渦輪基組合動(dòng)力水平起降高超聲速戰(zhàn)略打擊模式探討

李 俊，楊水鋒，陳文兵

(成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，四川 成都 610091)

1 引言

快速響應(yīng)戰(zhàn)略打擊是近年來(lái)各國(guó)研究的熱點(diǎn)，其飛行模式的選擇對(duì)關(guān)鍵技術(shù)牽引和突破影響巨大。遠(yuǎn)程高超聲速飛行器通常以兩級(jí)組合形式構(gòu)成，按發(fā)射方式和飛行方式組合，可分為火箭動(dòng)力垂直發(fā)射高超聲速?gòu)椀里w行、火箭動(dòng)力垂直發(fā)射高超聲速巡航飛行、渦輪基組合循環(huán)(TBCC)動(dòng)力水平起降機(jī)載發(fā)射高超聲速?gòu)椀里w行、TBCC水平起降機(jī)載發(fā)射高超聲速巡航飛行四類。其中TBCC動(dòng)力水平起降機(jī)載發(fā)射高超聲速?gòu)椀里w行模式，在平臺(tái)機(jī)動(dòng)性、發(fā)射隱蔽性、突防概率等方面都有優(yōu)勢(shì)。下面將對(duì)TBCC動(dòng)力水平起降高超聲速戰(zhàn)略打擊模式進(jìn)行探討。

2 國(guó)外高超聲速飛行器種類及特點(diǎn)

高超聲速飛行器從廣義上講，包括目前已出現(xiàn)的高超聲速無(wú)人機(jī)、高超聲速導(dǎo)彈、空天飛機(jī)，及未來(lái)可能出現(xiàn)的高超聲速轟炸機(jī)等[1]。類似X-51驗(yàn)證機(jī)的飛行器，可視為高超聲速巡航飛行器。

高超聲速飛行器種類繁多，為了簡(jiǎn)化，按動(dòng)力種類，可將高超聲速飛行器分為無(wú)動(dòng)力滑翔飛行器、吸氣式動(dòng)力巡航飛行器和火箭動(dòng)力彈道飛行器三類?；鸺齽?dòng)力技術(shù)相對(duì)成熟，吸氣式動(dòng)力技術(shù)和彈道滑翔式技術(shù)成熟度尚低，是各國(guó)發(fā)展的重點(diǎn)。

采用火箭動(dòng)力的主要是彈道導(dǎo)彈，按發(fā)射方式分為地面發(fā)射和空中發(fā)射。地面發(fā)射具備很強(qiáng)的突防能力，但存在發(fā)射時(shí)紅外特征持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)等弱點(diǎn)，容易被預(yù)警衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)。

采用吸氣式?jīng)_壓動(dòng)力的主要是新型高超聲速巡航飛行器，能以大于Ma5的速度巡航，遠(yuǎn)大于目前世界上現(xiàn)役飛行器的巡航速度，能極大地縮短目標(biāo)反應(yīng)時(shí)間。對(duì)瞬時(shí)可疑目標(biāo)、高價(jià)值目標(biāo)，能做到在其完成部署與做好攻擊準(zhǔn)備前先敵摧毀。高超聲速飛行器能威脅地面的固定設(shè)施及移動(dòng)中的目標(biāo)。

彈道滑翔式的通用航空飛行器，一般采用地面垂直發(fā)射方式獲得初始動(dòng)能，然后以彈道加末端滑翔方式飛行并實(shí)施打擊。

3 高超聲速飛行器優(yōu)勢(shì)

3.1 速度優(yōu)勢(shì)

高超聲速巡航飛行器在未來(lái)實(shí)戰(zhàn)中的應(yīng)用，很可能改變現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的模式。包括彈道導(dǎo)彈和空天飛行器在內(nèi)的飛行器，未來(lái)具備遠(yuǎn)程戰(zhàn)略與戰(zhàn)術(shù)打擊能力后，能使部隊(duì)在缺少前方存在的情況下，1～2 h內(nèi)完成對(duì)敵目標(biāo)的遏制與摧毀，將成為可替代核武器完成進(jìn)攻與防御的重要一環(huán)。

美軍多次進(jìn)行的X-51飛行器試驗(yàn)，基本上以轟炸機(jī)為發(fā)射載體。從戰(zhàn)術(shù)角度考慮，轟炸機(jī)作為發(fā)射平臺(tái)具備了長(zhǎng)滯空時(shí)間的能力，在敵方攻擊范圍外長(zhǎng)時(shí)間巡航待機(jī)，其優(yōu)勢(shì)在于能為高超聲速飛行器的快速打擊創(chuàng)造有利條件。

3.2 高度優(yōu)勢(shì)

