從“銀鳥”到航天飛機

雪松

“銀鳥”和錢學森彈道

1933年，德國科學家桑格爾提出了名為“銀鳥”的高超音速飛行器概念。它使用液體火箭發動機助推加速到高超音速，隨后以減振幅曲線般的跳躍軌跡進行高超音速滑翔。這是助推-滑翔概念最早的設想。

受此影響，當時供職于美國加州理工學院的錢學森提出了助推-滑翔的高超音速洲際運輸系統概念，成為美國助推-滑翔領域的開創者。雖然同為助推-滑翔概念，桑格爾和錢學森的概念卻大相徑庭，他們的不同主要在再入滑翔段。桑格爾擔心“銀鳥”的熱防護系統無法承受長時間高超音速滑翔帶來的高溫，設計了多次跳躍的再入跳躍滑翔彈道，周期性地回到宇宙里降溫。而錢學森的火箭飛機則用十分平滑的下降軌跡。后世將兩種不同的助推-滑翔形式分別命名為桑格爾彈道和錢學森彈道。

貝爾航空公司在1951年借鑒錢學森的設計，提出高超音速助推-滑翔軍用飛行器，得到了美國空軍的關注。 1954年美國空軍和貝爾航空公司簽訂合同，開展了轟炸機-導彈（BOMI）項目的研究。BOMI的思路是用火箭將一架轟炸機送入太空，隨后轟炸機再入，進行無動力高超音速滑翔，并對目標進行攻擊。后來的航天飛機再入過程與BOMI的設想基本一樣。根據貝爾航空公司的研究報告，助推-滑翔式高超音速飛行器是可行的，而且具有很大的發展潛力。

但BOMI并沒有直接轉化為實際的助推-滑翔工程，美國第一個成功進入工程研制的助推-滑翔飛行器試驗項目是麥道公司的WS-199D項目（又稱阿爾法-達拉科）。經過1957年和1958年的緊張研制，1959年WS-199D進行了試驗，總共三次試驗，兩次獲得成功。WS-199D武器系統是一種二級固體火箭推動的試驗型導彈。第一級點火工作后將WS-199D送入高空，導彈進入滑翔階段后第二級點火工作。WS-199D的設計要求并不高，它使用固體火箭飛行到30千米高空，最高速度高于馬赫數5，隨后依靠氣動高速滑翔，最終在390千米外俯沖落地。WS-199D主要的意義在于以實際試驗證明了助推-滑翔概念的可行性，試驗證明它的升阻比約為1到3.5，有很明顯的增程效果，三次試驗還積累了高超音速氣動和熱防護材料的技術，為未來的高超音速助推-滑翔試驗奠定了基礎。

X- 20“動力翱翔”

1957年美國空軍啟動了X-20“動力翱翔”項目，它可以看成是BOMI概念的衍生物。X-20設計上具有多種用途，包括偵察、轟炸、衛星維護、反衛星和太空救生。不過“動力翱翔”這個名字已經指出了它的主要用途：助推-滑翔的偵察和轟炸任務。

雖然貝爾航空公司有BOMI報告的基礎，但波音公司搶到了研制合同。1960年3月波音公司完成了X-20高超音速飛行器的總體設計，它使用下單翼布局的三角翼，并用翼尖小翼進行方向控制。在結構設計上，它的機身使用通用電氣公司的Rene 41鎳基防熱合金，底部除了Rene 41鎳合金，還增加了鉬箔層加強防熱能力，機鼻材料使用了耐高溫的石墨和氧化鋯。

美國空軍對X-20的目標搖擺不定，導致X-20設計不斷變動，拖到1961年才選擇“大力神”ⅢC火箭來發射X-20。由于項目花費太多和技術難度太高，最終在1963年12月被國防部長麥克納馬拉取消。

X-20項目并非一無所獲，它是當時最接近實際飛行的項目，其基礎研究在高超音速技術的發展上具有重大而深遠的意義。為了驗證X-20高超音速飛行器的熱防護技術，美國空軍授予麥道公司合同，進行名為航空熱動力（ASSET）的研究項目。

ASSET飛行器具有輻射冷卻能力，整體外形和X-20相似并使用大致相同的熱防護技術，機鼻也具有耐 2200℃高溫的能力。1963年9月18日ASSET試驗飛行器繼續了首次試飛，最高速度達到了4.9千米/秒，飛行彈道頂點62千米，驗證了熱防護系統的有效性，有趣的是它闖過了高超音速滑翔和防熱的關口，卻在落水后沒能浮起來，導致回收失敗。

