從HSTDV試驗看印度高超聲速導彈武器的發展

劉軍

在2019年6月12日，印度高調宣布成功進行了第一次HSTDV（Hypersonic TechnologyDemonstrating Vehicle）高超聲速飛行試驗，但不久媒體即披露試驗是失敗的。不過，試驗暴露出了印度在長期秘密發展高超聲速導彈武器，這還是讓外界大吃一驚。

印度HSTDV技術驗證試驗

測試基本情況這次試驗是印度國防研究與發展組織（DRDO）在2019年6月12日進行的，是印度國產高超音速技術驗證飛行器的首次飛行測試。當天搭載HSTDV的“烈火”1導彈在上午11點27分從奧里薩省外海的卡蘭島綜合試驗場發射，各種雷達、遙測站和光電跟蹤傳感器在飛行路線上進行了跟蹤觀測，收集相關數據并進行分析，以驗證關鍵技術。HSTDV是DRDO于2005年開始研制的超燃沖壓發動機驗證器，是印度高超聲速巡航導彈系統開發計劃的重要組成部分。

按照原計劃，HSTDV飛行至30-40千米高空后，將與“烈火”1導彈助推器分離，并啟動以煤油為燃料的超燃沖壓發動機，以馬赫數6的飛行速度巡航。目前，DRDO拒絕透露試驗最終結果，但媒體透露由于助推器失控，未能將HSTDV送至預定高度，試驗未達到預期目標。

失敗原因分析此次試驗采用了與印度現役“烈火”1導彈相同的固體火箭助推器，導彈最大速度只有7.3馬赫。從性能上看，其勉強可以作為高超聲速飛行器的助推器，因為要達到HSTDV點火條件，飛行器速度必須達到5馬赫以上。但為了給釋放速度和角度留有余地，助推器應該具備足夠大的釋放速度裕量，而且由于“烈火”1為印度第一代固體燃料導彈，其飛行姿態控制能力較弱，因此為HSTDV提供足夠的釋放速度和姿態角度的能力十分勉強。從透露的情況看，此次試驗并未將飛行器加速到高超音速（5馬赫以上），超燃沖壓發動機未點火，回收的飛行器表面沒有灼燒痕跡也間接證實速度未達到5馬赫以上。也就是說，此次試驗根本就沒有實現最關鍵的點火和穩定飛行控制，超燃沖壓發動機未受檢驗，但很可能完成了助推器的分離和短時間的高超聲速的滑翔飛行。

此次HSTDV試驗以“烈火”1導彈為助推器

HSTDV外觀分析此次試驗雖然失敗，但從相關情況來看，這款高超音速技術驗證飛行器是一種配備了超燃沖壓發動機的無人飛行器，能夠借助固體燃料起飛發動機，以6馬赫的速度巡航飛行，并能在超燃沖壓發動機推動下在20秒內上升到32.5千米的高度。從公布的外觀圖片看（題圖為HSTDV在展會上的模型），HSTDV采用了常見的乘波體結構設計，但又不同于助推滑翔常用的梭形或三角形乘波體外形，其船型乘波體結構中設計了非機身融合的側翼和后操縱舵。這種設計表明HSTDV主要用于超燃沖壓發動機的初步試驗，其飛行速度也大致限制在8馬赫以內。現在的HSTDV設計沿用了其前身AVATAR驗證器中的CV設計。該驗證飛行器長5.6米，質量為1000千克，其橫截面為扁平八角形，機體中部裝有一對短翼，機體后部裝有傾斜垂直尾翼。進氣道長度為3.7米，橫截面形狀為矩形。超燃沖壓發動機位于機體中下部，機體尾部作為排氣噴管的一部分。機體前部有兩個平行的擋板，用于增加推力。機翼后緣的襟翼用于飛行器滾轉控制。可偏轉的噴管位于燃燒室后端，偏轉角可達25。，以確保在發動機開啟和關閉階段具有令人滿意的性能。

