臨近空間高超聲速飛行器的軍事應用

文/ 蘭順正

臨近空間高超聲速飛行器的軍事應用

文/ 蘭順正

▲ 美國SR-72高超聲速無人偵察機

臨近空間高超聲速飛行器指飛行速度超過5馬赫、巡航高度可至臨近空間的飛機、導彈、炮彈等有翼或無翼飛行器的總稱。由于臨近空間高超聲速飛行器具有高度、高速的特點以及高效的突防和偵察效能，可大大擴展戰場空間，所以其巨大的軍事和經濟價值十分引人注目。當今，高超聲速飛行器已成為世界各軍事大國紛紛投資的領域，成為21世紀航空航天事業發展的一個主要方向。

依靠自身推進的高超聲速飛行器

臨近空間高超聲速飛行器大致可分為兩類：第一類為依靠自身先進的推進系統就可實現大氣層內數倍音速的飛行器；第二類又被稱為助推滑翔高超聲速飛行器。第一類高超聲速飛行器主要得益于它所具有高性能動力推進系統，超燃沖壓發動機、脈沖爆震發動機是這類高超聲速飛行器的關鍵技術。

超燃沖壓發動機是指燃料在超聲速氣流中進行燃燒的沖壓發動機。所謂沖壓，就是利用飛行器飛行時的迎面氣流的壓力，使其進入發動機后自然壓縮，而現代渦輪發動機則需要串聯多個壓氣機渦輪實現對空氣的壓縮。飛行器的速度越快，發動機的推力就必須越大，為了提供更多的氧氣與燃料反應，空氣的壓縮率就必須足夠大。這時，渦輪發動機就需要更多更大的壓氣機，這必然導致自身重量大幅增加。增加的推力又被額外的重量消耗，甚至得不償失，這也是渦輪發動機三倍聲速極限難以逾越的關鍵。相比之下，沖壓發動機中沒有渦輪壓氣機，甚至根本沒有轉動部件，結構簡單、重量輕，更適合超高速飛行。

脈沖爆震發動機（PDE）是一種利用間歇式或脈沖式爆震波產生的高溫高壓燃氣來產生推力的全新概念的動力裝置。它包括吸氣式PDE和脈沖爆震火箭發動機（PDRE）兩類，它們的基本工作原理相同，區別是吸氣式PDE從空氣中獲得氧化劑，而PDRE自帶氧化劑。吸氣式PDE主要由進氣道、爆震室、尾噴管、爆震激發器、燃料供給和噴射系統及控制系統組成。其基本工作步驟為：第一，爆震燃燒室充滿可爆混合物；第二，在燃燒室的開口或閉口端激發爆震波；第三，爆震波在燃燒室內傳播，并在開口端排出；第四，燃燒產物通過一個清空過程從燃燒室中排出。

▲ 旅行者3號正在進行囊體充氣作業

美、蘇/俄的第一類高超聲速武器研究

對于此類高超聲速飛行器的研究，世界各大國都投入了巨大的精力。美國從20世紀50年代末開始對超燃沖壓發動機進行探索性研究，在70年代后期出現低潮，幾經周折以后，諸多關鍵技術問題相繼取得突破性進展。目前一些高超聲速飛行器已進入實質性飛行演示驗證階段。從20世紀80年代開始，美國先后出臺了多個高超聲速飛行器發展計劃。1986年在超燃技術取得進展后，美國宣布執行國家空天飛機（NASP）計劃，但此后由于一系列技術難題，不得不于1995年下馬。

此后，美國空軍開展了一個范圍縮小的高超聲速系統技術項目（HySTP），重點是設計、制造一種10馬赫～15馬赫的超燃沖壓推進系統，并進行一系列火箭發射的飛行試驗，以解決NASP遺留的兩個主要技術問題：邊界層轉捩現象和高超聲速超燃發動機在真實大氣環境下的運行。經過10年的努力，花了大約20億美元后，高馬赫數氫燃料超燃沖壓發動機技術仍未取得完全的突破，至此，美國不得不對高超聲速飛行器技術的發展進行調整，確立了分階段逐步發展的思路，降低了近期的發展目標，相繼出臺了一系列新的研究發展計劃，如隨后的HyTech計劃、DARPA的SED計劃（HyTech計劃的飛行試驗部分）、Hyper-X計劃和HyFly計劃等。

