從“鷹擊”18的“鵝頭”說起

何鵬程

2019年的國慶閱兵中，我國首次展示了新型飛航式反艦導(dǎo)彈“鷹擊”18（題圖），除了解說詞中炫目的性能外，給人印象最深刻的就是其頭部的鵝頭狀凸起。那么，這種獨特的外形與其優(yōu)異的性能是否有關(guān)系呢？這就要從飛航（巡航）導(dǎo)彈的“亞超結(jié)合”技術(shù)談起了。

“亞超結(jié)合”的發(fā)展

反艦導(dǎo)彈等飛航式導(dǎo)彈經(jīng)歷了從亞音速到超音速的發(fā)展過程，但究竟亞音速好還是超音速好，一直存在爭論。由于超音速與亞音速飛行在燃油經(jīng)濟性、突防性等方面各自賦予了導(dǎo)彈不同的優(yōu)勢，因此如何將兩者的優(yōu)勢結(jié)合起來，就成為人們長期探索的問題。“亞超結(jié)合”是其中較為成功的技術(shù)途徑。

“亞超結(jié)合”，就是導(dǎo)彈在攻擊飛行的整個彈道中，既有亞音速飛行階段，也有超音速飛行階段。通常導(dǎo)彈發(fā)射后，首先采用亞音速飛行模式，以小型渦噴發(fā)動機為動力進行高亞音速飛行，這樣可以有效降低紅外特征，節(jié)省燃料，而且巡航高度可以降到較低，從而使艦艇對導(dǎo)彈的探測變得更加困難，進而提高導(dǎo)彈生存性。當導(dǎo)彈進入爬升搜索捕捉段，并使用彈載雷達鎖定目標后，位于彈體后段的渦噴發(fā)動機自行脫落，然后啟動火箭發(fā)動機，推動含有導(dǎo)引頭、戰(zhàn)斗部與火箭發(fā)動機的前半段進入最后的超音速掠海攻擊段，并在極短的時間內(nèi)加速到高倍音速，完成對目標的末端突防，并增大碰撞動能。

目前，美俄等國對反艦導(dǎo)彈的發(fā)展都有不同的側(cè)重方向。美國在技術(shù)上的實力毋庸置疑，但由于其全球化部署戰(zhàn)略和在隱身技術(shù)上的優(yōu)勢，更重視對亞音速反艦導(dǎo)彈的研究。例如，其LRASM反艦導(dǎo)彈方案中最終放棄了LRASM-B高超音速導(dǎo)彈，選擇了以JASSM對陸巡航導(dǎo)彈為基礎(chǔ)的LRASM-A亞音速方案。不過美國也沒有放棄超音速，甚至高超音速飛行技術(shù)的開發(fā)，2019年透露的三軍通用高超音速彈頭計劃就包括了未來的高超音速反艦導(dǎo)彈。俄羅斯由于其主要作戰(zhàn)對手是海上實力十分強大的美國和北約等國，為了能迅速、精準地打擊對手，所以大力發(fā)展了超音速，甚至高超音速反艦導(dǎo)彈。世界上第一種服役的高超音速反艦導(dǎo)彈就是俄羅斯在2019年裝備的“鋯石”導(dǎo)彈。為了解決射程等問題，俄羅斯還另辟蹊徑發(fā)展了“亞超結(jié)合”技術(shù)。

實際上，如果單從“亞超結(jié)合”的彈道來看，很多反艦導(dǎo)彈都具備這樣的特征。因為大部分亞音速，特別是高亞音速飛行的導(dǎo)彈都可以通過俯沖最終達到超音速的撞擊。例如，法國“飛魚”MM38導(dǎo)彈在大部分航路都以0.9馬赫飛行，而在300米末段以俯沖方式攻擊目標時速度超過了音速。意大利“特塞奧”系列反艦導(dǎo)彈在發(fā)展到3型時也采用了末段跨音速方式攻擊。但這些導(dǎo)彈由于動力和氣動布局的局限，一是超音速飛行段非常短，二是飛行速度基本是跨音速，不超過1.4馬赫。而真正的“亞超結(jié)合”技術(shù)是在導(dǎo)彈設(shè)計中就采用了超音速動力和總體布局設(shè)計，在整個飛行彈道中超音速的飛行距離較遠，占比較大。其中，較為典型的是蘇聯(lián)/俄羅斯“俱樂部”系列中的3M54E型反艦導(dǎo)彈。該型導(dǎo)彈與我國的“鷹擊”18整體布局相近，都有一個顯眼的“鵝頭”。那么，為什么這類導(dǎo)彈都采用了這個特別的“鵝頭”設(shè)計呢？

