高超音速武器的那些事

董晟飛

人類很早就進(jìn)入了超音速飛行時(shí)代，但經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，通常飛機(jī)的速度最多只能提高到音速的3至4信，再往上就像當(dāng)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(yīng)運(yùn)而生。所謂高超音速，一般指馬赫數(shù)大于等于5的流動(dòng)或飛行速度，約合每小時(shí)移動(dòng)6000千米以上。按照這個(gè)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(jī)要數(shù)小時(shí)。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?yàn)樵谶@個(gè)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(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)技術(shù)。如果說(shuō)螺旋槳是亞音速飛行的特征，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是低超音速飛行的特征，那么沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)就是中超音速的代表，而與高超音速飛行相對(duì)應(yīng)的則是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。這是因?yàn)樵陲w行速度達(dá)到5馬赫以上時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的氣流速度非常高，也處于超音速燃燒狀態(tài)，對(duì)于飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火來(lái)說(shuō)，就像在龍卷風(fēng)中點(diǎn)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(dòng)機(jī)研發(fā)是個(gè)國(guó)際難題，也被認(rèn)為是繼螺旋槳和噴氣推進(jìn)之后的“第三次動(dòng)力革命”。

此外，這種發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行器要跨越亞音速、音速、低超音速和中高音速，才能進(jìn)入高超音速飛行，就像當(dāng)初超音速飛機(jī)跨越音速后，飛機(jī)外形發(fā)生巨大變化，而且在兩個(gè)速度范圍內(nèi)飛機(jī)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(shè)計(jì)等諸多困難。

高超音速武器的分類

通常來(lái)說(shuō)，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(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)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(dòng)機(jī)為動(dòng)力的“空天飛機(jī)”和“高超音速巡航導(dǎo)彈”等。另一類是由火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)發(fā)展情況看，高超音速巡航飛行器目標(biāo)是達(dá)到6倍音速。例如，美國(guó)臭鼬工廠設(shè)計(jì)規(guī)劃HSSW驗(yàn)證機(jī)的目標(biāo)速度為6馬赫。因?yàn)?馬赫是一個(gè)臨界點(diǎn)，若超過(guò)6馬赫將大大提高吸氣式飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)的成本，同時(shí)性能也會(huì)下降，而低于6馬赫將影響其作戰(zhàn)生存能力。不過(guò)美國(guó)NASA的X-43高超音速技術(shù)驗(yàn)證機(jī)在2004年連續(xù)兩次打破吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)飛行器的最高飛行速度世界紀(jì)錄，最高飛行速度接近10馬赫。雖然目前還沒(méi)哪個(gè)國(guó)家研制出高超音速巡航導(dǎo)彈，但可以看到未來(lái)高超音速巡航導(dǎo)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?xì)淙剂希紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)，慣性及全球定位系統(tǒng)復(fù)合制導(dǎo)，射程大于1000千米，命中精度在15米以內(nèi)，導(dǎo)彈的出廠單價(jià)不高于100萬(wàn)美元，可以從戰(zhàn)斗機(jī)、戰(zhàn)略轟炸機(jī)、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(jī)動(dòng)導(dǎo)彈發(fā)射車、地下指揮中心等目標(biāo)。

“助推—滑翔”飛行器 “助推-滑翔”飛行器的主要目標(biāo)是達(dá)到10馬赫。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局高超音速航天飛機(jī)可以重復(fù)使用，并沿著大氣層“跳躍”，在2小時(shí)內(nèi)能夠?qū)④娛掠行Ш奢d發(fā)送到世界上任何一個(gè)地方。他們制作的“高翔”航天飛機(jī)的概念機(jī)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(shí)，航天飛機(jī)在推進(jìn)系統(tǒng)工作的情況下開(kāi)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(jī)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(shè)計(jì)成空天飛機(jī)，也可以設(shè)計(jì)成導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)彈頭。

