美俄高超音速助推—滑翔武器

于振江

從國(guó)外對(duì)于中國(guó)2014年1月的高超音速飛行器試驗(yàn)分析來(lái)看，大多傾向于認(rèn)為是一次高超音速助推一滑翔飛行器試驗(yàn)，而由于高超音速助推一滑翔飛行器發(fā)展回避了全新的動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)障礙，因此進(jìn)展最快。由于高超音速助推一滑翔技術(shù)依賴于雄厚的助推火箭技術(shù)和強(qiáng)烈的軍事需求，因此開(kāi)展此方面研究的國(guó)家主要是美國(guó)和俄羅斯。

俄羅斯

蘇聯(lián)在研制吸氣式高超音速巡航飛行器時(shí)就開(kāi)始了高超音速助推一滑翔技術(shù)的開(kāi)發(fā)。當(dāng)時(shí)有人提出在重型彈道導(dǎo)彈上配置幾枚高超音速滑翔彈頭，使蘇聯(lián)可從兩伯利亞直接攻擊美國(guó)部署在世界上任何地點(diǎn)的空軍基地。最終這種設(shè)想由于成本太高而放棄。蘇聯(lián)解體后，俄羅斯利用“針”和“鷹”計(jì)劃中的高超音速試驗(yàn)飛行器（ICLA）技術(shù)，開(kāi)發(fā)了彈道導(dǎo)彈一高超音速飛行器一體化的助推一滑翔武器。1997年俄就宣布已研發(fā)出一種高超音速飛行器，其飛行軌跡是非典型的，也就是不遵循核彈頭的典型拋物線軌跡，可以任意改變方向。高超音速巡航飛行器可進(jìn)入外層空間，然后再進(jìn)入地球大氣層。

2001年7月，俄羅斯用SS-25“白楊”與高超音速導(dǎo)彈技術(shù)相結(jié)合的飛行器進(jìn)行了飛行試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)導(dǎo)彈從普雷茨謝克發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，落至勘察加半島的目標(biāo)區(qū)，這次發(fā)射使用了一個(gè)試驗(yàn)再入機(jī)動(dòng)飛行器。據(jù)監(jiān)測(cè)這次飛行試驗(yàn)的美軍方稱，這枚SS-25導(dǎo)彈的飛行軌跡十分特殊，最后一段飛行軌跡的高度約為33千米，具有在大氣層內(nèi)飛行的高速巡航導(dǎo)彈的性能。美國(guó)一位官員認(rèn)為這表明俄羅斯正在試驗(yàn)彈道導(dǎo)彈與高超音速巡航導(dǎo)彈相結(jié)合的技術(shù)。很快在2003年的莫斯科國(guó)際航展中，俄企業(yè)展示了與SS-25一體化的高超音速導(dǎo)彈技術(shù)飛行器GLL-VK的飛行示意圖。首先，SS-25在助推段后期壓低飛行高度，GLL-VK與SS-25分離后即向下滑行，然后，GLL-VK在約33千米高度進(jìn)行高超音速飛行，并多次向上躍升。在2004年3月的軍事演習(xí)中，俄羅斯戰(zhàn)略火箭兵對(duì)這種新型導(dǎo)彈進(jìn)行了試射。時(shí)任俄副總參謀長(zhǎng)宣稱，俄軍成功進(jìn)行了能夠突破反導(dǎo)系統(tǒng)的SS-25的前期試驗(yàn)，飛行過(guò)程中對(duì)高度和航線進(jìn)行了多次機(jī)動(dòng)，完成了預(yù)定的機(jī)動(dòng)計(jì)劃，表明它可繞過(guò)地區(qū)反導(dǎo)系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)，能突破任何反導(dǎo)系統(tǒng)的防御。媒體甚至在監(jiān)控大廳觀看到其多次躍出大氣層，然后向下滑翔。2013年10月，俄羅斯宣稱，其最新裝備的RS-26“邊界”彈道導(dǎo)彈采用了高超音速機(jī)動(dòng)彈頭?？梢?jiàn)，高超音速助推一滑翔武器在俄羅斯很快將進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)部署。