彈翼已展開的俄羅斯3H54E型反艦導(dǎo)彈模型，可以看出其大致布局

“亞超結(jié)合”導(dǎo)彈的典型構(gòu)成與使用

為了實現(xiàn)亞超兩種飛行狀態(tài)，導(dǎo)彈的氣動布局設(shè)計必須要滿足較大速度差異的動力要求，這就使這類導(dǎo)彈的設(shè)計與通常的亞音速或超音速導(dǎo)彈有所不同，所謂的“鵝頭”就是兼顧兩種類型導(dǎo)彈設(shè)計而造成的結(jié)果。我們以俄羅斯“俱樂部”導(dǎo)彈為例來看看。

導(dǎo)彈總體構(gòu)成“俱樂部”是世界上最早采用典型“亞超結(jié)合”設(shè)計的導(dǎo)彈，其研制源于上世紀80年代，最初被稱為“埃爾法”，西方國家稱之為“俱樂部”，編號SS-N-27。導(dǎo)彈長8.22米，彈徑0.533米，含助推器在內(nèi)發(fā)射質(zhì)量為1 920千克，戰(zhàn)斗部重200千克（一說140千克），最大射程220千米，采用ARGS-54主動雷達導(dǎo)引頭。

導(dǎo)彈采用亞超結(jié)合的渦噴一固體火箭組合三級動力系統(tǒng)，包括固體燃料助推級、亞音速渦噴發(fā)動機巡航級和火箭發(fā)動機突防級，三級逐級分離實現(xiàn)不同的飛

美國LRASM反艦導(dǎo)彈命中目標前的瞬間

行狀態(tài)。其中，助推級采用與彈徑相同的圓柱體固體火箭助推器;第二級為運載器，即運載第三級完成亞音速巡航;第三級為超音速突防級，采用常規(guī)正常式“X”布局，彈翼和尾翼在發(fā)射離筒前折疊，從第二級內(nèi)脫落后成為一個火箭動力的子導(dǎo)彈，實現(xiàn)超音速突防。

該導(dǎo)彈采用了飛機式氣動布局，就是采用了兩個大展弦比彈翼，在彈身兩側(cè)水平安裝，這與遠距離飛行的巡航導(dǎo)彈類似，而不像傳統(tǒng)反艦導(dǎo)彈那樣采用“X”形布置的四個彈翼。飛機式氣動布局的優(yōu)點是展弦比大，誘導(dǎo)阻力小，升力大，導(dǎo)彈的升阻比高。導(dǎo)彈的升阻比高，通常射程也就遠。第二就是彈翼較少，導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)質(zhì)量相對也就小，這對于遠程導(dǎo)彈是非常重要的。導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)質(zhì)量小意味著導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗部和載油量可以增加，從而可提高導(dǎo)彈的射程和威力。第三，導(dǎo)彈的彈翼在兩側(cè)平行布置，沒有向上伸出彈體，因此有利于在彈體上部布置掛鉤，結(jié)構(gòu)比較緊湊，有利于作戰(zhàn)飛機掛載。不過這種布局的彈翼翼展較大，相應(yīng)的橫向尺寸較大，不利于安裝在發(fā)射箱內(nèi)，需要在發(fā)射前收縮在彈內(nèi)，這樣就增加了導(dǎo)彈的復(fù)雜性，特別是收放裝置占據(jù)了彈體內(nèi)的寶貴空間。不過隨著技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)機構(gòu)的體積和重量大為降低，為飛機式布局在反艦導(dǎo)彈上的運用鋪平了道路。目前世界上包括美國正在發(fā)展的新一代遠程反艦導(dǎo)彈LRASM等，幾乎都采用了這種布局設(shè)計。

這個角度可更直觀地看到“鷹擊”18的“鵝頭”