目前各國(guó)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(lái)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(guó)海軍航空作戰(zhàn)中心要求全美工業(yè)界、學(xué)術(shù)界提供高超音速飛行器概念技術(shù)，一個(gè)是火箭助推高超音速滑翔機(jī)，一個(gè)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(jì)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(dòng)力外形，而吸氣式概念無(wú)法容納內(nèi)部推進(jìn)流程和燃料供應(yīng)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(jì)60年代，人們就曾在這方面做過(guò)努力，但因超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)難度太大而放棄。1986年，美國(guó)發(fā)起了X-30國(guó)家空天飛機(jī)計(jì)劃，向超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)起了新一輪沖擊。這一計(jì)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(jì)劃。而蘇聯(lián)從20世紀(jì)7（）年代開(kāi)始積極研制高超音速技術(shù)，如機(jī)械制造科學(xué)生產(chǎn)聯(lián)合體研制了“隕石”導(dǎo)彈，后來(lái)開(kāi)始了代號(hào)“4202”的導(dǎo)彈研制工作。20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)曾在S-201）導(dǎo)彈基礎(chǔ)上研制出飛行速度達(dá)到6000千米/小時(shí)的“冷”飛行器。20世紀(jì)80年代，彩虹導(dǎo)彈設(shè)計(jì)局（目前是俄羅斯戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈公司的一部分）開(kāi)始了Kh-90項(xiàng)目。但上述研究未催生出實(shí)戰(zhàn)裝備。近年來(lái)，俄美兩國(guó)開(kāi)發(fā)了高超音速巡航導(dǎo)彈、高超音速飛機(jī)、跨大氣層飛行器和空天飛機(jī)等，但這些開(kāi)發(fā)仍障礙重重。

美國(guó)已開(kāi)展了多年的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)攻關(guān)工作并取得了大量成果，但在高超音速飛行中仍會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題，如Hyfly項(xiàng)目。對(duì)于發(fā)展由機(jī)場(chǎng)起降、可重復(fù)使用的高超音速飛行器，如HTV-3，則需要發(fā)展技術(shù)更復(fù)雜的組合發(fā)動(dòng)機(jī)，如渦輪基組合循環(huán)推進(jìn)系統(tǒng)，實(shí)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(fèi)需求都很大，目前美國(guó)尚處探索階段。目前美國(guó)較偏向于采用火箭基組合循環(huán)（RBCC）發(fā)動(dòng)機(jī)。RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的基本思路是把火箭同沖壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合到一起，火箭部分用于在速度較低和運(yùn)載器飛出大氣層后提供推力。美國(guó)航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)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(duì)其支桿噴氣RBCC發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)縮比模型進(jìn)行了地面試驗(yàn)，并認(rèn)為該方案已可轉(zhuǎn)入飛行試驗(yàn)階段。支桿噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行中要幾次變換角色。它在起飛時(shí)是一臺(tái)裝在涵道內(nèi)的加氣補(bǔ)燃式火箭，在2.4～6馬赫時(shí)是一臺(tái)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，在6～8馬赫時(shí)是一臺(tái)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，隨后又成為一臺(tái)純粹的火箭。該發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是進(jìn)氣道內(nèi)楔形的立式支桿。這些支桿可對(duì)來(lái)流空氣進(jìn)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(dòng)機(jī)用于航天發(fā)射時(shí)使用氫燃料，用于大氣層內(nèi)執(zhí)行任務(wù)時(shí)可使用烴類燃料。endprint

除了發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)外，綜合設(shè)計(jì)與精確控制是一大障礙。當(dāng)飛行器以高超音速飛行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)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(diǎn)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(dāng)復(fù)雜的混合氣體，使得高超音速氣流的研究成為非常復(fù)雜的問(wèn)題。這不僅對(duì)飛行器平臺(tái)的綜合設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)，也給高超音速下的精確控制帶來(lái)了困難。x-51A的第二次驗(yàn)證飛行失敗就出于這個(gè)原因。

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

除此之外，高超音速飛行器未來(lái)要形成作戰(zhàn)能力，還要解決一系列問(wèn)題，包括高超音速條件下的武器末制導(dǎo)技術(shù)等。目前國(guó)外大多數(shù)高超音速演示飛行都沒(méi)有完全成功，說(shuō)明各國(guó)都遇到了嚴(yán)重的技術(shù)阻礙。

軍事優(yōu)勢(shì)