奪取制空權(quán)、保持空中優(yōu)勢(shì)一直是空戰(zhàn)的首要目標(biāo)，高度優(yōu)勢(shì)可看作是主導(dǎo)空戰(zhàn)的重要因素。高超聲速飛行器在飛行高度上突破了現(xiàn)有戰(zhàn)斗機(jī)的飛行范圍，飛行高度在30 km以上，適合在大氣層邊緣的近地空間作高超聲速巡航。飛行器投放的炸彈或?qū)椌哂袠O大的動(dòng)能，體積很小的炸彈都能造成巨大的殺傷力，對(duì)地面及海上目標(biāo)的威脅很大[2]。

3.3 突防能力優(yōu)勢(shì)

隨著反隱身技術(shù)的不斷提高，戰(zhàn)斗機(jī)突防時(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)生存力會(huì)逐漸削弱，高空與超高速的結(jié)合能有效避免隱身手段的不足，有效縮短敵方的發(fā)現(xiàn)距離，使其不能迅速做出攔截部署。

高超聲速巡航飛行器能有效進(jìn)行高空高速突防和退出，對(duì)敵方直接打擊或作為遠(yuǎn)距離發(fā)射平臺(tái)，大大提高了作戰(zhàn)效能。同時(shí)，能在敵方防區(qū)外發(fā)射或從遠(yuǎn)離目標(biāo)的空域發(fā)射，迅速擊中目標(biāo)。遠(yuǎn)程高超聲速飛行器能有效提高戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，使敵方的防空系統(tǒng)難以攔截，并能對(duì)重要目標(biāo)進(jìn)行快速而迅猛的打擊。如高超聲速巡航飛行器以Ma≥5的速度在30 km以上高空突防，這就要求敵方的攔截防御武器至少具備Ma≥7的飛行能力，現(xiàn)有的防空系統(tǒng)無(wú)法做到有效攔截。

另外，由于高超聲速巡航飛行器在巡航段的飛行時(shí)間長(zhǎng)、機(jī)動(dòng)動(dòng)作少，被雷達(dá)探測(cè)并鎖定的幾率相對(duì)較大，若采用一些輔助措施(飛行性能與隱身特性一體化設(shè)計(jì)、紅外隱身、雷達(dá)隱身、有源電子干擾或在必要時(shí)投放干擾誘餌)用于突防，可大幅提高高超聲速飛行器的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。

4 全球/遠(yuǎn)程打擊飛行模式

近年來(lái)，美軍提出了2 h內(nèi)打遍全球的作戰(zhàn)要求，包括戰(zhàn)術(shù)打擊和戰(zhàn)略打擊。戰(zhàn)略打擊任務(wù)，是指以最快的速度，在全球范圍內(nèi)對(duì)敵方的本土戰(zhàn)略目標(biāo)實(shí)施打擊。為此對(duì)高超聲速戰(zhàn)略打擊模式、全球/遠(yuǎn)程打擊飛行模式和相關(guān)飛行器技術(shù)突破提出了迫切需求，并引領(lǐng)世界各國(guó)競(jìng)相開展相關(guān)研究。

從飛行方式上看，采用高超聲速飛行器進(jìn)行全球/遠(yuǎn)程打擊的飛行方式，有水平起飛超聲速巡航飛行、水平起飛高超聲速巡航飛行、水平起降機(jī)載發(fā)射高超聲速?gòu)椀里w行、垂直發(fā)射彈道飛行、垂直發(fā)射周期性跳躍巡航飛行、垂直發(fā)射彈道巡航飛行等多種。圖1為多種飛行器飛行軌跡比較[3]。

圖1 多種飛行軌跡比較Fig.1 Comparison of various flight trajectories

全球/遠(yuǎn)程打擊四類飛行模式的具體定義見(jiàn)表1。分析發(fā)現(xiàn)，要實(shí)施全球范圍的飛行和到達(dá)，通常應(yīng)采用兩級(jí)以上的高超聲速飛行器組合完成。

表1 四類全球/遠(yuǎn)程打擊飛行模式Table 1 Four kinds of Global/Long-range strike flight modes

5 典型全球/遠(yuǎn)程打擊飛行模式特點(diǎn)分析

5.1 火箭動(dòng)力垂直發(fā)射高超聲速?gòu)椀里w行模式

彈道導(dǎo)彈、周期性跳躍彈道式飛行器，發(fā)射受限于公路、鐵路或固定的發(fā)射井架，其機(jī)動(dòng)性不強(qiáng)。在現(xiàn)代衛(wèi)星等先進(jìn)偵查手段下，發(fā)射前易受到敵方攻擊。發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的巨大的、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的紅外特征信號(hào)容易被預(yù)警衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)，直至發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)信號(hào)特征能判斷出目標(biāo)類型和彈道軌跡，進(jìn)而采取措施實(shí)施初、中段攔截。?；鶟撋鋺?zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射場(chǎng)所雖有良好的機(jī)動(dòng)性和隱蔽性，但其導(dǎo)彈發(fā)射后，初速較低，易遭到敵方的初段和中段攔截摧毀。然而，一旦突破了初段攔截和中段攔截，末段被攔截的概率很小，即使末段被攔截，所有碎片將落入目標(biāo)國(guó)，同樣可起到戰(zhàn)略威懾作用。因此，該模式仍為一種有效的戰(zhàn)略打擊模式。