印度HSTDV的結構示意圖

現在的HSTDV略有變化，但基本沿用了原來的設計框架，這從超燃沖壓發動機的外觀設計也可以看出來。該發動機采用了所謂“三維側壓式進氣道”，這種進氣道的優點是設計簡單，缺點是基本沒辦法和飛行器的總體設計進行配合。從照片也可以看出，HSTDV在升力體機身下方設置進氣道，進氣口內有噴油和燃燒室，后面連接擴散段，這基本就是一臺前后直通的發動機，載荷和控制部分都設計在了背部有限的空間內，這種進氣道通常只能適應6馬赫以下的飛行速度，因此主要用于超燃沖壓發動機的最初驗證。HSTDV采用國際上通行的碳氫化合物燃料，由于工作時燃燒室的溫度很高，因此發動機采用雙壁結構，朝向燃燒區的內壁使用的是一種特殊的鈮合金，而外壁使用nimonic合金（英國人研制的一種特種合金）以提供結構強度。另外，為了克服飛行時的氣動加熱，HSTDV的彈翼和尾翼表面使用了鈦合金，高溫區域采用的是碳復合材料。DRDO稱，熱障涂層（TBC）可以將表面溫度降低到材料的承受范圍以內。他們對許多熱障涂層進行了高溫和腐蝕試驗，發現所研制的陶瓷涂料最適合這一用途。此外，印度工程人員在試驗中將HSTDV置于“烈火”1的頭部，外部使用整流罩包裹。應該說，無論是乘波體設計還是采用超燃沖壓發動機都表明，印度高超聲速飛行器設計從一開始就站在了較高水平上。

印度展示的HSTDV模型

印度HSTDV發展計劃

滑翔再入載具印度早期為提高導彈射程和突防能力，在其彈道導彈發展項目中曾廣泛應用高速滑翔技術，這使其積累了較多的高速滑翔設計和應用經驗。最早使用高速滑翔技術的是其第一種導彈“大地”短程單級彈道導彈。該型導彈射程不到300千米，但可以改變彈道導彈簡單的拋物線飛行軌跡，借助空氣升力改變并延伸末段彈道，在30-35千米的高度上可“滑翔”約60-70千米，這在一定程度上延長了導彈的射程，也提高了彈頭末段的攔截難度。以后印度為“烈火”系列導彈也設計了眾多的彈道式滑翔再入載具（BGRV），據稱從“烈火”1到“烈火”5幾乎都配置了不同的BGRV，滑翔速度和距離持續提高。該技術還應用在了印度目前唯一的潛射彈道導彈K-15上。雖然這一階段的高速滑翔技術與高超聲速技術相差很遠，但上述應用使印度初步掌握了高速飛行器的控制與氣動原理等基礎技術。

超燃沖壓發動機2005年，印度在維克拉姆·薩拉巴伊空間中心修建了第一座高超聲速風洞（HWT）。普通超聲速風洞僅能產生相當于5倍聲速的風速，但在高超聲速風洞中，風速卻能達到5-25倍聲速。據稱當時印度利用該風洞測試了國產“高超聲速飛行器”樣機，并進行了發動機地面試驗。2007年6月，印度DRDO宣布了“高超聲速吸氣式空天運輸飛行器”（AVATAR）發展計劃，這是一種可重復使用、水平起飛的吸氣式單級入軌飛機，采用渦輪沖壓/超燃沖壓/火箭組合循環發動機，總重25噸（其中60%是液氫燃料），每次可將1噸重的有效載荷送入太空，還可作為高超聲速飛機，用于對地攻擊或偵察。印度還將其稱為“夢之計劃”。AVATAR計劃大大刺激了印度高超聲速基礎設施的建設。2014年，印度DRDO在班加羅爾又建成了新的高超聲速風洞，并完成了8.4馬赫測試，DRDO官員宣稱“布拉莫斯”2導彈將在該風洞進行測試。2016年，印度空間研究組織（ISRO）也宣稱完成超燃沖壓發動機測試，試驗中超燃沖壓發動機被置于上世紀70年代發展的RH-560探空火箭頂端，一級火箭燃燒完后，二級火箭點火繼續加速，在約20千米時達到6馬赫速度。這時超燃;中壓發動機點火，并持續燃燒5秒鐘。這次試驗的目的主要是驗證吸氣式發動機保持超聲速燃燒的時間，這是目前所知印度高超聲速技術最成功的試驗。