俄羅斯在高超聲速研究，特別是超燃沖壓發動機研究方面有著傳統的優勢。蘇聯早在1957年就開始了超燃沖壓發動機的研究工作。幾十年來，俄羅斯中央空氣流體動力研究院、中央航空發動機研究院、圖拉耶夫聯盟設計局、彩虹設計局、莫斯科航空學院等許多單位都未間斷過高超聲速技術的研究。

蘇聯/俄羅斯對超燃沖壓發動機的研究可以分為兩個階段：1957～1972年為第一階段，是超燃沖壓發動機的早期基礎研究階段，重點探索超燃沖壓發動機從原理上是否可能的問題；第二階段是1972～1996年，研究超燃沖壓發動機工作過程中的細節技術問題。

▲ 俄羅斯鋯石高超聲速巡航導彈

▲ 美國在研的高超聲速巡航導彈

雖然蘇聯的解體嚴重影響了俄羅斯許多先進技術的研發，但其在高超聲速技術研究領域仍處于世界領先地位，與美國并駕齊驅，先后開展包括代號為“冷”、“彩虹”、“針”和“鷹”的一系列高超聲速技術發展計劃。2016年8月26日，俄羅斯前景研究基金會宣布了脈沖爆震發動機測試成功的消息。報道說，俄羅斯的科學家們在7～8月對這種新型發動機成功進行了多次試驗，測試使用的燃料為液氧和煤油。實驗研究已清楚地證實這種新型發動機技術上的可行性。俄羅斯媒體將這次試驗成功稱為航天史上的“劃時代事件”。

高超聲速武器的優勢

這類高超聲速飛行器一旦武器化，主要是以高超聲速巡航導彈或高超聲速轟炸機的形態應用于戰爭。

高超聲速武器具有以下優點：

① 航速快，全球抵達。高度信息化、高度智能化是未來戰爭的特點，未來的空中打擊主要依靠高度和速度取勝，而高超聲速飛行器能在2小時內攻擊全球任何角落的任何目標。

② 突防能力強，探測難，攔截難。空中目標的運動速度直接決定其通過敵方防御體系作戰空域的時間，對突防概率影響極大。高超聲速飛行器飛行速度快，可有效縮短對目標的反應時間，回波積累數量少，常規雷達的探測能力明顯降低，造成探測高超聲速空中目標的難度加大。同時，現有的地面防空武器系統的方向轉動機構的轉動速度慢，不能有效跟蹤瞄準目標，因此突防概率高。

③ 射程遠，威力大。目前，各國在研的高超聲速導彈的射程都在幾百公里、幾千公里，且高超聲速飛行器飛行時動能大，若與亞聲速飛行器采用同等重量的戰斗部，其產生的破壞力更大。

目前高超聲速巡航導彈大都還處于研發階段，比較具有代表性的主要有：

俄羅斯鋯石高超聲速巡航導彈。從目前公開的消息看，鋯石高超聲速導彈速度可達5馬赫，射程400公里，該導彈是在2011年開始進入人們的視野，之后成功進行了多次試驗，2016年的陸基試驗以及2017年4月的海射均獲成功，計劃于2018年開始批量生產。

美國吸氣式高超聲速武器方案（HAWC）。HAWC項目目前由美國DARPA和空軍研究實驗室共同實施。作為X-51A的后繼項目，HAWC項目的目標是為發展一型射程925公里、速度為6馬赫的高超聲速巡航導彈進行關鍵技術開發和驗證，用以對敵方先進防空系統及時敏目標進行打擊，提高第五代戰斗機應對反介入/區域拒止挑戰的能力。