美國(guó)

美國(guó)在冷戰(zhàn)時(shí)期也曾開(kāi)發(fā)了助推-滑翔技術(shù)，并進(jìn)行了大量的驗(yàn)證試驗(yàn)，但直到2003年7月，美國(guó)空軍和國(guó)防部聯(lián)合提出“獵鷹”計(jì)劃，該技術(shù)才真正得到全面發(fā)展?！矮C鷹”計(jì)劃采用高超音速技術(shù)驗(yàn)證機(jī)HTV-1、HTV-2和HTV-3X分別驗(yàn)證CAV、ECAV和HCV技術(shù)。但由于HTV-1和HTV-2的氣動(dòng)外形、采用的技術(shù)相似，美國(guó)空軍放棄HTV-1，直接試飛HTV-2。HTV-3X（“黑燕”）是一種可從傳統(tǒng)跑道上起飛、以6馬赫巡航、飛回并在跑道上著陸的試驗(yàn)機(jī)。2008年9月，由于預(yù)算大幅度削減，“黑燕”項(xiàng)目被暫停。

20lO年4月，HTV-2進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn)。飛行了9分鐘之后，HTV-2已在太平洋上空飛越了7700千米，速度達(dá)到20馬赫，高度在大氣層邊緣。13ARPA的8臺(tái)遙測(cè)設(shè)備失去了飛行器的信號(hào)，原因是“對(duì)于這種速度和飛行高度，在飛行器所計(jì)劃的迎角下，飛行控制達(dá)到了操縱的極限。”此次驗(yàn)證試驗(yàn)最終失敗。2011年8月，HTV-2進(jìn)行了第二次飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了近3分鐘的由穩(wěn)定氣動(dòng)控制的20馬赫高超音速飛行。但最終飛行器經(jīng)歷了一系列異常震動(dòng)，使自主飛行安全系統(tǒng)啟動(dòng)空氣動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行可控下降，墜落大海。

在進(jìn)行HTV-2試驗(yàn)的同時(shí)，美國(guó)其它部門也在開(kāi)發(fā)類似的助推一滑翔武器。例如，美國(guó)陸軍航天與導(dǎo)彈防御司令部/美國(guó)陸軍部隊(duì)?wèi)?zhàn)略司令部發(fā)展了“先進(jìn)高超音速武器”（AHW）項(xiàng)目，2011年11月進(jìn)行了首次試飛。試飛的大氣層內(nèi)高超音速滑翔飛行器是由一枚三級(jí)火箭助推器發(fā)射升空的。助推一滑翔組合飛行器成功地按照預(yù)定軌跡釋放了高超音速滑翔飛行器，后者在與助推器分離后，沿著非彈道滑翔軌跡高超音速飛行，飛抵里根試驗(yàn)場(chǎng)的預(yù)定落點(diǎn)。這是世界上第一種設(shè)計(jì)在大氣層內(nèi)飛行的高超音速遠(yuǎn)程滑翔飛行器。美國(guó)在2010年7月還獨(dú)立推出了采用類似技術(shù)的“弧光”遠(yuǎn)程高超音速導(dǎo)彈。該導(dǎo)彈助推器采用“標(biāo)準(zhǔn)”3的助推器，而高超音速滑翔器可攜帶500-1000千克的有效載荷，能在30分鐘內(nèi)對(duì)3800千米以外的時(shí)間敏感目標(biāo)實(shí)施打擊。

除美俄之外，印度、德國(guó)等也提出了自己的高超音速助推一滑翔武器概念，并進(jìn)行了一定的試驗(yàn)驗(yàn)證。相信助推一滑翔武器將成為第一種高超音速武器。

軍事應(yīng)用

雖然高超音速助推-滑翔武器發(fā)展較快，但由于其需要火箭助推，且從目前情況看大多為一次性使用，因此應(yīng)用領(lǐng)域受到一定限制，沒(méi)有高超音速巡航武器廣泛。

