臨近空間高超聲速飛行器進展及防御策略分析*

王鵬飛,羅暢，白炎

(1.陸軍炮兵防空兵學院，安徽 合肥 230031；2.中國人民解放軍78092部隊，四川 成都 610000；3.空軍裝備部駐沈陽地區第一軍事代表室，遼寧 沈陽 110000)

0 引言

在空天一體化作戰的趨勢下，臨近空間因其特殊的空間位置越來越多地受到人們關注。臨近空間通常是指距海平面20～100 km的空域[1]，由于該區域存在電磁輻射強、空氣寒冷稀薄等惡劣自然條件，因此一度成為傳統飛行器的“禁區”。但隨著科學技術的不斷進步，以往的“禁區”現已成為各個軍事大國爭相拓展的“疆土”。

臨近空間高超聲速飛行器便是一種飛行在臨近空間，能夠進行高超聲速飛行的一類新型飛行器。相比于傳統的航空飛行器，它具有飛行速度快、高度高，打擊覆蓋區域廣等突出優勢；相比航天飛行器，它又具有無需復雜發射平臺、造價低廉、機動能力強等特殊優點。因此，具備極強打擊和突防能力的臨近空間高超聲速飛行器，填補了航空與航天之間的空隙，具有極為廣闊的軍事應用前景。

自古以來，“矛與盾”之爭始終貫穿了武器裝備的發展歷程。由于臨近空間高超聲速飛行器具有無與倫比的打擊優勢，因此如何構建其防御體系，發展有效對抗的技術裝備，也成為了擺在各軍事大國面前的難題。本文首先梳理了臨近空間高超聲速飛行器的發展現狀，分析了其飛行特征。在此基礎上，總結了現有空天防御體系攔截臨近空間目標的短板弱項，給出了臨近空間高超聲速飛行器的防御策略。

1 臨近空間高超聲速飛行器發展現狀

目前，臨近空間高超聲速飛行器重點發展方向有以下3類：空間軌道機動飛行器(空天飛機)、助推-再入式滑翔器與助推-吸氣式巡飛器。

1.1 空天飛機

空天飛機是一種能夠在航空、臨近空間以及航天范圍內進行跨空域飛行的新型飛行器，是傳統航天飛機的升級。為了實現這種跨域飛行能力，空天飛機共裝備有3種發動機：①噴氣式發動機，保證空天飛機可以自主實現地面的起飛和降落；②超燃沖壓發動機，保證空天飛機在臨近空間實現高達12～25 馬赫的高速飛行；③火箭發動機，為空天飛機提供大氣層外的飛行動力。

美國從20世紀80年代開始對空天飛機的探索，在航天飛機的基礎上提出了“國家空天飛機計劃”(national aero-space plane，NASP)項目[1]，但由于技術過于復雜、投資巨大，該項目于1993年停止研發。經過近20年的技術沉淀，美國研發的新一代空天飛機X-37B終于在2010年首飛成功，如圖1所示[2]。X-37B背部裝有載荷艙，內置機械臂，既可攜帶并釋放己方衛星，也可抓取、破壞敵方衛星或軌道飛行器。迄今為止，X-37B共進行了6次軌道飛行，最長在軌時長達780 d。但由于技術原因，X-37B只采用了火箭發動機作為動力，因此遠未達到空天飛機的設計要求。其他發達國家也開展了一系列的研究計劃，如德國提出的二級入軌Sanger空天飛機計劃[3]，美澳聯合探索的高超聲速國際飛行研究試驗(hypersonic international flight research experimentation,HIFiRE)計劃[4]。但限于技術難度過大，上述項目大都停留在理論探索或飛行試驗的初期階段。

圖1 X-37B空天飛機Fig.1 X-37B aerospace plane

1.2 助推-再入式滑翔器

助推-再入式滑翔器一般改裝自現有型號導彈，由載體和高超聲速載荷組成。其中，載體為火箭發動機，載荷為錐形體或乘波體構型的戰斗部，其本身無動力裝置，僅依靠重力和氣動力進行遠距離滑翔。圖2，3所示分別為錐形體和乘波體構型的載荷。