從1963年到1965年，ASSET進行了6次試飛。除了第二次火箭上面級故障試驗飛行器自毀外，其他的試驗中都成功完成了再入高超音速飛行，為美國高超音速技術的發展積累了豐富氣動加熱經驗和數據。

“魚鰾”項目

X-20的失敗并沒有打消美國對助推-滑翔技術的濃厚興趣。美國中央情報局在討論著名的“牛車”A-12高空高速偵察機的替換型號時，提出了名為“魚鰾”項目的計劃。康沃爾公司最初為之提出的設計是一種馬赫數4～5的高空高速飛機，但論證認為它的突防能力相對現有飛機提高有限。于是麥道公司腦洞大開地提出了一個指標十分高大上的助推-滑翔方案。

這是一種火箭動力助推并擁有高升阻比的高超音速飛行器，它將搭載B-52轟炸機空中發射，隨后用普惠公司研制的XLR-129可重復使用火箭發動機推動加速到20倍音速。它曾經在61千米的高空以高超音速滑翔掠過蘇聯上空，然后繼續飛過北太平洋并最終在內華達州的馬夫湖著陸。麥道公司認為這個助推-滑翔式高超音速偵察機方案在周轉周期和快速反應能力上都遠高于偵察衛星，模擬還顯示它在當時是無法攔截的，哪怕是使用核戰斗部的防空反導導彈都對它鞭長莫及。

這個愿景看起來不錯，但評估顯示它的研制采購經費是個天文數字。據稱8架飛機就需要1965年幣值的26億美元。無論是中央情報局還是國家偵察辦公室都無法拿出那么多預算支持這種高不可攀的偵察機，于是它在圖紙上就被攔截了。麥道公司也曾向美國空軍推銷“魚鰾”，但同樣遭到拒絕，最終1967年取消了項目。

X- 23 PRIME

“魚鰾”無疾而終，但同時代的X-23“包括機動式再入的精確再入”卻進行了成功試驗。X-23的目標是研究再入后的高超音速機動滑翔能力，尤其是橫向機動能力。X-23是一個小型升力體再入飛行器，高超音速升阻比約1，最高速度約馬赫數25。

它從1966年到1967年總計進行了3次飛行試驗。第一次沒有進行橫向機動卻由于降落傘故障墜入太平洋。第二次試驗中成功進行了高達1053千米的橫向機動，但沒能回收。第三次試驗不僅圓滿的進行了1143千米的橫向機動，還順利回收。X-23項目讓美國掌握了珍貴的高超音速滑翔數據和經驗。

其它助推-滑翔技術試驗和成果

洲際彈道導彈出現后，美國暫停了洲際巡航導彈的進一步發展。偵察衛星也取代了昂貴并且看不到曙光的助推-滑翔式偵察機。不過洲際導彈面臨突防困難和打擊精度不足的問題，所以美國空軍一直沒有放棄助推-滑翔技術的研究。

美國空軍使用“宇宙神”（Atlas）導彈作為助推火箭，開展了先進彈道再入系統（ABRES）計劃，這個計劃下進行了包括MBRV（彈道導彈機動再入飛行器）和BGRV（助推滑翔再入飛行器）等多個試驗項目。

MBRV和BGRV都驗證了高超音速再入飛行技術，但兩個項目的側重點有所不同。MBRV側重于通過再入機動在彈頭再入階段躲避敵方的反導攔截彈，它還進行了末制導的嘗試以實現更高的命中精度。BGRV同樣通過再入機動獲得更好的精度，但它更偏重以較高的升阻比進行高超音速滑翔達到增程的目標，并通過高速滑翔獲得更好的載荷投擲能力。設計側重點的不同導致了要求的不同，MBRV研究重點是突防要求高機動性，理論上要實現100g的機動能力，這對再入滑翔彈頭的結構強度要求很高。而BGRV重點是滑翔增程，彈頭承受的過載只有10到20g之間。

美國空軍早在1963年3月1日就進行了ABRES計劃下的REX-1試驗，此后又進行了WAC、LORV和MTV等一系列飛行試驗，為MBRV和BGRV試驗奠定了基礎。經過多次試驗后，MBRV和BGRV獲得成功，驗證了彈道導彈再入機動彈頭技術，驗證了冷氣反作用力控制系統和氣動舵面控制技術的可行性和有效性。

