高超音速武器漫談

王繼新

目前高超音速武器分為高超音速巡航和助推滑翔兩大類，這兩類飛行器的動力為什么都選擇超燃沖壓發(fā)動機？

王：要達到6馬赫以上的高超音速飛行，常規(guī)的吸氣式動力裝置已經難以支持。大家知道，噴氣發(fā)動機使用渦輪壓氣機壓縮空氣，然后在燃燒室里加注燃料，點火燃燒，從噴管里加速噴出，形成推力。然而在通常條件下，燃燒鋒面的擴散速度極限是音速，所以即使在超音速飛行時，噴氣發(fā)動機的氣流和燃燒也是亞音速的。進氣道的作用之一就是以盡可能小的損失將進氣減速到亞音速，但我們知道噴氣速度必須高于飛行速度，才可能提供推力。隨著速度的提高，這一“減速一加速”過程的損失越來越大，所以渦輪類的噴氣發(fā)動機速度難以超過3馬赫。普通的沖壓式噴氣發(fā)動機省卻了渦輪壓氣機，直接靠進氣的動壓壓縮空氣，但其空氣燃燒依然是亞音速的。要突破這個關口，只有采用超音速燃燒沖壓發(fā)動機。

目前各國發(fā)展高超音速技術主要選用的推進系統(tǒng)幾乎都是超燃沖壓發(fā)動機。與火箭發(fā)動機相比，沖壓發(fā)動機無需攜帶占據(jù)很大發(fā)射重量的燃料和氧化劑，因而航程更遠、結構重量更輕、可攜載荷更重。在高超音速范圍，超音速燃燒（簡稱超燃）是一種優(yōu)化的循環(huán)過程，不僅增加了熱力循環(huán)效率，還避免了滯留到亞音速時所引起的過高的壓力和溫度，對結構、材料和質量都能帶來好處。因此超燃沖壓發(fā)動機是高超音速巡航導彈的理想動力裝置，也是實現(xiàn)高超音速飛行的首要技術。

超燃沖壓發(fā)動機的難點在哪里？

王：一是啟動難，二是維持難。

剛才講過高速飛行器上一般都使用沖壓發(fā)動機，例如，美國著名的“黑鳥”高空高速偵察機。而沖壓發(fā)動機的啟動必須具備大氣層內的高速飛行條件，只有高速氣流在發(fā)動機內急劇減速，才可能使空氣在短時間內壓縮，產生高壓、高溫，引燃燃料，從而產生強大的推動力。像“黑鳥”在起飛時使用的是普通航空發(fā)動機，在高空到達一定速度時啟動沖壓發(fā)動機。而高超音速巡航飛行如果像“黑鳥”那樣，先用普通航空發(fā)動機完成低速段加速，再用其它類發(fā)動機完成中、高速段加速，則耗時過長，而且發(fā)動機系統(tǒng)也將過于復雜。因此，只有在起飛初期直接用火箭發(fā)動機完成助推段飛行，當速度到達一定值后再啟動超燃沖壓發(fā)動機。例如，美國X-51高超音速巡航飛行器就是掛在B-52飛機上，通過尾部的ATAMS火箭助推器將X-51加速到超燃沖壓發(fā)動機點火啟動速度。從2010年5月開始的X-51多次試驗飛行中，至少有兩次超燃沖壓發(fā)動機未能點火，導致試驗失敗，占到試驗失敗的50%。

保持超燃沖壓發(fā)動機的穩(wěn)定燃燒工作，難度也非常大。由于空氣和燃料的混合和燃燒時間極短，燃燒控制像騎著自行車來遙控從身邊極速駛過的高鐵一樣困難。超音速燃燒沖壓發(fā)動機的工作窗口極其狹窄，錯過一點點，超音速燃燒就不能維持。而且隨著燃燒的持續(xù)，發(fā)動機溫度升高，其燃燒環(huán)境也隨之改變，不及時補償?shù)脑?，也會破壞超音速燃燒的條件。目前美國最先進的X-51A飛行的持續(xù)時間也只有300秒，離實用化還差距很遠。