圖2 錐形體構型載荷Fig.2 Cone-shaped body payload

圖3 乘波體構型載荷Fig.3 Wave rider configuration payload

助推-再入式滑翔器的飛行過程類似于彈道導彈，首先由火箭發動機將飛行器送至大氣層外，之后發動機脫離，載荷在自身重力作用下進行遠距離滑翔，從而完成偵察或打擊任務。美國在再入滑翔器方面的研究較早，發展了一系列的技術驗證型號。較為典型的是美國空軍的HTV-2，其飛行過程如圖4所示[5]。但由于HTV-2的設計指標過高，在經歷多次失敗后該項目于2010年終結。目前，美國正在大力發展的滑翔器主要有陸基遠程高超聲速導彈(long-range hypersonic weapon，LRHW)、海基中程高超聲速導彈(intermediate-range conventional prompt strike，IRCPS)和空基高超聲速導彈(air-launched rapid response weapon，ARRW)等3個項目。其中，ARRW已正式設計定型，最為接近服役狀態。但由于在2021年4月5日的首次試射中，測試導彈發生故障，試驗以失敗告終，因此入役時間未定。

圖4 HTV-2的飛行示意圖Fig.4 Flight diagram of HTV-2

俄羅斯最近在滑翔器的研制上發力頻頻，實用化的步伐走在了世界前列。2017年，俄軍率先實戰部署了“匕首”滑翔式空射戰術導彈。2019年又服役了“先鋒”滑翔式戰略彈道導彈，可實現對美國本土的快速戰略精確打擊。

1.3 助推-吸氣式巡飛器

助推-吸氣式巡飛器在飛行原理上與助推-再入式滑翔器有著顯著的區別，其由助推火箭和巡飛器2部分所組成。巡飛器能夠依靠自身的超燃沖壓發動機實現高超聲速飛行，但由于超燃沖壓發動機無法在低馬赫速度下正常工作，因此首先還需通過火箭助推器將巡飛器加速至超聲速，之后超燃沖壓發動機才能起動實現高超聲速飛行。為提升超燃沖壓發動機推進性能，助推-吸氣式巡飛器多采用機身與發動機一體化設計方案[6]。即將飛行器的前后機身作為發動機的延伸，進一步提升推進效率。

美國針對吸氣式巡飛器開展了大量的研究工作，比較典型的型號為X-43A和X-51A，兩者均采用了乘波體構型，并進行了多次飛行試驗。2種型號的試飛成功，證明了超燃沖壓發動機能夠作為巡飛器的主要動力來源[7]。目前，在前期X-51A 基礎上，美軍正大力發展HAWC(hypersonic air-breathing weapon concept)型巡航導彈。該型導彈計劃在2030年左右替代美國現有的“魚叉”反艦導彈和“斯拉姆”空地導彈等武器，成為美國空軍和海軍作戰飛機主要對地(海)打擊武器。

從上述3類臨近空間高超聲速飛行器的發展現狀來看，助推-再入式滑翔器的技術成熟度最高，已有多種型號入役。其次是助推-吸氣式巡飛器，按照發展規劃，未來20年該武器將成為精確制導武器的核心力量。而空天飛機由于技術過于復雜，且軍事應用前景不如其余2類飛行器明朗，發展相對較為緩慢。因此，從防御的角度來看，以高超聲速導彈為應用前景的滑翔器和巡飛器是當前首要面臨的威脅目標。下文主要針對這2類目標的特征及其防御策略展開分析。

2 臨近空間高超聲速飛行器的飛行特征

2.1 軌跡特征

助推-再入式滑翔器的飛行軌跡可以大致分為以下幾個階段：①上升段：滑翔器在發射升空后由火箭助推器將其推送至大氣層外，此時載荷與載體分離。②滑翔段：載荷通常采用錢學森彈道或桑格爾彈道，在重力的作用下進行遠距離機動滑翔，如圖5所示。整個滑翔段基本位于臨近空間，飛行器機動幅度大，軌跡難以預測。③俯沖段：載荷到達目標附近時，以近乎垂直的軌跡直擊目標。

圖5 助推-再入式滑翔器的飛行過程Fig.5 Flight phase of gliding type boosting-reentry flight vehicles

相比滑翔器，巡飛器在軌跡的中間段有較為明顯區別，其飛行過程如圖6所示[8]：①助推段：火箭助推器將巡飛器推送至臨近空間之后脫離，同時巡飛器的超燃沖壓發動機起動并開始工作。②巡航段：巡飛器在臨近空間內進行高超聲速巡航飛行。由于超燃沖壓發動機對攻角變化十分敏感，因此巡航段的彈道較為平直。③俯沖段：到達攻擊空域后，巡飛器依靠自身重力俯沖攻擊目標。