印俄聯合研制布拉莫斯-2巡航導彈。為了滿足印度陸軍反艦和對地攻擊的需求，印度國防研究發展組織在布拉莫斯巡航導彈的基礎上，繼續發展布拉莫斯-2型高超聲速巡航導彈。2008年8月，布拉莫斯項目的主要負責人與相關軍工企業高層參加了在莫斯科舉行的名為“布拉莫斯-俄羅斯聯邦與印度高技術領域的合作典范”的新聞發布會。其間，布拉莫斯項目負責人提出了在布拉莫斯超聲速導彈的基礎上研制高超聲速導彈的可能性。同年9月29日，俄羅斯、印度兩國進行了政府間的軍事技術合作例會。據俄印布拉莫斯項目有關負責人透露，會議接受了組建工作組研制布拉莫斯-2高超聲速導彈（飛行速度5～7馬赫）的決定。在項目領導與俄羅斯國防部長謝爾久科夫會面時，做出了正式的通知。

至于高超聲速轟炸機，主要有洛·馬公司在2013年披露的SR-72高超聲速無人偵察機研制計劃，據稱該平臺飛行速度可達到6馬赫，大多數現役防空導彈都奈何不了它，雖然美國官方將其稱為偵察機，不過筆者認為其具備執行打擊任務的潛力。

另外在2016年7月，俄羅斯戰略導彈部隊軍事學院的研究人員阿列克謝·索洛多斯尼科夫中校表示，俄羅斯正在研發能從太空發起核打擊的高超聲速隱身戰略轟炸機PAK-DA，該飛機具備水平起降能力，起飛質量在20噸～25噸左右，能在1～2小時內到達全球任何位置。

▲ 美國HTV-2高超聲速飛行器

助推滑翔高超聲速飛行器

第二類高超聲速飛行器又被稱為助推滑翔高超聲速飛行器。該飛行器的特性可以描述為：在彈道導彈的基礎上，增加了進入大氣層后的利用氣動控制系統以實現有限的機動，具備有效升力拉起（有可能再次沖出大氣層再返回，也有可能依然在大氣層內），并且能在大氣層內長時間滑翔飛行。目前而言，助推滑翔高超聲速飛行器大多采用技術上可行的火箭助推獲得速度完成進入太空，達到最高點，然后下降進入大氣層，進入大氣層后通過氣動升力效果在靠近大氣層的邊緣進行滑翔，并最終抵達目標。

美國在冷戰時期就已經開發了助推滑翔技術，并進行了大量的驗證試驗，但直到2003年7月，美國空軍和國防部聯合提出“獵鷹”計劃，該技術才真正得到全面發展。“獵鷹”計劃采用高超聲速技術驗證機HTV-1、HTV-2和HTV-3X分別驗證通用再入飛行器、增強型通用再入飛行器和高超聲速巡航飛行器技術。2005年11月，在美國阿諾德工程研制中心的9號高超聲速風洞中，HTV-1模型在模擬飛行速度10馬赫和4馬赫的環境條件下，成功進行了30多次試驗。但由于HTV-1的殼體使用6層～7層碳/碳復合材料通過鋪層成形工藝制備，在制造過程中由于材料應力的作用會導致層間存在氣穴。在高超聲速飛行中劇烈的氣動加熱會使氣穴內空氣膨脹破裂從而導致飛行器解體。由于這一重大技術問題久攻不克，美國空軍放棄HTV-1，直接試飛HTV-2。

HTV-2是在“獵鷹”計劃下研制的第二架高超聲速技術飛行器。與HTV-1相比，它結合了先進的氣動外形與防熱系統，采用了改進的制導、導航與控制系統，顯著地提高了飛行器的性能。2010年4月，HTV-2進行了首次飛行試驗。飛行了13分鐘后地面的8臺遙測設備失去了飛行器的信號，原因是“對于這種速度和飛行高度，在飛行器所計劃的迎角下，飛行控制達到了操縱的極限。”此次驗證試驗最終失敗。2011年8月，HTV-2進行了第二次飛行試驗，驗證了近3分鐘的由穩定氣動控制的20馬赫高超聲速飛行。但最終飛行器經歷了一系列異常震動，使自主飛行安全系統啟動空氣動力系統進行可控下降，墜落大海。

