國外高超聲速飛行器發(fā)展概況

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國外高超聲速飛行器發(fā)展概況

Development Situation of Foreign Hypersonic Vehicles

唐耀秦雷（北京航天情報與信息研究所）

隨著世界軍事格局發(fā)生深刻變革，戰(zhàn)爭日益由傳統(tǒng)以人為主體的作戰(zhàn)模式轉(zhuǎn)換到無人參與的作戰(zhàn)模式，因此各國均把速度更快、機動能力更強的高超聲速飛行器技術(shù)作為未來重點發(fā)展的研究方向。近年，國外臨近空間飛行器技術(shù)發(fā)展迅速，美國X-51A計劃和“兵力運用與本土發(fā)射”（FALCON）高超聲速飛行器計劃取得顯著成果。

1　引言

臨近空間高超聲速飛行器作為新一代進攻型武器，是美國全球快速打擊的重要組成部分，以臨近空間武器為代表的全球快速打擊武器成為支撐美國新“三位一體”戰(zhàn)略中“非核遠程打擊”的重要選擇。

臨近空間武器將在未來作戰(zhàn)中充當(dāng)“開路先鋒”，先期負責(zé)摧毀現(xiàn)有防空反導(dǎo)武器核心節(jié)點，成為新一代攻擊體系骨干裝備。美、俄、印、法、英、德、澳、日等國已加緊推動相關(guān)技術(shù)研發(fā)，其陸續(xù)裝備部署，將給世界軍事格局與軍力對比帶來深遠影響。

2009年美國提出“空海一體戰(zhàn)”計劃，旨在遏制中國的軍事力量，特別提出要有“戰(zhàn)略突防”和“1小時遠距離精確打擊”能力，以“確保繼續(xù)進入和控制西太平洋地區(qū)”，臨近空間武器成為美軍發(fā)展應(yīng)對“反介入/區(qū)域拒止”能力的重要選擇。

臨近空間武器旨在打擊“時敏、高價值、決定性”的目標(biāo)，具有高速度、強機動、高精度、超遠程、強突防等特點，具體如下：

1）高速度：高超聲速巡航導(dǎo)彈飛行速度在馬赫數(shù)5以上，滑翔彈頭最大速度可達馬赫數(shù)20；

2）強機動：滑翔彈頭橫向機動距離可達射程1/3，飛行過程中可變更打擊目標(biāo)；

3）高精度：米級精度，實現(xiàn)“點穴式”打擊；

4）超遠程：射程數(shù)千千米到上萬千米；

5）強突防：飛行速度快，壓縮系統(tǒng)反應(yīng)時間；機動能力強，增大攔截難度，典型飛行高度在現(xiàn)有防御系統(tǒng)主要防區(qū)之外。

美軍提出臨近空間武器主要包括高超聲速巡航導(dǎo)彈、高空高超聲速作戰(zhàn)飛機、高超聲速滑翔彈頭等。

2　國外高超聲速飛行器發(fā)展現(xiàn)狀

美國

最早開展高超聲速飛行器研究的是美國，其研究工作開始于20世紀50年代。美國在多個項目中進行了地面試驗和飛行試驗，將高超聲速飛行器技術(shù)的研究從概念和原理探索階段推進到以實際應(yīng)用為背景的先期武器開發(fā)階段。迄今為止，美國實施過的研究計劃有：“國家空天飛機”（NASP）計劃，“高超聲速試驗”（Hyper-X）計劃，“高超聲速飛行”（HyFly）計劃，X-51A計劃，兵力運用與本土發(fā)射高超聲速飛行器-2（FALCON HTV-2）計劃和“常規(guī)打擊導(dǎo)彈”（CSM）計劃等。

X-51A飛行假想圖

X-51A結(jié)構(gòu)示意圖

X-51A結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)

（1）X-51A計劃

2005年7月，美國空軍將X-51A計劃列入X-Plane系列中，命名為X-51A超燃沖壓發(fā)動機演示器-乘波飛行器，又稱為“乘波者”（Wave Rider）。X-51A中的字母“A”表示是X-51飛行器系列中的第一個飛行器設(shè)計方案，后續(xù)可能采用不同的助推裝置或飛行器推進方案，將被命名為X-51B、X-51C等。