高超音速導(dǎo)彈 高超音速導(dǎo)彈是高超音速助推一滑翔武器發(fā)展的主要應(yīng)用方向。實(shí)際上，美國(guó)和俄羅斯都是在現(xiàn)有彈道導(dǎo)彈基礎(chǔ)之上開(kāi)展高超音速助推一滑翔飛行器驗(yàn)證的，也將是其首要應(yīng)用方向。例如，俄羅斯很可能已經(jīng)在SS-25“白楊”和RS-26“邊界”洲際導(dǎo)彈上部署高超音速助推一滑翔彈頭。2011年3月，美國(guó)空軍參謀長(zhǎng)施瓦茨表示，空軍正在考慮發(fā)展常規(guī)洲際彈道導(dǎo)彈與高超音速助推一滑翔飛行器，它們有望成為空軍的常規(guī)即時(shí)全球打擊手段，并將把這作為針對(duì)反進(jìn)入和區(qū)域拒止威脅的應(yīng)對(duì)手段。

高超音速運(yùn)輸機(jī) 在高超音速助推-滑翔技術(shù)之上，還可以很便捷地開(kāi)發(fā)出軍用高超音速運(yùn)輸機(jī)，以實(shí)現(xiàn)軍事力量的全球快速投送。2012年12月，德國(guó)宇航中心太空系統(tǒng)研究院透露，他們正在研究“太空航班”，能夠?qū)崿F(xiàn)在90分鐘內(nèi)飛抵世界的另一端——澳大利亞，這項(xiàng)新技術(shù)仍處在試驗(yàn)和明確基礎(chǔ)需求的階段。這一項(xiàng)目得到了歐盟的資金支持。“太空航班”試圖在發(fā)射前像航天飛機(jī)一樣采用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)垂直起飛，該軌道器將能承載50名乘客。起飛8分鐘后進(jìn)入滑翔階段，飛行速度可達(dá)20倍音速。飛行大約80分鐘后著陸在常規(guī)跑道。實(shí)際上，美國(guó)軍方也提出了類似的遠(yuǎn)程投送方案，高超音速助推一滑翔運(yùn)輸手段很可能首先應(yīng)用于軍事投送。endprint

高超音速轟炸機(jī)美國(guó)軍方設(shè)想的助推一滑翔高超音速轟炸機(jī)與X-37B類似。X-37B是波音公司為美軍研制的無(wú)人駕駛軌道試驗(yàn)飛行器（OTV-1），使用“宇宙神”5火箭發(fā)射，可在軌道運(yùn)行數(shù)月后自主著陸。未來(lái)的高超音速助推一滑翔轟炸機(jī)也使用火箭將其發(fā)射到大氣層外，然后利用空氣動(dòng)力滑翔，下降到一定高度后啟動(dòng)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)或火箭發(fā)動(dòng)機(jī)再次上升到大氣層外，如此反復(fù)跳躍直到目的地上空實(shí)施攻擊，然后再次利用滑翔或跳躍返回降落。

高超音速滑翔彈藥高超音速助推一滑翔武器技術(shù)還可以用在空天飛機(jī)投放的武器上，因?yàn)榭仗祜w機(jī)在太空中飛行的時(shí)候，如果投放的彈藥采用的是滑翔式的，可達(dá)到同樣效果。例如，美國(guó)HTV-1、HTV-2就用于驗(yàn)證CAV、ECAV技術(shù)。CAV及其增程型ECAV是一種高超音速再入、無(wú)動(dòng)力滑翔機(jī)動(dòng)彈藥布撒飛行器，主要用于遠(yuǎn)程常規(guī)精確打擊。CAV能攜帶454千克載荷飛行5560千米，ECAV的飛行距離可達(dá)16600千

技術(shù)難點(diǎn)