印度最早采用滑翔彈道的“大地”導彈

正在發射的“烈火”5遠程彈道導彈

俄印合作的“布拉莫斯”2高超聲速導彈模型

高超聲速導彈目前所知印度真正的吸氣式高超聲速導彈項目有兩個，分別是“布拉莫斯”2（K）和HSTDV。“布拉莫斯”2（K）是印度與俄羅斯聯合研發的高超聲速導彈，印度DRDO正在研制高超聲速沖壓式噴氣發動機，其地面試驗已經順利完成，高超聲速專用火箭燃料則是在俄羅斯的幫助下完成開發的。該計劃仍處于初步設計階段，導彈投入使用至少需10年。據稱，“布拉莫斯”2導彈與俄羅斯“鋯石”導彈使用同樣的發動機和推進技術，制導和導航系統、軟件、彈體及控制系統由印度研制。該導彈預計作戰半徑達到450千米，飛行速度為7馬赫，并可能進一步發展空射和海射型。

2016年5月2 日，印度在薩迪什·達萬航天中心使用一枚HS9火箭，成功發射印度首架用于技術驗證的“可重復使用運載器技術驗證機”（RLV-TD），進行了高超聲速飛行試驗（HEX）

真正讓印度掌握高超聲速導彈技術的應該是HSTDV項目，目前雖然是技術演示項目，但最終目標是發展為一種導彈武器。該項目最初是為前面提到的AVATAR計劃提供技術驗證，其包括運載火箭（LV）和一個巡航飛行器（CV）。驗證飛行器通過飛行試驗要達到的目的是，驗證超聲速燃燒沖壓發動機的性能，以及高超聲速飛行器的空氣動力性能、防熱系統和熱結構等。該計劃有俄羅斯、以色列和英國陸續參與。2005年HSTDV完成了彈體和發動機框架構造設計，以后由國家航空航天試驗室（NAL）對其空氣動力設計進行了試驗，完成了多次縮比模型的進氣（空氣）和排氣（廢氣）試驗，以及較大超聲速的風洞測試。DRDO負責新材料開發、電氣與機械部件的整合、沖壓發動機研制工作。2010年首次公開樣品模型，2011年在印度國際航展上公開亮相。此后由于資金和場地問題，該項目進度嚴重滯后。2019年6月的飛行試驗目的主要是驗證高超聲速條件下的發動機點火技術。由于此次試驗沒有完全達到預期目的，因此預計印度近期將再次進行類似發射試驗。

俄羅斯早期的吸氣式高超聲速飛行器“鷹”

印度展示的高超聲速飛行器發展計劃

印度高超聲速武器技術發展水平分析

技術起點高，但積累不扎實從透露的情況看，此次試驗主要測試超燃發動機點火技術。超燃發動機是一種吸氣式高速大推力發動機，其啟動點火就像在7級大風中劃燃火柴并保持穩定燃燒，難度可想而知，因此世界上只有美俄等少數國家在研制，而且均未有大的突破。印度雖然進行過地面測試，但從一開始飛行測試就將目標瞄準超燃發動機的啟動和穩定工作上，而不像其它國家在進行多次實體滑翔試驗后，才開始發動機的啟動測試。雖然印度在高超聲速飛行器和動力技術上采用了較為先進的概念，但也應該看到，印度實際缺乏較為扎實的技術積累。其超燃發動機地面測試次數有限，且印度利用RH-560探空火箭進行的超燃沖壓發動機測試條件只有6馬赫，剛剛滿足基本要求，且時間非常短。而且，前幾次試驗印度實際掌握的數據非常有限，因此此次測試失敗并不出人意料。