X-51A飛行試驗發(fā)射準備

X-51A飛行器由巡航體、級間、助推器三個部分組成。其是由“可負擔(dān)的快速響應(yīng)導(dǎo)彈驗證器”（ARRMD）計劃研制的截短的乘波體機身發(fā)展而來的，外形主要由楔形頭部、腹部進氣道和控制面組成。助推器是經(jīng)改造的洛克希德－馬丁公司陸軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈。該飛行器長約7.62m，質(zhì)量1780kg，最大寬度0.584m，速度大于5793.6384km/h，飛行距離大于740.8km，升限大于21336m。

美國軍方空軍實驗室透露，該技術(shù)將直接用于高超聲速巡航導(dǎo)彈中。該導(dǎo)彈能以最高馬赫數(shù)7 在30km以上的高空進行巡航。有效覆蓋距離約達804.5km，并能用于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和戰(zhàn)略導(dǎo)彈的攻防對抗。較高的巡航速度使其能更為快速地打擊目標(biāo)，同時，較大的動能可以使其能夠有效摧毀較為堅固的目標(biāo)。

2010年5月26日，美國空軍在加利福尼亞南部海岸進行了X-51A的首次自由飛行試驗，掛載在空軍試飛中心B-52H“同溫層堡壘”轟炸機的左側(cè)機翼下，在飛行到穆古角海軍空戰(zhàn)中心海上靶場上空大約15240m高度時，投放試飛器。4s后，由美國陸軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈固體助推火箭將X-51A 加速到大約馬赫數(shù)4.5，隨后投放試飛器連同級間段。X-51A的發(fā)動機使用乙烯和JP-7航空燃料混合物點火。經(jīng)過短時間后，X-51A過渡到只使用JP-7航空燃料。此次飛行達到約21336m高度和約馬赫數(shù)5的速度，續(xù)航時間大于200s。機載傳感器將數(shù)據(jù)傳輸給美國海軍一架P-3“獵戶座”（Orion）空中載機和位于穆古角、愛德華茲和范登堡空軍基地的地面系統(tǒng)。在超燃沖壓發(fā)動機工作140s后，測試人員發(fā)現(xiàn)部分傳感器異常，但發(fā)動機仍在工作，隨后其與地面遙測數(shù)據(jù)鏈路中斷，迫使控制人員在200s時啟動了自毀程序。美國空軍參謀長認為X-51A飛行試驗的成功是空軍裝備劃時代的里程碑。

2011年6月13日，X-51 A進行了第二次飛行試驗。這次試驗飛行地點與第一次飛行試驗相同，X-51A掛在B-52飛機上，從愛德華空軍基地起飛，在穆古角海軍空戰(zhàn)中心的海上靶場高空約15.24km釋放。在助推級點火后，成功將飛行器加速至馬赫數(shù)5。超燃沖壓發(fā)動機成功點火，采用乙烯和JP-7混合燃料進行工作，但在隨后將燃料完全切換至JP-7時，進氣道未啟動，最終未能轉(zhuǎn)化為滿功率運行。在此期間，飛行器曾嘗試重新啟動發(fā)動機，并調(diào)整姿態(tài)取向以優(yōu)化發(fā)動機的啟動狀態(tài)，但均未成功，由于故障，飛行僅持續(xù)了9.5s。隨后飛行器沿可控的方向飛行，并最終墜入海中。

雖然這次試驗未能圓滿成功，但其為高超聲速研究提供了重要的數(shù)據(jù)。據(jù)悉，美國波音公司和普惠火箭公司共生產(chǎn)了4架X-51A試驗飛行器，并希望能達到馬赫數(shù)6的飛行速度。

格林尼治時間2012年8月15日17:00～18:00（北京時間2 0 1 2年8月1 5日0 1 : 0 0～0 2 : 0 0），X-51A進行了第3次飛行試驗。按照計劃，X-51A將搭乘B-52轟炸機從愛德華空軍基地起飛，然后在太平洋上空約15.24km高度被釋放，飛機脫離轟炸機后，發(fā)動機將點火。項目官員們原指望X-51A的超燃沖壓發(fā)動機能在維持5min的馬赫數(shù)6高超聲速飛行之后才落入太平洋。但實際飛行過程中，X-51A乘波者飛行器雖然按計劃實現(xiàn)了與載機的成功分離，助推火箭也實現(xiàn)了點火，但是巡航級舵面出現(xiàn)故障，級間分離后巡航級失去控制，X-51A在16s后就垂直墜進了太平洋。