從目前情況看，高超音速助推一滑翔武器技術(shù)雖然可以回避高超音速巡航武器技術(shù)的一些障礙，但也存在著高超音速飛行的一些通用性技術(shù)障礙。例如，美國(guó)空軍在2012年11月提出的“國(guó)防科學(xué)技術(shù)愿景”要求在2020年前開(kāi)發(fā)高超音速打擊武器，并為此要解決飛行器推進(jìn)系統(tǒng)及其與機(jī)身集成相關(guān)的重大難題，關(guān)注的其它領(lǐng)域還包括電源與熱管理、制導(dǎo)與控制、結(jié)構(gòu)與材料、構(gòu)型與氣動(dòng)以及傳感器等。高超音速助推一滑翔武器主要存在以下幾方面技術(shù)障礙。

結(jié)構(gòu)與材料高超音速飛行器設(shè)計(jì)中遇到的一個(gè)巨大難題就是飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)與材料的選擇。因?yàn)轱w行器與空氣的摩擦熱量非常大，使機(jī)體材料可能發(fā)生膨脹形變，而機(jī)體內(nèi)不同材料的膨脹系數(shù)不同，形變程度也就有差別，而這細(xì)微的變化可能使高速飛行的飛行器發(fā)生振動(dòng)等情況，最終導(dǎo)致解體。美國(guó)多數(shù)高超音速驗(yàn)證機(jī)的頭部采用鎢材料，而鎢合金是當(dāng)前在反坦克穿甲彈上才采用的較高價(jià)值金屬材料，其它部位也采用了一些高價(jià)值材料，這使飛行器的單位成本居高不下。巡航導(dǎo)彈作為一種消耗性武器，成本不能太高，否則在以后裝備中各軍種難以接受，這就使高超音速巡航導(dǎo)彈的各種材料選擇處于兩難境地。目前美國(guó)科學(xué)家已將目光轉(zhuǎn)向具有多種功能的復(fù)合材料上?！矮C鷹”計(jì)劃中的HTV-1試驗(yàn)計(jì)劃多次推遲的原因之一就是因?yàn)榉职藽-CAT公司研制的碳基殼體的曲線前緣出現(xiàn)了剝離問(wèn)題，研制人員不得不采用前緣更薄的多片式殼體，使其更易制造和穩(wěn)定。此外，由于助推一滑翔飛行器比傳統(tǒng)的導(dǎo)彈彈頭增加了總的熱載荷和大氣層內(nèi)的氣動(dòng)控制，因而對(duì)材料和防熱系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。例如，HTV-2就不得不利用外部的碳一碳材料來(lái)滿足沿發(fā)射方向和橫向機(jī)動(dòng)的要求。而這些新材料的設(shè)計(jì)與加工難度相當(dāng)大，已經(jīng)成為阻礙高超音速助推一滑翔飛行器發(fā)展的主要障礙。

熱防護(hù)技術(shù) 當(dāng)飛行器以高超音速在大氣中飛行時(shí)，氣動(dòng)加熱嚴(yán)重。當(dāng)飛行速度達(dá)到8馬赫時(shí)，飛行器的頭錐部位溫度可達(dá)1800℃，其它部位的溫度也將在600℃以上。因此設(shè)計(jì)合適的熱載荷管理系統(tǒng)成為必須。對(duì)于熱防護(hù)一方面是選用長(zhǎng)壽命、耐高溫、抗腐蝕、高強(qiáng)度、低密度的輕質(zhì)材料。目前研制的和可能采用的新材料主要有輕金屬材料、金屬基復(fù)合材料、聚合物基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳-碳復(fù)合材料等。更重要的是在飛行器總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮熱防護(hù)因素。例如，綜合采用隔熱層、耐熱結(jié)構(gòu)材料，降低熱流，減少熱應(yīng)力、熱傳送和熱冷卻等多項(xiàng)措施，以解決熱防護(hù)問(wèn)題。2012年4月，美國(guó)獨(dú)立工程審查委員會(huì)公布了對(duì)HTV-2第二次飛行失敗的調(diào)查報(bào)告，報(bào)告顯示當(dāng)飛行器以每小時(shí)13000千米的速度飛行-時(shí)，外殼高溫材料受到超預(yù)期的外力作用而脫落，由此在飛行器周圍產(chǎn)生強(qiáng)大的脈沖沖擊波，導(dǎo)致飛行器突然墜毀。