圖6 助推-吸氣式巡飛器的飛行過程Fig.6 Flight phase of boosting-air-breathing flight vehicles

從對上述2類飛行器的軌跡分析可以看出，助推-再入式滑翔器的機動范圍橫跨了航空、臨近空間和航天3個空域，通常射程較遠，可代替現有的彈道導彈完成戰略威懾和戰術打擊。助推-吸氣式巡飛器的巡航段彈道相對固定，相當于對現有巡航導彈的升級，可代替現有的巡航導彈、反艦導彈和空地導彈，構成精確打擊的中堅力量。

2.2 動力學特征

高超聲速飛行器具有高度不確定性、強烈非線性以及強耦合性的動力學特征。當其進行高超聲速飛行時，機身周圍的空氣流動有著顯著區別于低速流動的特點[9]：飛行器表面邊界層的厚度大大增加，同時空氣受劇烈壓縮而出現高溫，從而出現顯著的“熱障”效應。“熱障”現象導致高超聲速飛行器的氣動特性和氣熱特性復雜多變，進而使得其動力學模型和參數呈現出明顯的不確定性和強烈的非線性。此外，由于飛行器本身的特殊設計結構也使得飛行器的動力學系統呈現出氣動/熱/彈性/推進之間相互耦合的復雜特性。這些復雜的動力學特征使得對高超聲速飛行器的軌跡跟蹤和預測變得十分困難。

2.3 電磁特征

高超聲速飛行器的電磁特征主要包括2方面：①雷達散射特征:飛行器進行高超聲速飛行時，機體與空氣的急劇摩擦造成的高溫高壓能夠將空氣電離，使空氣分子呈現等離子態[10]。由于等離子體本身也是一種電介質，因此能夠將外界的電磁波進行移相、折射甚至吸收，從而起到天然隱身的效果，難以被雷達跟蹤鎖定。但是，最近有研究表明，太赫茲波段的電磁波受等離子體的影響較小，是一種極具應用前景的探測手段[11]。②紅外輻射特征：由于“熱障”效應的存在，高超聲速飛行器的紅外輻射特征十分明顯，其中輻射的紅外波長以中波為主[12]。且飛行器的紅外輻射強度隨著飛行速度的增加呈幾何倍數升高。因此，對紅外特征的捕捉是探測高超聲速飛行器的重要方法之一。但是，紅外探測器極易受到外界環境干擾，難以實現全天候下的精準定位和跟蹤。

3 臨近空間高超聲速飛行器對現有空天防御體系的挑戰

2021年7月1日，據《以色列時報》報道：“俄羅斯軍隊在地中海的英國航母靠近敘利亞海岸執行任務時，突然出動米格-31K戰斗機，向地中海方向發射了一枚“匕首”高超聲速反艦彈道導彈，該導彈從英軍航母的上空以10倍聲速掠過。若是戰時，英國航母必已葬身海底。”由此可見，高超聲速武器已然形成了戰斗力，成為打擊高價值重點軍事目標的首選利器。然而，從前面對高超聲速飛行器的目標特征分析可以看出，現有空天防御體系在攔截這樣的高超聲速武器時存在諸多困難，具體表現為以下幾個方面。

3.1 預警探測困難

為實現對高超聲速目標的有效攔截，要求預警探測系統必須能夠在1 000 km以外發現目標。圖7所示為地/海面探測系統對高超聲速目標的探測距離示意圖[13]，從圖中可以看到，這類平臺的探測距離普遍在500～1 000 km，無法為攔截系統提供足夠的預警時間。而現有空間軌道探測平臺，無論是傳感器數量還是種類都嚴重不足，對臨近空間飛行的高超聲速目標的監視和屬性判別能力較弱。此外，飛行器機身周圍的等離子體也會吸收電磁波，從而進一步增加對其探測和識別的難度。

圖7 地球曲率對探測的影響Fig.7 Effect of earth curvature on detection

3.2 難以持續跟蹤

高超聲速飛行器機動能力強，彈道軌跡變幻莫測，依靠現有的跟蹤探測手段難以持續跟蹤目標。例如助推-再入式滑翔器在滑翔/巡航段后期，除采用直接俯沖攻擊外，還可能采用躍升-俯沖攻擊、螺旋-俯沖攻擊等攻擊手段，如圖8所示[14]。這種靈活多變的飛行軌跡使得防御系統無法持續地跟蹤鎖定目標。

圖8 助推-再入式滑翔器的攻擊方式Fig.8 Attack pattern of gliding type boosting-reentry flight vehicles