2013年5月2日，X-51 A進行了第4次飛行試驗，實現(xiàn)了其首次成功飛行試驗。此次X-51A飛行試驗有動力飛行240s，飛行最大高度18.288km，最大速度馬赫數(shù)5.1，航程426km。

X-51A由B-52H母機掛載，從位于加利福尼亞州的愛德華空軍基地起飛，在高度為15.24km時，飛行器與B-52載機分離；助推器點火工作約26s后，飛行器速度達到馬赫數(shù)4.8，助推級和巡航級分離；超燃沖壓發(fā)動機點火工作，有動力飛行240s，最終在18.3km高度達到最大速度馬赫數(shù)5.1狀態(tài)，之后轉(zhuǎn)入無動力滑翔。整個飛行過程持續(xù)傳回遙測信號，最終獲得了370s的試驗數(shù)據(jù)。

盡管X-51 A作為一個技術(shù)演示驗證項目，仍處于試驗與發(fā)展階段，但從目前發(fā)展看，其作為美國研究高超聲速飛行器的關(guān)鍵計劃之一，是離工程化應(yīng)用最為接近的高超聲速飛行器之一，其自由飛行的成功，將使超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)向?qū)嵱没~出重要一步，X-51A的研究成果將被應(yīng)用到由美國空軍研究實驗室（AFRL）近期提出的高速打擊武器（HSSW）演示驗證項目的研究中。預(yù)計2015年前后，以X-51A為基礎(chǔ)的高超聲速巡航導(dǎo)彈形成初始作戰(zhàn)能力，X-51+也列入了2015年后規(guī)劃中的飛行試驗。

（2）“兵力運用與本土發(fā)射”計劃

美國國防高級研究計劃局（D A R P A）和美國空軍于2 0 0 2年推出“兵力運用與本土發(fā)射”（FALCON）計劃，其目的是使美軍具備能夠?qū)θ蛉魏蔚攸c進行快速打擊和兵力投送的能力。2005年，美國國防高級研究計劃局和美國空軍按照國會的意向，將“兵力運用與本土發(fā)射”計劃中的“通用航空飛行器”（CAV）重新命名為“高超聲速飛行器”（HTV），去除了其中有關(guān)武器化的內(nèi)容?！案叱曀亠w行器”包括高超聲速飛行器-1、2和3，通過一系列飛行試驗來驗證高超聲速滑翔飛行技術(shù)，目前已經(jīng)進展到高超聲速飛行器-2階段。

“高超聲速飛行器”將由類似“人牛怪”的運載火箭將其推進到240～300km的高度，隨后“高超聲速飛行器”與運載器分離并再入大氣層?！案叱曀亠w行器”沒有安裝發(fā)動機，但裝有導(dǎo)航控制系統(tǒng)，再入地球大氣層時的最大速度可達馬赫數(shù)20，能在數(shù)小時內(nèi)打擊全球任何目標(biāo)。

2009年，美國軍方授予洛馬公司一項計劃：改進高超聲速飛行器-2的設(shè)計，使之能容納武器。已經(jīng)完成兩架試驗用驗證機的建造（高超聲速飛行器-2a和2b）。

2010年4月22日，高超聲速飛行器-2a完成了首次高超聲速滑翔試驗，實現(xiàn)了馬赫數(shù)20下可控飛行。但高超聲速飛行器-2a在飛行9min后失控，據(jù)報道可能是再入大氣層時溫度過高，摧毀了飛行器。未來設(shè)計能滑翔3000s，縱向滑翔16668km。