超燃沖壓發(fā)動機采用什么燃料？

王：由于燃料在超音速燃燒室中的停留時間不足1.5毫秒，碳氫燃料的釋熱效率只能達到85%。此外高超音速推進系統(tǒng)由于存在極強的熱負荷，還需要燃料本身在循環(huán)過程中對許多部件承擔冷卻任務。由于高超音速巡航導彈的液氫密度太小，要求的容積太大，直接增大導彈的起飛質量和飛行阻力，因此需要研制吸熱性好、能量密度高、可貯存的液體燃料、混合燃料和漿狀燃料。目前，美國研制和選擇了JP-10型航空燃料作為高超音速飛行器燃料。這種純液體碳氫燃料能在3～6馬赫的飛行條件下進行有效燃燒，已用于多種武器，如“戰(zhàn)斧”導彈。采用JP-10燃料使得發(fā)動機的設計比較簡單，無需復雜的熱交換器來吸收燃料供應的所有潛在能量，而且JP-10容易獲得，性能穩(wěn)定，無需易揮發(fā)、有毒的燃料添加劑，后勤支持更容易。

各國超燃沖壓技術發(fā)展現(xiàn)狀如何？

王：20世紀80年代以來，美、俄、法、日等國都開展了超燃沖壓發(fā)動機的理論研究和試驗。美國的NASA正在進行高超音速飛行器試驗計劃，以檢驗與機體一體化的雙模態(tài)沖壓發(fā)動機的全部性能，并將要進行飛行試驗。美空軍在使用碳氧燃料的性能試驗發(fā)動機多次完成地面驗證試驗后，已經采用X-51驗證飛行器多次實現(xiàn)空中超燃沖壓發(fā)動機的工作。美國防高級研究計劃局與澳大利亞聯(lián)合研制的高超音速驗證器成功進行了首次自由飛行試驗。

俄羅斯也已經完成了采用氫燃料的“冷計劃”超燃沖壓發(fā)動機的多次飛行試驗。1992年與德國聯(lián)合進行了二元燃燒室直連式試驗和縮比二元超燃沖壓發(fā)動機自由射流試驗，取得了進展。正在進行6～14馬赫沖壓發(fā)動機的工作性能試驗、發(fā)動機和機體結構耐熱性能試驗、全動力和無動力高超音速飛行動力學試驗等。

法國在上世紀90年代初即開始開發(fā)氫燃料超燃沖壓發(fā)動機技術。目前，法國正在研究碳氫燃料超燃沖壓發(fā)動機、用碳氫燃料和氫燃料的寬范圍沖壓發(fā)動機和用氫燃料的雙模沖壓發(fā)動機等3種方案。

此外，日本、巴西、印度等都在進行超燃沖壓發(fā)動機的研發(fā)?？偟目?，雙模態(tài)和雙燃燒室方案是目前最有發(fā)展前途的超燃沖壓發(fā)動機技術方案。

印度高超音速技術發(fā)展如何？

王：在2007年7月，印度國防研發(fā)組織就透露印度已開始在地面進行煤油作燃料的超燃沖壓發(fā)動機試驗，目前該機構正與印度高校合作研制高溫鎳鈷合金和碳復合材料，用于高超音速飛行器的熱防護。2009年11月，印度理工學院和印度國防研發(fā)組織透露正在開發(fā)高超音速導彈。這種導彈外形尺寸可以縮小很多，具備以超過5馬赫打擊5000千米遠目標的能力，還可作為一種低成本反衛(wèi)星手段。印度還希望這種高超音速導彈在投下彈藥后可飛回基地，重復使用。