導(dǎo)彈設(shè)計特征目前，美國和俄羅斯等國的遠程反艦導(dǎo)彈基本都采用了“亞超并舉”和“亞超結(jié)合”兩種發(fā)展模式。前面講過，以前在“亞超結(jié)合”技術(shù)上，一些國家的型號采用了亞音速巡航、末段俯沖超音速攻擊的彈道設(shè)計，但直到“俱樂部”的出現(xiàn)，才使“亞超結(jié)合”成為一種新的設(shè)計路線。這種設(shè)計路線從外觀看最突出的就是“鵝頭”，是為了將渦噴發(fā)動機與火箭發(fā)動機結(jié)合起來造成的。前面提到這類導(dǎo)彈第二級的有效載荷就是作為突防使用的第三級，也就是以火箭為動力的子導(dǎo)彈。但由于子導(dǎo)彈是第二級的有效載荷，質(zhì)量和體積不可能設(shè)計過大，否則會影響到第二級的航程和機動性。加之采用的固體火箭發(fā)動機遠比航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)緊湊，因此第三級的體積（直徑）要小于采用渦噴發(fā)動機的第二級。同時，考慮到第二級為提高氣動效率采用了大展弦比的飛機式氣動布局設(shè)計，導(dǎo)彈正截面重心應(yīng)該向下，因此第三級的徑向軸并沒有和第二級的重合，而是向正常飛行狀態(tài)下的下側(cè)偏移，與第二級下側(cè)重合對齊，使得第二級與第三級結(jié)合部位出現(xiàn)明顯的偏移。在外形使用整流設(shè)計后，這就出現(xiàn)了類似“鵝頭”的凸起狀。可見，正是由于“亞超結(jié)合”的結(jié)構(gòu)設(shè)計造成了此類導(dǎo)彈擁有了與眾不同的“鵝頭”特征。

導(dǎo)彈的技術(shù)關(guān)鍵從“亞超結(jié)合”導(dǎo)彈的構(gòu)成可以看出，其最大難點就是把兩個完全不兼容的系統(tǒng)湊到一起。導(dǎo)彈在亞音速和超音速飛行時的控制規(guī)律、機動性能、動態(tài)品質(zhì)等方面存在極大差異，思路雖然簡單，但想將兩種特性的技術(shù)融合到一起卻并不容易，這中間需要克服和掌握諸多技術(shù)關(guān)鍵。

總體設(shè)計

“亞超結(jié)合”的總體設(shè)計實際就是讓一種反艦導(dǎo)彈融入亞音速和超音速兩種導(dǎo)彈的特征，這里面的系統(tǒng)整合、控制技術(shù)都是非常有難度的。由于亞音速巡航飛行和超音速突防兩種飛行狀態(tài)之間的速度和環(huán)境差別太大，因此對于亞音速巡航和超音速突防設(shè)計一種一體化的動力裝置是問題的關(guān)鍵。此外，兼顧兩種飛行狀態(tài)的氣動布局也十分重要。對于中遠程飛航導(dǎo)彈，氣動設(shè)計力求較高的升阻比。從“俱樂部”3M54E型反艦導(dǎo)彈設(shè)計看，其采用了小后掠角、大展弦比的平面彈翼氣動布局，在高亞音速范圍內(nèi)具備較好的升阻比，明顯大于目前戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈常用的立體彈翼布局。通常平面彈翼布局的升阻比可以達到6-8左右，而采用立體彈翼布局的升阻比一般在2-3左右。而且，航程與升阻比呈正比關(guān)系，在同樣條件下，平面布局的航程明顯大于立體彈翼布局，所以遠程導(dǎo)彈，如“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈多采用平面彈翼布局。但平面彈翼布局的缺點就是彈翼展弦比大，需要彈翼收放機構(gòu)，另外導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)彎比較困難。而立體彈翼的優(yōu)點就是彈翼展弦比較小，比較容易安裝在普通導(dǎo)彈發(fā)射箱中，折疊起來也比較簡單，另外就是在各個方向都能產(chǎn)生同樣大小的升力，機動性能較好。為了克服這些問題，像“俱樂部”這樣的“亞超結(jié)合”導(dǎo)彈通常采用操縱性較好的后緣舵，使其在亞音速巡航中具備較好的操控性。此外，為了提高平臺的兼容性，“亞超結(jié)合”導(dǎo)彈還要嚴格控制導(dǎo)彈直徑和長度，使其可以使用空中、水面和水下等多種平臺發(fā)射。但總的來看，由于比普通反艦導(dǎo)彈多了一級發(fā)動機，所以“亞超結(jié)合”導(dǎo)彈的總體設(shè)計、內(nèi)部結(jié)構(gòu)要比單純亞音速或者超音速反艦導(dǎo)彈復(fù)雜得多，尺寸尤其是長度也會相應(yīng)增大。