3.3 反應時間不足

由于高超聲速飛行器的飛行馬赫數可達5～20，不到10 min即可實現對1 000 km外的目標進行精確打擊，極大縮短了“決策—攻擊—打擊”周期，空天防御指揮控制系統難以在目標抵達前完成探測—跟蹤—識別—決策—攔截這一作戰流程。因此，高超聲速飛行器這類能夠將時空與能量很好地融合一體的武器系統，能夠輕易穿透現有的空天防御體系，在敵方沒有反應甚至察覺之前完成打擊任務。

3.4 攔截難度大

高超聲速飛行器機動樣式復雜、機動過載大、飛行速度快，因此對其攔截的難度很大。此外，其飛行區間主要位于臨近空間，這恰好是現有空天防御武器的攔截盲區。表1顯示的為美軍現役空天防御武器系統對目標的攔截能力。從這些數據不難發現，現有的空天防御武器系統對飛行在臨近空間的高超聲速目標有著較大的不可攔截區域。因此，必須對現有的空天防御武器進行升級，填補攔截域的“真空地帶”。

表1 防御系統的攔截能力Table 1 Intercepting capability of defense system

4 防御策略分析

為實現對臨近空間高超聲速飛行器的有效攔截，必須在現有空天防御體系的基礎上，增強對臨近空間目標的探測識別能力,完善火力攔截網絡,強化指揮控制系統的決策能力，使其真正具備對高超聲速目標的攔截能力。

4.1 構建多平臺預警探測網

為實現對跨空域飛行的高超聲速目標的盡早預警探測，應著力構建天/臨近空間/地(海)面多平臺預警探測體系：①完善天基預警探測平臺，將太赫茲傳感器與紅外、可見光傳感器作為首要的探測手段，重點對高超聲速目標的助推和滑翔/巡航段進行探測。②構建新型臨近空間/空中探測平臺，部署能夠長期滯留在臨近空間的浮空探測器，重點對高超聲速目標的助推和滑翔/巡航段進行探測。③升級現有的地(海)面預警探測平臺，將多頻段多體制雷達、可見光、紅外等多類型傳感器進行組網運行，重點對高超聲速目標的滑翔/巡航段和俯沖段進行探測。此外，由于高超聲速飛行器軌跡靈活多變，傳統的彈道預測方法難以適用，因此還要求預警探測網絡具備很強的軌跡持續跟蹤和軌跡精確預測能力。

4.2 構建完善火力攔截網

高超聲速飛行器無論是在飛行范圍還是速度上都超出了現有空天防御武器的攔截能力。為應對這一新型威脅，建議從以下2方面開展研究探索：①挖掘現有空天防御武器系統潛力，升級動能攔截器技術性能，填補攔截臨近空間目標的火力漏洞，尤其是大力發展空基攔截平臺。由于空基平臺本身的高度優勢，使得空基攔截彈無論是在攔截距離還是響應速度上都具有其他平臺難以比擬的優勢，因此研發成本低廉、通用性強的空基攔截彈，是具有較高效益比的防御策略[15]。②發展新型對抗手段。束能武器是一種極具應用價值的對抗手段，它通過某種方式在目標關鍵部位產生極高的能量密度，從而達到損壞、癱瘓、殺傷目標的效果。根據采取的方式不同，束能武器可分為激光武器、微波武器以及粒子束武器等。從目前技術成熟度來看，激光武器和微波武器具備較大的軍事應用潛力，未來很可能成為一種重要的反臨手段。

4.3 構建高效指揮控制網

高超聲速飛行器最大馬赫數可達20，可在60 min 內打擊全世界任何一處目標。這種忽視時空存在的新式武器，極大縮短了常規防御作戰的指揮決策周期。因此，為有效應對高超聲速飛行器的突襲，要求指揮控制系統必須在極其有限的時間內完成空情的分析和處理、目標的識別與判斷以及防御武器的升空攔截等一系列決策任務。因此，必須在現有空天防御指控控制系統的基礎上，通過基于數據鏈技術減少指揮節點、基于人工智能技術提升決策能力、基于數據融合整合進攻與防御體系等手段，構建攻防一體的全域高效一體化指揮控制網。

5 結束語

目前，各國針對臨近空間高超聲速飛行器的防御體系尚處于概念設計階段，發展規劃尚不清晰明朗。但是從前面分析可以看出，臨近空間高超聲速飛行器憑借其驚人的速度、鬼魅的彈道對現有空天防御體系構成了巨大威脅。伴隨著越來越多的型號入役，如何盡快填補空天防御體系的“真空地帶”迫在眉睫。綜合技術發展情況來看，反臨體系必將依托現有空天防御系統，突出信息融合，最終構建起防空反臨反導一體化的防御屏障。