2012年10月，印度國防研發(fā)組織稱印度計劃在12～18個月內進行首次高超音速技術驗證飛行器（HSTDV）飛行試驗。HSTDV項目旨在生產一種烴燃料超燃沖壓試驗件，飛行速度達到6-7馬赫，并可進行自主制導飛行。HSTDV將為研制高超音速巡航導彈及高速偵察平臺奠定基礎。據(jù)稱，以煤油為燃料的超燃沖壓發(fā)動機初步地面試驗已完成，目前正在進行與飛行器的集成工作。雖然研發(fā)團隊進行了大約10次發(fā)動機試驗，但尚未突破發(fā)動機燃燒持續(xù)20秒，20秒是初始飛行試驗中所需的運行試驗。此外，印度科學家卡拉姆也透露印度正在開發(fā)的“布拉莫斯”2導彈為一種全新的高超音速飛行器?？梢?，印度已全面啟動高超音速武器研制計劃。endprint

請談談高超音速飛行器外形設計

王：在飛行器發(fā)展歷史上，飛行器外形設計為突破音障發(fā)生了較大的變化，也造就了現(xiàn)代飛機后掠翼、三角翼的基本模式，特別是對飛機機體和機翼構造的影響非常大。而高超音速飛行器的飛行要跨越亞音速、音速、超音速3個階段才能進入高超音速，飛行速度的范圍非常寬。同時飛行器要從稠密的大氣層沖向稀薄大氣層，空氣密度變化很大，高超音速飛行器外形設計必須適應這些變化而穩(wěn)定飛行。由于超高速飛行的數(shù)據(jù)積累非常少，難以預想的因素很多，難以進行數(shù)學計算，同時，目前飛行器設計必須采用的風洞又很難創(chuàng)造稀薄空氣下的超高速飛行環(huán)境，這就使外形設計更困難。

高超音速飛行器為克服熱障，需要精心設計飛行軌道和氣動外形，使其在不影響或少影響飛行器性能的情況下，盡可能降低進入飛行器的氣動加熱率（熱流）。不同類型和用途的再入航天器，其飛行軌道和氣動外形有很大不同。彈道導彈彈頭要求以最快的速度命中目標，于是采用小鈍頭細長形氣動外形（尖頭外形不行，因為不管用什么材料制造都將很快被燒鈍）以減小阻力和速度損失，并采用與地平面很大夾角（再入角）的飛行軌道以縮短再入航程。但這樣一來，它們就要承受最嚴酷的短時間高熱流氣動加熱。而返回式衛(wèi)星或宇宙飛船，返回時間長短不是其主要性能指標，于是采用小再入角、緩慢減速的軌道以及大鈍頭體的飛行器外形以降低加熱率（加熱率與頭部曲率半徑的平方根成反比），從而形成低熱流長時間的氣動加熱環(huán)境。當然，這樣做的另一考慮是，不使飛行器的過載超過宇航員所能承受的程度（一般認為不應超過5g）。而高超音速飛行器既要滿足下滑時快速加速，又要滿足滑翔巡航中的氣動可控性，還要克服氣動加熱問題。X-51A采用的乘波體是一種較有前途的設計。它在高空中不用機翼而是用機體本身形成升力。其通過高速運動壓縮飛行器前的空氣，在飛行器前端會產生激波現(xiàn)象，這種激波不僅是阻力的源泉，也是飛行器在激波的鋒面背后產生升力的載體，就像高速沖浪板的運動與漂浮一樣，這就是乘波體。乘波體在大氣層內靠壓縮升力和激波升力飛行，可以較好地解決阻力與升力的問題，也可以協(xié)調飛行器一體化設計問題。

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請談談對高超音速武器如何防御。

王：高超音速武器的軍事優(yōu)勢都是相對于其它類型武器和過去的防御技術而言的。它也存在著其固有的缺陷，這成為未來對其防御的基礎。

高超音速武器的缺陷之一是信號特征明顯。高超音速巡航導彈根本做不到隱身，原因有兩個方面。

一是巡航高度很高。由于空氣對導彈的阻力或說能量消耗與空氣密度成正比，為使導彈飛得遠，巡航高度通常選擇在中高空發(fā)射和巡航飛行，而這個高度是最易被敵方預警雷達或預警機發(fā)現(xiàn)的。例如，目前主要用于探測彈道導彈的X波段相控陣雷達即使在地面，對于X-51這樣飛行高度為40千米的高超音速巡航導彈，理論上的探測距離可達到近800千米，這可留給地面攔截武器足夠的反應時間。