小型渦扇發(fā)動機的燃料消耗較少

多級動力

要將亞音速巡航的噴氣發(fā)動機和超音速的火箭發(fā)動機兩個獨立系統(tǒng)整合在充其量只有8、9米長的導(dǎo)彈上，且互不影響，一個正常工作時另外一個保持待機，在巡航段結(jié)束的瞬間，火箭發(fā)動機啟動發(fā)動高速低空突擊，這個在結(jié)構(gòu)上融為一體、在工作中相互銜接的設(shè)計難度較大。通常，其助推級采用固體火箭發(fā)動機，巡航級采用亞音速飛行耗油率較低的渦噴（渦扇）發(fā)動機，第三段的突防級可采用沖壓發(fā)動機或固體火箭發(fā)動機兩種方案。第三級如采用一體化設(shè)計的沖壓發(fā)動機，但沖壓發(fā)動機需要側(cè)向進氣道，考慮到第三級的氣動和部位安排，將其安裝在第二級內(nèi)的設(shè)計難度較大。因此，可以采用雙推力固體火箭發(fā)動機，完成由亞音速加速到超音速和超音速巡航。這種方案適于短距離超音速飛行，并且結(jié)構(gòu)較輕。可以看出，不僅存在發(fā)動機整合的問題，還存在多次級間分離和發(fā)動機點火啟動的問題，這使得系統(tǒng)可靠性難以把握。

制導(dǎo)與導(dǎo)航

“亞超結(jié)合”導(dǎo)彈需要在較長飛行距離上完成對導(dǎo)彈的可靠導(dǎo)航，還需要在接近目標區(qū)后對第三級突防段進行目標鎖定和末端制導(dǎo)，因此其控制方案較為復(fù)雜。其控制系統(tǒng)必須具有多種工作狀態(tài)，因為在處于亞音速和超音速飛行時受到的空氣動力存在差異，因而在具體的控制規(guī)律、系統(tǒng)響應(yīng)、傳遞函數(shù)和動態(tài)品質(zhì)等方面都要有所區(qū)別，而且還要實現(xiàn)不同模式下的流暢切換。第二是要滿足導(dǎo)彈在超音速和亞音速下的靜穩(wěn)定性，在干擾作用下控制彈體使其受到的影響盡可能的小。第三是控制系統(tǒng)的各個部件應(yīng)當擁有極高的靈敏度。這主要是因為在處于超音速狀態(tài)時要求有更快的反應(yīng)、更靈敏的控制、更短的滯后時間、更高的控制精度，所以要求測量裝置、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)都要有更高的響應(yīng)能力。通常，此類導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)采用以慣性制導(dǎo)與衛(wèi)星制導(dǎo)的組合導(dǎo)航方案。為了實現(xiàn)遠距離超視距的精確制導(dǎo)，還需要配置中繼接收機，通過數(shù)據(jù)鏈完成中繼制導(dǎo)，為導(dǎo)彈指示目標。“俱樂部”3M54E導(dǎo)彈在距目標30-40千米時，爬升至一個較高的高度并啟動其ARGS-54主動雷達導(dǎo)引頭。該雷達長度為70厘米，直徑42厘米，重量40千克（不包括天線罩），最大作用距離為60千米，可在一定的降雨環(huán)境和5-6級海況下使用。導(dǎo)引頭在探測和鎖定目標后，引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊。

對抗與隱身

由于“亞超結(jié)合”導(dǎo)彈在末段飛行速度很快，末段制導(dǎo)系統(tǒng)的反應(yīng)時間就非常短，這對制導(dǎo)系統(tǒng)的抗電子對抗能力提出了新的挑戰(zhàn)。由于飛行時間短，制導(dǎo)系統(tǒng)處理各種干擾的時間就被壓縮，飛行馬赫數(shù)2的超音速導(dǎo)彈與飛行馬赫數(shù)0.8的亞音速導(dǎo)彈相比，前者的干擾和制導(dǎo)數(shù)據(jù)的可用處理時間比后者要少60%。如果這兩種導(dǎo)彈對付干擾技術(shù)的能力相當，則前者的信號和制導(dǎo)數(shù)據(jù)處理速度必須提高兩倍才行。在同等技術(shù)條件下，超音速反艦導(dǎo)彈對付電子干擾等軟防御的能力相對有限。“俱樂部”3M54E導(dǎo)彈的火箭第三級直徑較小，使頭部主動雷達天線直徑偏小。