HTV-3X（“黑燕”）是一種可從傳統跑道上起飛、以6馬赫巡航、飛回并在跑道上著陸的試驗機。2008年9月，由于預算大幅度削減，“黑燕”項目被暫停。

▲ 俄羅斯Yu-71助推滑翔高超聲速滑翔彈頭

▲ 印度布拉莫斯-2高超聲速巡航導彈

在進行“獵鷹”計劃的同時，美國其他部門也在開發類似的助推滑翔武器。2011年11月17日美國陸軍航天與導彈防御司令部/美國陸軍戰略司令部，成功完成了“先進高超聲速武器”（AHW）的首次飛行試驗，該飛行器飛行速度達到6馬赫。2014年，該飛行器第二次試射失敗，火箭在科迪亞克試驗場發射臺上空爆炸，導致試驗場嚴重損毀。2017年11月2日，美國海軍進行了首次“常規全球快速打擊”導彈試射，該導彈采用推滑翔技術，試飛取得了成功。美國DARPA在2010年7月也獨立推出了采用類似技術的弧光遠程高超聲速導彈。該導彈助推器采用標準-3導彈的助推器，而高超聲速滑翔器可攜帶500千克～1000千克的有效載荷，能在30分鐘內對3800公里以外的時間敏感目標實施打擊。據美國媒體報道，弧光遠程高超聲速導彈將最先發展海基型，并裝備在水面艦艇和潛艇上，利用美國海軍現役的Mk41垂直發射系統實施發射，當然以后還將陸續發展其空基型。

俄羅斯早在蘇聯時期，就有人提出在重型彈道導彈上配置幾枚高超聲速滑翔彈頭，使蘇聯可從西伯利亞直接攻擊美國部署在世界上任何地點的空軍基地。最終這種設想由于成本太高而放棄。蘇聯解體后，俄羅斯利用“針”和“鷹”計劃中的高超聲速試驗飛行器技術，開發了彈道導彈-高超聲速飛行器一體化的助推滑翔武器。1997年俄就宣布已研發出一種高超聲速飛行器，其飛行軌跡是非典型的，也就是不遵循核彈頭的典型拋物線軌跡，可以任意改變方向。高超聲速巡航飛行器可進入外層空間，然后再進入地球大氣層。

2013年10月，俄羅斯宣稱，其最新裝備的RS-26邊界彈道導彈采用了高超聲速機動彈頭，由此可見，高超聲速助推滑翔武器在俄羅斯可能已經進入實戰部署。近兩三年來，俄羅斯高超聲速武器的發展態勢引起世界范圍高度關注，但是其高超聲速武器的具體信息一直處于高度保密狀態。2016年以來，俄羅斯一家名為KATEHON的智庫在其官網上連續報道了俄當前高超聲速武器的發展動態，并略微詳細地披露了某些性能參數。其中就包括助推滑翔導彈“YU-71”，該導彈是俄羅斯當前重點發展的高超聲速打擊武器之一，號稱在高超聲速滑翔過程中具有極高的機動性。“YU-71”在2011至2016年期間至少開展了4次飛行試驗，采用UR-100洲際彈道導彈的第一級助推發射。據稱，YU-71可安裝常規戰斗部，也可攜帶核戰斗部，可部署于陸基平臺，亦可部署在俄核動力潛艇上。

另外，2014年1月14日由美國華盛頓自由燈塔報首先向外界披露，中國于2014年1月9日首次測試的一種高超音速滑翔載具，2014年1月15日，中國國防部證實了這一消息。華盛頓自由燈塔報說，這一成功測試使中國成為繼俄羅斯和美國之后第三個擁有高超音速飛行器技術的國家。★

薛滔