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

突防能力更強(qiáng) 突防能力是巡航導(dǎo)彈實(shí)施縱深打擊的前提。現(xiàn)有的巡航導(dǎo)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(zhēng)中就有數(shù)十枚“戰(zhàn)斧”遭擊落。而高超音速巡航導(dǎo)彈留給敵方防御系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)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(dǎo)彈的飛行高度一般在25～40千米，防空系統(tǒng)對(duì)這一高度上的超音速飛行器般難以實(shí)施攔截。航母編隊(duì)對(duì)亞音速導(dǎo)彈一次防御不成還可以進(jìn)行兩次、三次，而對(duì)超音速導(dǎo)彈基本就不再有第二次機(jī)會(huì)。但是，目前防空導(dǎo)彈尤其是近程防空導(dǎo)彈過(guò)載已經(jīng)達(dá)到35～50個(gè)g，再加上采用垂直發(fā)射，導(dǎo)彈能馬上轉(zhuǎn)彎，所以超音速導(dǎo)彈突防優(yōu)勢(shì)下降。而高超音速導(dǎo)彈的速度優(yōu)勢(shì)減少了敵防空系統(tǒng)的攔截時(shí)間，系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)彈的探測(cè)跟蹤難度增大，而且高超音速導(dǎo)彈可在遠(yuǎn)程防空導(dǎo)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(qiáng)了高超音速巡航導(dǎo)彈的突防能力和生存能力。

戰(zhàn)場(chǎng)空間更廣 與需要攜帶大量氧化劑的傳統(tǒng)彈道導(dǎo)彈不同，這種新式導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)能夠以極快的速度將自帶燃料和空氣中的氧氣進(jìn)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(dǎo)彈比彈道導(dǎo)彈的飛行距離更遠(yuǎn)，戰(zhàn)場(chǎng)空間也更廣。計(jì)算表明，速度為6馬赫的高超音速飛行器，能在6小時(shí)內(nèi)環(huán)繞地球一周，也就是說(shuō)，高超音速導(dǎo)彈和飛機(jī)能在很短的時(shí)間內(nèi)抵達(dá)地球上的任何一點(diǎn)，迅速打擊數(shù)千或上萬(wàn)千米外的各類軍事目標(biāo)，這大大地拓展了戰(zhàn)場(chǎng)的空間。比如，空天飛機(jī)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(yùn)輸機(jī)。美國(guó)開(kāi)發(fā)的HTV-2的載重量為5噸，是目前飛得最快的戰(zhàn)機(jī)。這種楔型戰(zhàn)機(jī)在2小時(shí)內(nèi)可飛行近1.7萬(wàn)千米，接近地球周長(zhǎng)的一半，而洲際導(dǎo)彈的射程只有5500～15000千米。根據(jù)美軍的研發(fā)計(jì)劃，這種轟炸機(jī)可以從美國(guó)本土起飛后兩小時(shí)內(nèi)打擊全球任何一個(gè)目標(biāo)，而不必依賴美國(guó)在海外的軍事基地。B-52最大飛行速度是每小時(shí)1010千米，伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)期間，這種老式轟炸機(jī)從英國(guó)的空軍基地起飛執(zhí)行了100多次轟炸任務(wù)，每次往返花費(fèi)的時(shí)間是44個(gè)小時(shí)。而高超音速轟炸機(jī)可大大提高五角大樓的靈活性，制訂軍事計(jì)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(dòng)能，特別適合打擊深埋地下的指揮中心等目標(biāo)。高超音速巡航導(dǎo)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(jìn)的侵徹彈頭，對(duì)地下掩體目標(biāo)的殺傷力不言而喻。根據(jù)計(jì)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(guó)軍方對(duì)高超音速巡航導(dǎo)彈的要求是對(duì)鋼筋混凝土的侵徹能力為6～11米，對(duì)一般地表土層則要達(dá)到40米。高超音速動(dòng)能武器不僅能通過(guò)熱輻射和沖擊波造成毀傷，而且能依靠直接命中來(lái)破壞目標(biāo)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，精確打擊時(shí)附帶的損傷比常規(guī)精確制導(dǎo)武器要小得多。高超音速導(dǎo)彈或炸彈的體積比一般射彈都要小許多，因此運(yùn)輸機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)和轟炸機(jī)可大量裝載，作戰(zhàn)威力顯著增強(qiáng)。尤其是高超音速偵察機(jī)，能在很短時(shí)間內(nèi)飛遍全球，對(duì)許多突發(fā)性事件地區(qū)均能快速反應(yīng)，所以具有很高的偵察和信息戰(zhàn)效能。endprint