5.2 火箭動(dòng)力垂直發(fā)射高超聲速巡航飛行模式

這種飛行模式主要有以下特點(diǎn)：

(1)對(duì)火箭動(dòng)力垂直發(fā)射助推器的依賴較強(qiáng)。由于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)低速啟動(dòng)能力，因此高超聲速巡航飛行器的起飛與加速階段都要依賴火箭助推器，存在垂直發(fā)射時(shí)在初段和中段被攔截的可能。

(2)對(duì)其它任務(wù)領(lǐng)域的要求苛刻。實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程快速精確打擊，給其它任務(wù)(情報(bào)偵察、信息搜集、衛(wèi)星通信、戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知及指揮與控制等)領(lǐng)域帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。在實(shí)施快速打擊前必須準(zhǔn)確鎖定攻擊目標(biāo)，否則準(zhǔn)備時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，快速打擊將失去意義。同時(shí)，安全可靠的導(dǎo)航、飛行軌跡持續(xù)變化的控制、敵防空導(dǎo)彈的攔截預(yù)警等都是需要考慮的重要因素[4]。

(3)飛行器自毀概率高。從目前水平看，實(shí)現(xiàn)對(duì)高超聲速巡航飛行的飛行器的控制依然困難。在Ma8左右超高速度下，飛行器周圍會(huì)產(chǎn)生等離子鞘，顯著影響通信導(dǎo)航與精確控制，一旦不受控，飛行器極有可能大幅偏離預(yù)定航線，甚至墜毀。

(4)對(duì)手防御手段較多。由于其突出的特點(diǎn)為快速打擊，因此在攻擊末端留給自身的反應(yīng)時(shí)間也縮短，應(yīng)急狀況下飛行軌跡的快速重構(gòu)難度較大，精確打擊能力較難保證。同時(shí)，根據(jù)飛行器的特點(diǎn)，對(duì)手利用高功率電磁干擾手段進(jìn)行對(duì)抗，可有效干擾飛行器的飛行控制，使其偏離預(yù)定目標(biāo)。如RQ-170曾被伊朗采用GPS欺騙手段俘獲。

(5)遠(yuǎn)程巡航比彈道模式飛行時(shí)間長(zhǎng)，大于2000 km遠(yuǎn)程飛行高超聲速巡航比彈道飛行時(shí)間長(zhǎng)1倍以上。如進(jìn)行2000 km的快速打擊，彈道導(dǎo)彈只需10 min，但利用如X-51一類的高超聲速巡航飛行器以Ma5的速度巡航，續(xù)航距離2000 km將耗時(shí)20 min，不能滿足快速打擊的要求；在執(zhí)行10000 km全球飛行任務(wù)時(shí)，彈道飛行模式只需30 min，而以Ma5巡航飛行則需2 h以上，即使以Ma8巡航飛行也需1 h以上。

可見(jiàn)，這種模式不太適合發(fā)展為有效地遠(yuǎn)程戰(zhàn)略打擊模式，但可發(fā)展為中近程戰(zhàn)術(shù)打擊模式。

5.3 TBCC動(dòng)力水平起降機(jī)載發(fā)射高超聲速?gòu)椀里w行模式

這種飛行模式最典型的表現(xiàn)形式是機(jī)載發(fā)射彈道導(dǎo)彈，可在自己的領(lǐng)空范圍內(nèi)巡邏發(fā)射，發(fā)射空域大，機(jī)動(dòng)速度快。此外，空基導(dǎo)彈具有良好的機(jī)動(dòng)性和隱蔽性，且生存能力和突防能力顯著提高。另一方面，機(jī)載導(dǎo)彈的發(fā)射準(zhǔn)備工作，可在地面隱蔽進(jìn)行，導(dǎo)彈的空中準(zhǔn)備時(shí)間可在載機(jī)飛至發(fā)射點(diǎn)之前完成，實(shí)現(xiàn)零準(zhǔn)備時(shí)間發(fā)射；同時(shí)，由于可使用多架載機(jī)，每架載機(jī)都可多次發(fā)射，因此空基導(dǎo)彈可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)飽和攻擊和多波次攻擊。