美國DDG1000驅(qū)逐艦發(fā)射“標準”6攔截目標想像圖

生產(chǎn)中的美國“標準”6艦空導(dǎo)彈

隨著艦載防御體系的發(fā)展，特別是美國協(xié)同交戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展，在E-2D預(yù)警機指揮下，“標準”6艦空導(dǎo)彈已可跨越水天線攔截目標。在這種情況下，要繼續(xù)提高自己的突防能力就必須增加第二級的隱身能力。而第二級由于遠距離亞音速巡航，極易被敵方火力攔截或遭敵電子戰(zhàn)武器軟殺傷。因此在設(shè)計第二級氣動外形的同時，必須兼顧總體隱身特性。降低導(dǎo)彈的RCS（雷達反射面積）是降低被敵方艦空武器攔截概率的關(guān)鍵技術(shù)。總的來看，可采用的技術(shù)路線包括：對RCS較大的頭部、頭部與彈身連接處、彈翼和彈身采用局部隱身設(shè)計，降低鏡面反射;采用嵌入式進氣道降低進氣道腔體效應(yīng)的強散射：采用帶通技術(shù)降低頭部雷達天線RCS：使用雷達吸波材料大幅度降低雷達反射波：運用低紅外輻射的發(fā)動機降低被敵方紅外制導(dǎo)武器攔截的概率。

飛行與控制

從“亞超結(jié)合”導(dǎo)彈的彈道設(shè)計可以看出，導(dǎo)彈從水面艦艇或潛艇發(fā)射后，首先爬升至150米高度，拋掉固體助推器，彈體下的進氣口伸出，吸氣式主發(fā)動機啟動，同時彈翼和尾翼伸出，導(dǎo)彈下降至海平面以上10-15米的巡航高度飛行。這種掠海飛行方式增強了其在巡航段的隱蔽性，而在末段突防過程中為消除目標機動帶來的誤差，或規(guī)避艦艇近防系統(tǒng)打擊，需要采用高速機動規(guī)避動作，這都對導(dǎo)彈的飛行控制能力提出了較高要求。大家知道，亞音速導(dǎo)彈即使進行半徑很小的轉(zhuǎn)彎或盤旋也沒有多大過載，而超音速飛行段由于速度限制了其末段機動性，即使有一點點彈道的變化就會導(dǎo)致彈體過載嚴重，不太可能做大幅度的機動。如果超音速導(dǎo)彈轉(zhuǎn)彎半徑很大，在近距離作劇烈機動飛行，很可能會錯失目標。因此，這需要導(dǎo)彈具備很強的火箭動力或空氣動力的控制能力，這除了需要研發(fā)高靈敏度的傳感器外，還需要設(shè)計高效的控制機構(gòu)。此外，為了提高長距離掠海飛行的安全性和隱蔽性，既要求導(dǎo)彈在飛行階段能以距海面較低的高度進行長時間飛行，還要求其具備對浪涌等復(fù)雜海況的自動適應(yīng)能力。這對高度表或測高雷達等傳感器和飛行控制裝置的靈敏度和作動敏捷性都提出更高要求。

俄軍工部門公布的“俱樂部”3H54E反艦導(dǎo)彈攻擊目標過程的視頻連續(xù)截圖，可以看出其飛行過程的不同狀態(tài)

戰(zhàn)斗部技術(shù)

前面已經(jīng)談到，“亞超結(jié)合”導(dǎo)彈的第三級突防段速度高。雖然攻擊速度高有利于提高碰撞動能，但由于其直徑較小，很可能會造成“刀切奶酪”的效果，使戰(zhàn)斗部貫穿整個艦體而出，對艦艇的破壞效果大打折扣。“俱樂部”導(dǎo)彈設(shè)計了延遲引信，延遲時間14毫秒，目的是進入艙體內(nèi)3-4米時爆炸，達到最大毀傷效果，即使是140-200千克的戰(zhàn)斗部也足以使典型目標（驅(qū)逐艦、護衛(wèi)艦）失去戰(zhàn)斗能力。但由于導(dǎo)彈碰撞艦艇部位不同，或打擊的艦艇性質(zhì)不同，可能會造成延時時間不能與其碰撞效果匹配，從而過早或過遲爆炸。過于靈敏的引信還可能因為碰撞或攔截而觸發(fā)，因此對引信的延時可調(diào)性、靈敏度和可靠性都提出了較高技術(shù)要求。