尤為值得一提的是，1968年2月26日的BGRV-2試驗中。彈頭再入后，以馬赫數18的初始速度滑翔，橫向機動飛行達數百千米，這種滑翔能力在今天也是相當出色的。從寥寥無幾的圖片看，BGRV是一種細長的錐形再入飛行器，它通過精心設計提高了升阻比，再入大氣層后可以進行高速遠程滑翔。雖然美軍并沒有在BGRV試驗的基礎上研制生產洲際導彈再入機動彈頭，但MBRV和BGRV等試驗對美國高超音速滑翔技術的促進和積累起到了關鍵作用。

進入20世紀70年代后，ABRES計劃繼續進行了目標飛行器試驗（TVX）和再入飛行器觀測試驗（RVTO）等一系列試驗，但和高超音速滑翔技術并沒有多大關系。美國空軍后來還實施了先進控制試驗（ACE）項目，使用宇宙神火箭繼續驗證再入機動彈頭控制技術，ACE的三次飛行試驗都獲得了成功，進一步深化了美國對高超音速滑翔機動的認識。

美國空軍后來又啟動了先進再入機動飛行器（AMaRV）項目，制造了4個AMaRV飛行器。其中3個使用“民兵Ⅰ”導彈發射進行了試飛，1979年、1980年和1981年的3次試飛都獲得成功。AMaRV重量470千克，具有很強的滑翔能力，是一種相當先進的再入飛行器。它的保密程度很高，40多年之后仍然沒有AMaRV的實物照片公開，我們只能從文獻資料的略圖中一瞥它的身影。

AMaRV使用了液壓傳動的作動翼面，利用分體襟翼和側面的兩個偏航襟翼進行控制，使用先進的全自動導航控制系統，可以有效突破反彈道導彈系統的攔截?！堕W電：第一種再入機動飛行器》一書插圖中顯示，AMaRV可以再入后拉平滑翔。據稱美國空軍多年后啟動的通用氣動飛行器（CAV）和高超音速技術飛行器（HTV）驗證項目，其氣動控制技術就繼承了當年的AMaRV。

美國一系列高超音速滑翔試驗器雖然沒有發展出導彈或是偵察機，但這些寶貴的經驗對美國后來研制航天飛機起到了關鍵作用。

航天飛機再入返回時具有2000千米以上的橫向機動能力，蘇聯就此懷疑它并非單純的可重復使用軌道器，還可能具有獨特的偵察功能甚至執行軌道轟炸任務。航天飛機為了獲得足夠的滑翔距離采用三角翼設計，同時應用了高性能的防熱系統。航天飛機從近地軌道再入重返大氣層到降落控制挑戰很大，返回軌跡時間不能太長，以減少氣動加熱的時間和積累的熱量，但太快的減速又會帶來過大氣動受力和加熱速率，再入高超音速滑翔飛行的窗口很窄。航天飛機實際再入飛行中迎角從約40度逐漸降低到約15度，同時連續做左右滾轉機動減少升力控制速度，最終用約30分鐘時間從夏威夷上空滑翔到佛羅里達降落。航天飛機的每次降落都堪稱走鋼絲，但也提供了寶貴的高超音速飛行經驗。美國今天的X-37B等小型航天飛機氣動控制駕輕就熟，就是航天飛機135次飛行豐富經驗積累的成果。

美國海軍和陸軍的早期高速滑翔試驗

美國海軍研制了MK-500“逃避者”再入機動飛行器，計劃用于裝備在“三叉戟”導彈上增強突防能力。MK-500可以看作美國海軍的MBRV試驗再入飛行器。1975年MK-500再入機動飛行器使用“民兵Ⅰ”導彈進行了首次飛行試驗。雖然美國陸軍的項目較少，但它的“潘興Ⅱ”型中程彈道導彈卻是美國唯一一種服役的再入高速機動彈頭導彈。

“潘興Ⅱ”導彈彈頭再入大氣層后在約65千米高度開始使用氣動舵面進行高超音速飛行控制，在約40千米高度進行拉起操作同時將飛行速度降低到馬赫數6～8，隨后持續做錐形機動下降減速，最終超音速命中目標?！芭伺dⅡ”導彈的最大速度約為馬赫數12左右，只有后來高大上的HTV等高超音速飛行器速度的一半左右。正因為如此，它在高超音速下控制的技術難度較低，這也是“潘興Ⅱ”再入機動彈頭研制成功的重要原因之一。

“潘興Ⅱ”導彈雖然進行了高超音速機動飛行，但它的再入機動主要是為了滿足主動雷達末端制導的需求，為此進行的拉起和錐形機動都極大地降低了飛行速度，其實與一般意義上的高超音速武器設計思路背道而馳。