TBCC動(dòng)力水平起降機(jī)載發(fā)射高超聲速?gòu)椀里w行模式有以下優(yōu)點(diǎn)：①可執(zhí)行短時(shí)間重大作戰(zhàn)任務(wù)；②能進(jìn)行快速響應(yīng)作戰(zhàn)及火力投送；③性能和機(jī)動(dòng)性大幅度提升；④全方位發(fā)射；⑤前方基地任選(能在任何地點(diǎn)部署)；⑥具備可召回的能力；⑦系統(tǒng)研制成本低、風(fēng)險(xiǎn)低，進(jìn)度快。

美軍的F-15GSE(全球打擊鷹)是一種機(jī)載發(fā)射彈道導(dǎo)彈方案。該方案是利用現(xiàn)有的F-15飛機(jī)，采用發(fā)動(dòng)機(jī)射流預(yù)冷性能增強(qiáng)技術(shù)，大幅提高推力。由于F-15起飛時(shí)機(jī)腹中部掛架對(duì)任務(wù)載荷/運(yùn)載器長(zhǎng)度的限制，方案中采用背部安裝運(yùn)載器和任務(wù)載荷，而非常規(guī)的機(jī)腹安裝方式。F-15機(jī)背強(qiáng)度大，尾翼翼展寬，升力大，允許運(yùn)載器具備更大重量和直徑，從而提供更大的載荷運(yùn)送能力[5]。圖2為F-15GSE上的一次性載荷的構(gòu)型布局。

采用機(jī)載發(fā)射彈道導(dǎo)彈方案，機(jī)載導(dǎo)彈14 t，可發(fā)射545 kg的全球打擊任務(wù)載荷到18520 km距離。圖3示出了F-15GSE任務(wù)典型彈道剖面，圖4給出了亞洲國(guó)家(日本)采用類似裝備可能威懾美國(guó)全境覆蓋范圍示意圖。因此該種模式可發(fā)展為有效戰(zhàn)略打擊模式。

5.4 TBCC動(dòng)力水平起降機(jī)載發(fā)射高超聲速巡航飛行模式

圖2 F-15GSE背部背負(fù)彈道導(dǎo)彈構(gòu)型布局Fig.2 Configuration of F-15GSE combined missile on the Back

圖3 F-15GSE任務(wù)典型軌道剖面Fig.3 Typical trajectory profile for the F-15 GSE mission

圖4 日本采用該裝備可能威懾美國(guó)全境覆蓋范圍示意圖Fig.4 Schematic diagram of the threat range on USA of this weapon used by Japan

高超聲速巡航飛行器反應(yīng)快速、使用靈活、可實(shí)施快速精確打擊等特點(diǎn)，在中短程(＜1000 km)戰(zhàn)術(shù)打擊方面具有較大的軍事應(yīng)用潛力。與TBCC動(dòng)力水平起降高超聲速遠(yuǎn)程飛行平臺(tái)結(jié)合，可作為有效的斬首行動(dòng)戰(zhàn)術(shù)打擊手段，充分發(fā)揮其戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)。因此，TBCC動(dòng)力水平起降機(jī)載發(fā)射高超聲速巡航飛行，可能不太適合發(fā)展為戰(zhàn)略打擊模式，但卻是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ膽?zhàn)術(shù)打擊模式。

6 結(jié)束語(yǔ)

渦輪基組合動(dòng)力水平起降機(jī)載發(fā)射高超聲速?gòu)椀里w行模式，具有行動(dòng)隱蔽、突防效能高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可發(fā)展為新型戰(zhàn)略打擊模式，在未來(lái)能量中心戰(zhàn)(以能量為中心的體系作戰(zhàn))中將發(fā)揮重要作用。

渦輪基組合動(dòng)力及相關(guān)飛機(jī)和機(jī)載武器的研究，將促進(jìn)一系列新技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域一次大的進(jìn)步，也將推動(dòng)渦輪基組合動(dòng)力技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，應(yīng)特別關(guān)注和重視。

[1]Hank J M，Murphy J S. The X-51A scramjet Engine Flight Demonstration Program[R].AIAA 2008-2540，2008.

[2]張 渝，張華靚.從X-51試飛看未來(lái)飛行器的發(fā)展[J].國(guó)際航空，2012，57(1)：29—31.

[3]Carter P H，Pines D J，vonEggers R L.Approximate Perfor?mance of Periodic Hypersonic Cruise Trajectories for Glob?al Reach[R].AIAA Journal of Aircraft，1998，35(6)：857—867.

[4]Shaehtman N.Hypersonic Cruise Missile：America’s New Global Strike Weapon[J].Popular Mechanics，2007，1(1)：1.

[5]Chen T T，F(xiàn)erguson P W，Deamer D A，et al.Responsive Air Launch Using F-15 Global Strike Eagle[R].AIAA RS4-2006-2001，2006.