高超聲速飛行器，2013年11月，美國(guó)洛馬公司“臭鼬工廠”正式發(fā)布SR-72戰(zhàn)機(jī)概念，預(yù)計(jì)于2025-2030年前形成初始作戰(zhàn)能力。其飛行高度為25～40km，飛行速度為馬赫數(shù)6。

SR-72高空高超聲速作戰(zhàn)飛機(jī)

俄羅斯

原蘇聯(lián)及俄羅斯非常重視發(fā)展高超聲速飛行器技術(shù)，現(xiàn)今，其高超聲速飛行器技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。先后實(shí)施了“冷”計(jì)劃、“針”計(jì)劃、彩虹-D2計(jì)劃、“鷹”計(jì)劃和鷹-31計(jì)劃等高超聲速計(jì)劃。目前，俄羅斯有多家機(jī)構(gòu)致力于高超聲速技術(shù)基礎(chǔ)理論研究，在亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、碳/氫燃料、耐高溫材料、計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)及一體化設(shè)計(jì)技術(shù)等方面取得了重大突破，并且已經(jīng)進(jìn)入了高超聲速技術(shù)飛行驗(yàn)證階段。

3　結(jié)語(yǔ)

臨近空間作為人類目前不斷探索的未知空間，也是目前世界高科技的新制高點(diǎn)。需要重視臨近空間相關(guān)技術(shù)發(fā)展，做好相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備，使其帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)步，提升武器系統(tǒng)發(fā)展水平，在該領(lǐng)域擁有屬于自己的話語(yǔ)權(quán)。