雖然美國(guó)在2011年11月的“先進(jìn)高超音速武器”（AHW）項(xiàng)目首飛試驗(yàn)中取得成功，但此次試驗(yàn)只重點(diǎn)檢驗(yàn)了三大方面的部分指標(biāo)；用于該滑翔飛行器的空氣動(dòng)力，制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制，熱防護(hù)。這距離成熟的高超音速武器部署還有一定距離。但從美俄等國(guó)的努力看，助推一滑翔飛行器有望首先實(shí)現(xiàn)高超音速技術(shù)的武器化，而應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)部署。

空氣動(dòng)力控制確定飛行器上的氣動(dòng)力/熱載荷對(duì)于高超音速飛行器的設(shè)計(jì)是非常重要的。當(dāng)飛行器以高超音速飛行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)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。美國(guó)HTV-2高超音速飛行器在2010年4月試驗(yàn)失敗就是因?yàn)镠TV-2飛行控制系統(tǒng)故障——未正確確定的導(dǎo)彈重心以及升降舵和水平安定面的活動(dòng)性不足。據(jù)推測(cè)，導(dǎo)彈在飛行中開(kāi)始繞縱軸旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，受限制的控制系統(tǒng)不能恢復(fù)正常飛行。當(dāng)旋轉(zhuǎn)達(dá)到了程序規(guī)定的極限值時(shí)，導(dǎo)彈發(fā)生自毀。后來(lái)根據(jù)國(guó)防部的建議，對(duì)飛行器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改動(dòng)，其中包括移動(dòng)導(dǎo)彈重心，減小飛行中的迎角以及改進(jìn)控制元件等。由于現(xiàn)有的風(fēng)洞設(shè)備還不能較好地模擬高超音速飛行環(huán)境，計(jì)算流體力學(xué)和飛行試驗(yàn)也都存在很大的局限性，而且目前與高超音速空氣動(dòng)力/熱力學(xué)相關(guān)的理論、建模、研究方法、計(jì)算程序、驗(yàn)證手段等還有待研究，因此無(wú)法通過(guò)理論計(jì)算或地面試驗(yàn)對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行驗(yàn)證，只有通過(guò)昂貴復(fù)雜的飛行試驗(yàn)才能發(fā)現(xiàn)，這也是高超音速飛行器試驗(yàn)失敗率居高不下的主要原因。在經(jīng)過(guò)首次失敗后的調(diào)整后，HTV-2在第二次飛行期間經(jīng)歷了最初的沖擊波干擾，能夠恢復(fù)并繼續(xù)控制飛行，超過(guò)飛行器可承受設(shè)計(jì)的100倍。

制導(dǎo)與通信 助推一滑翔飛行器通常要在大氣層內(nèi)外不斷翻飛，也就是沿著大氣層作正弦曲線的往復(fù)飛行，而且高超音速飛行會(huì)產(chǎn)生大量氣動(dòng)加熱并在飛行器邊緣發(fā)生電離現(xiàn)象，這造成無(wú)線電通信障礙，并使大多數(shù)導(dǎo)彈制導(dǎo)模式失效。例如，美國(guó)HTV-2的兩次飛行試驗(yàn)失敗都是以失去通信聯(lián)絡(luò)為現(xiàn)象，而且每次都將等離子現(xiàn)象作為通信失聯(lián)的首要原因進(jìn)行排除。為此，美國(guó)空軍在2012年11月提出的“國(guó)防科學(xué)技術(shù)愿景”要求為2020年前開(kāi)發(fā)高超音速打擊武器，而發(fā)展新型的多模態(tài)尋的器、GPS拒止環(huán)境下高速制導(dǎo)系統(tǒng)等。endprint