二是雷達和紅外信號特征明顯。2～3馬赫超音速方案的雷達散射截面通常為亞音速方案的10倍以上，在3-5微米的短波長紅外區(qū)內，其紅外信號特征通常為亞音速方案的20～50倍。高超音速巡航導彈的雷達和紅外信號特征更是隨著速度的增高顯著增加，這更會過早暴露飛行航跡。

高超音速武器的缺陷之二是飛行機動性差。當導彈以機動飛行避開敵方的迎頭攔截和電子干擾時，由于導彈的轉彎半徑與飛行馬赫數(shù)的平方成正比，因此高超音速飛行時其法向過載將大幅增高，導彈機動過載大的情況下阻力會急劇增加，不僅影響了射程，而且對彈體強度提出了很高要求。

針對這些缺陷，國外已開始開發(fā)對高超音速武器的防御技術。在2008年3月，俄空軍30中央科學研究所所長巴雷科就透露，該所正在改進米格-31以滿足打擊高超音速飛行器的要求。巴雷科指出，改造后的米格-31將配備遠距空空彈。其打擊隱身飛機、巡航導彈及高超音速飛行器的能力大體能提高50%至4倍。此外，印度國防研究與發(fā)展組織發(fā)言人薩拉斯瓦特在2010年3月也透露，印度已開始研制新型遠程雷達和高超音速攔截導彈，以加強反導攔截網的空中攔截能力。

什么武器適宜攔截高超音速武器？

王：目前尚未有國家建立高超音速飛行器攔截體系。從目前防空與反導武器看，防空系統(tǒng)主要攔截飛行高度小于20千米的航空器，世界上所有攔截航空器的地空導彈的最大高界均小于30千米。而高超音速巡航導彈和彈道導彈的飛行高度和飛行速度更接近，這就給反彈道導彈目標攔截器攔截高超音速巡航導彈帶來了可能，但高超音速巡航導彈最大機動過載遠大于彈道導彈目標，這又給反彈道導彈攔截器攔截高超音速巡航導彈帶來了挑戰(zhàn)。總的未說，反彈道導彈攔截系統(tǒng)無論是配套的探測系統(tǒng)能力，還是攔截導彈的飛行高度和速度，都更接近攔截高超音速武器的要求，因此可以以反彈道導彈攔截系統(tǒng)為基礎發(fā)展高超音速武器攔截武器系統(tǒng)。

現(xiàn)有反導攔截武器能否應對？

王：經過改造是可能實現(xiàn)攔截的。我們以美軍主力的陸基THAAD和?；鵖M-3反導系統(tǒng)為例來看其是否可實現(xiàn)攔截。對THAAD而言，要攔截X-51這樣的目標存在兩個缺陷：攔截高度下限過高和末制導方式。X-51在25-40千米的高度范圍內飛行，而SM-3的攔截高度下限在80千米以上，THAAI）的攔截高度下限在60千米以上，針對此高度以下至20千米高度以上的空域還是防御空白。攔截彈采用高拋彈道時會高于40千米，如果末制導只采用紅外系統(tǒng)，向下探測X-51之類的目標時，復雜的地面紅外背景輻射會給目標探測帶來極大困難，不利于捕捉并碰撞目標，因此應采用多模末制導方式。對于攔截速度，由于X-51的巡航速度可能達到6-9馬赫，所以攔截彈的速度不應低于6馬赫，攔截距離不應小于200千米。SM-3的情。況類似于THAAD?？梢钥闯?，攔截彈需改進攔截高度到20-45千米，調整攔截速度大于6馬赫，調整攔截距離為大于200千米。這些指標對于THAAD和SM-3攔截導彈都可通過技術改造實現(xiàn)。endprint