高超音速飛行器-2從運載火箭分離

2011年8月11日，高超聲速飛行器-2進行了第二次高超聲速滑翔試驗，實現(xiàn)了馬赫數(shù)20下可控飛行。此次試驗雖未能實現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)，但飛行時間比第一次有了較大提升。雖然美國目前沒有再次制造高超聲速飛行器-2的計劃，但高超聲速飛行器-2未能完全驗證的關(guān)鍵技術(shù)將會在基于高超聲速飛行器的技術(shù)而發(fā)展的“常規(guī)打擊導(dǎo)彈”計劃中得到驗證。未來計劃是以高超聲速滑翔彈頭為依托繼續(xù)發(fā)展“戰(zhàn)術(shù)助推滑翔”（TGB）計劃，該項目總價值為2600萬美元，該項目的目的是在未來五年內(nèi)驗證與高超聲速助推滑翔飛行器有關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。未來還計劃開展X-Plane計劃，該計劃已經(jīng)被列入規(guī)劃中的飛行試驗。目前美國正開展第三架高超聲速滑翔彈頭集成工作，已經(jīng)調(diào)整完高超聲速滑翔彈頭質(zhì)心位置，未來設(shè)計能滑翔3000s，縱向滑翔16668km。

（3）“先進高超聲速武器”計劃

除美國空軍外，美國陸軍也啟動了“先進高超聲速武器”（AHW）計劃，用于實現(xiàn)遠距離快速投放常規(guī)武器實施打擊。AHW計劃是美國陸軍提出用于實現(xiàn)常規(guī)全球快速打擊計劃的滑翔彈頭，可部署在關(guān)島、印度洋迪戈加西亞和波多黎哥。與“常規(guī)打擊導(dǎo)彈”計劃和高超聲速飛行器-2計劃相比，對“先進高超聲速武器”計劃的報道甚少。該飛行器采用美國海軍“海神”彈道導(dǎo)彈的助推級STARS，并帶有精確制導(dǎo)系統(tǒng)。該武器采用圓錐體加四個襟翼的構(gòu)型，并具有較強的機動能力，能夠繞過第三方國家實施打擊，射程比高超聲速滑翔彈頭短，能在35min內(nèi)到達6000km以外目標(biāo)，命中精度在10m以內(nèi)。美國國防部認為陸軍的這一計劃有助于為降低空軍“全球快速打擊計劃”（CPGS）的風(fēng)險提供支持。與高超聲速飛行器-2計劃相比，“先進高超聲速武器”計劃技術(shù)風(fēng)險更低，將更早形成威脅。

美國對該計劃進行了兩次飛行驗證試驗。2011 年11月17日，AHW的首次飛行試驗獲得成功，試驗射程達4600km，2014年開展了第二次飛行試驗，但是試驗失敗。 據(jù)報道，AHW正在開展3900km、7000km、9000km等多種射程的助推級方案論證，還計劃發(fā)展空基、?；?、潛射等多種類型。

（4）高空高超聲速作戰(zhàn)飛機

除了助推-滑翔飛行器發(fā)展計劃，美國還研發(fā)了一款高空高超聲速作戰(zhàn)飛機，代號為SR-72，它是一款集情報搜集、偵察、監(jiān)視和打擊等多種作戰(zhàn)能力于一體的高超聲速飛行器，2013年11月，美國洛馬公司“臭鼬工廠”正式發(fā)布SR-72戰(zhàn)機概念，預(yù)計于2025-2030年前形成初始作戰(zhàn)能力。其飛行高度為25～40km，飛行速度為馬赫數(shù)6。

SR-72高空高超聲速作戰(zhàn)飛機

俄羅斯

原蘇聯(lián)及俄羅斯非常重視發(fā)展高超聲速飛行器技術(shù)，現(xiàn)今，其高超聲速飛行器技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。先后實施了“冷”計劃、“針”計劃、彩虹-D2計劃、“鷹”計劃和鷹-31計劃等高超聲速計劃。目前，俄羅斯有多家機構(gòu)致力于高超聲速技術(shù)基礎(chǔ)理論研究，在亞燃/超燃沖壓發(fā)動機、碳/氫燃料、耐高溫材料、計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)及一體化設(shè)計技術(shù)等方面取得了重大突破，并且已經(jīng)進入了高超聲速技術(shù)飛行驗證階段。

3　結(jié)語

臨近空間作為人類目前不斷探索的未知空間，也是目前世界高科技的新制高點。需要重視臨近空間相關(guān)技術(shù)發(fā)展，做好相關(guān)技術(shù)儲備，使其帶動相關(guān)技術(shù)進步，提升武器系統(tǒng)發(fā)展水平，在該領(lǐng)域擁有屬于自己的話語權(quán)。