參與單位多，但基礎設施建設差從印度高超聲速技術發展可以看出，HSTDV項目有印、俄、以、英等多個國家的技術實驗室和團隊參與，僅印度國內就有DRDO、NAL和ISRO旗下的多個實驗室和公司、部門參與，這使HSTDV項目集成了世界最先進的高超聲速技術成果，以及印度國內最強大的技術研發力量，這也是HSTDV項目從一開始就采用世界最先進設計理念，且在資金恢復后可以很快拿出試驗樣機的根本原因。但由于印度在高超聲速領域和航空動力設計與測試方面起步較晚，其在2014年前后才具備自主的高超聲速風洞測試能力，而且由于印度在高超聲速飛行器制造所需的高性能基礎材料和超燃發動機動力所需燃料等方面沒有自主生產能力，導致該項目缺乏試驗和制造的基礎配套設施，這是該項目投入較大技術力量和巨額資金，但仍進展緩慢的根本原因。

發展時間較長，但實際掌握技術少正如前面所說，由于基礎設施建設緩慢，印度以HSTDV為核心的高超聲速項目發展時間較長，從2005年啟動至今已經有近15個年頭，但成果寥寥，對外值得公布宣揚的成功試驗次數也十分有限。從國外同類技術發展看，高超聲速項目包括了計算機模擬、風洞試驗、飛行器整流罩構造、智能材料、高速發動機原理、飛行器再入大氣層的動力學和專用軟件等眾多領域技術，這需要循序漸進的技術突破和積累。例如，美國現代高超聲速動力技術是在Hyfly超燃沖壓發動機試驗平臺上經過近10年的摸索才實現突破，并最終轉到側壓式進氣道的技術路線上。而印度利用俄、以等國現成技術成果直接進入了此類技術路線，實際并沒有完全自主進行過超燃沖壓技術基本概念的試驗與驗證。例如，此次試驗失利后外界認為，有可能根本性的助推器就沒有給驗證飛行器提供足夠的速度和適宜的姿態，因此更不可能有后面的點火測試了。可見，在高超聲速技術發展上印度還有許多基礎課需要補。

印度HSTDV高超聲速技術應用分析

印度HSTDV項目的目標是使其躋身該技術的精英國家俱樂部之列，因此其下一步以HSTDV項目為基礎加快高超聲速技術應用與發展是毋庸置疑的。

再次試驗，發展為導彈武器雖然印度宣稱此次試驗成功，但從透露情況看此次試驗并未實際啟動超燃沖壓發動機點火，試驗目標并未達成。而啟動超燃;中壓發動機是測試的最基本條件，不可能回避，否則后續科目無法展開，因此印度很可能近期會再次組織同類試驗，和進行多次飛行測試，才可能拿到足夠的數據來修訂設計。由于HSTDV為演示驗證項目，因此在完成項目后，印度很可能很快啟動武器化型號項目，以發展可用于實戰的高超聲速導彈。印度很可能走與俄羅斯近似的陸基火箭助推的吸氣式巡航導彈路線，爾后再發展空射或海射高超聲速導彈，而不像美國一開始就優先發展空射高超聲速導彈。

終止項目。由“布拉莫斯”代替從印度高超聲速武器發展來看，與HSTDV項目并列的還有一項同為吸氣式高超聲速導彈的“布拉莫斯”2（K）項目。雖然該項目還需至少10年，但其基礎技術和投入都要比HSTDV項目成熟。而印度同時發展兩項風險較大的高超聲速項目除了技術探索外，很可能是互為備份，降低發展風險。由于“布拉莫斯”2導彈與俄羅斯“鋯石”導彈使用同樣的發動機和推進技術，而且也可能進一步發展為空射和海射型，因此其武器化的可能都要比HSTDV項目大。一旦HSTDV項目遭遇障礙，印度很可能會用“布拉莫斯”2項目最終取代HSTDV的武器化項目。

更新項目。采用新技術路線HSTDV項目是技術驗證項目，還存在諸多基礎技術不成熟和總體技術不完善的地方，因此在HSTDV項目一再挫折或完成驗證后，印度也有可能再次啟動建立在新技術框架內的吸氣式高超聲速平臺項目。從印度發展同類武器的作風來看，新的項目很可能采用更加先進的技術思路，建立全新的技術框架。但如果采用新路線，印度高超聲速武器項目的研發時間將再次推遲10余年，這可能是印度不得已的路線選擇。

【編輯/山水】