從“銀鳥”到航天飛機(jī)

雪松

“銀鳥”和錢學(xué)森彈道

1933年，德國(guó)科學(xué)家桑格爾提出了名為“銀鳥”的高超音速飛行器概念。它使用液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)助推加速到高超音速，隨后以減振幅曲線般的跳躍軌跡進(jìn)行高超音速滑翔。這是助推-滑翔概念最早的設(shè)想。

受此影響，當(dāng)時(shí)供職于美國(guó)加州理工學(xué)院的錢學(xué)森提出了助推-滑翔的高超音速洲際運(yùn)輸系統(tǒng)概念，成為美國(guó)助推-滑翔領(lǐng)域的開創(chuàng)者。雖然同為助推-滑翔概念，桑格爾和錢學(xué)森的概念卻大相徑庭，他們的不同主要在再入滑翔段。桑格爾擔(dān)心“銀鳥”的熱防護(hù)系統(tǒng)無(wú)法承受長(zhǎng)時(shí)間高超音速滑翔帶來(lái)的高溫，設(shè)計(jì)了多次跳躍的再入跳躍滑翔彈道，周期性地回到宇宙里降溫。而錢學(xué)森的火箭飛機(jī)則用十分平滑的下降軌跡。后世將兩種不同的助推-滑翔形式分別命名為桑格爾彈道和錢學(xué)森彈道。

貝爾航空公司在1951年借鑒錢學(xué)森的設(shè)計(jì)，提出高超音速助推-滑翔軍用飛行器，得到了美國(guó)空軍的關(guān)注。 1954年美國(guó)空軍和貝爾航空公司簽訂合同，開展了轟炸機(jī)-導(dǎo)彈（BOMI）項(xiàng)目的研究。BOMI的思路是用火箭將一架轟炸機(jī)送入太空，隨后轟炸機(jī)再入，進(jìn)行無(wú)動(dòng)力高超音速滑翔，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行攻擊。后來(lái)的航天飛機(jī)再入過(guò)程與BOMI的設(shè)想基本一樣。根據(jù)貝爾航空公司的研究報(bào)告，助推-滑翔式高超音速飛行器是可行的，而且具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

但BOMI并沒有直接轉(zhuǎn)化為實(shí)際的助推-滑翔工程，美國(guó)第一個(gè)成功進(jìn)入工程研制的助推-滑翔飛行器試驗(yàn)項(xiàng)目是麥道公司的WS-199D項(xiàng)目（又稱阿爾法-達(dá)拉科）。經(jīng)過(guò)1957年和1958年的緊張研制，1959年WS-199D進(jìn)行了試驗(yàn)，總共三次試驗(yàn)，兩次獲得成功。WS-199D武器系統(tǒng)是一種二級(jí)固體火箭推動(dòng)的試驗(yàn)型導(dǎo)彈。第一級(jí)點(diǎn)火工作后將WS-199D送入高空，導(dǎo)彈進(jìn)入滑翔階段后第二級(jí)點(diǎn)火工作。WS-199D的設(shè)計(jì)要求并不高，它使用固體火箭飛行到30千米高空，最高速度高于馬赫數(shù)5，隨后依靠氣動(dòng)高速滑翔，最終在390千米外俯沖落地。WS-199D主要的意義在于以實(shí)際試驗(yàn)證明了助推-滑翔概念的可行性，試驗(yàn)證明它的升阻比約為1到3.5，有很明顯的增程效果，三次試驗(yàn)還積累了高超音速氣動(dòng)和熱防護(hù)材料的技術(shù)，為未來(lái)的高超音速助推-滑翔試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

X- 20“動(dòng)力翱翔”

1957年美國(guó)空軍啟動(dòng)了X-20“動(dòng)力翱翔”項(xiàng)目，它可以看成是BOMI概念的衍生物。X-20設(shè)計(jì)上具有多種用途，包括偵察、轟炸、衛(wèi)星維護(hù)、反衛(wèi)星和太空救生。不過(guò)“動(dòng)力翱翔”這個(gè)名字已經(jīng)指出了它的主要用途：助推-滑翔的偵察和轟炸任務(wù)。

雖然貝爾航空公司有BOMI報(bào)告的基礎(chǔ)，但波音公司搶到了研制合同。1960年3月波音公司完成了X-20高超音速飛行器的總體設(shè)計(jì)，它使用下單翼布局的三角翼，并用翼尖小翼進(jìn)行方向控制。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，它的機(jī)身使用通用電氣公司的Rene 41鎳基防熱合金，底部除了Rene 41鎳合金，還增加了鉬箔層加強(qiáng)防熱能力，機(jī)鼻材料使用了耐高溫的石墨和氧化鋯。

美國(guó)空軍對(duì)X-20的目標(biāo)搖擺不定，導(dǎo)致X-20設(shè)計(jì)不斷變動(dòng)，拖到1961年才選擇“大力神”ⅢC火箭來(lái)發(fā)射X-20。由于項(xiàng)目花費(fèi)太多和技術(shù)難度太高，最終在1963年12月被國(guó)防部長(zhǎng)麥克納馬拉取消。

X-20項(xiàng)目并非一無(wú)所獲，它是當(dāng)時(shí)最接近實(shí)際飛行的項(xiàng)目，其基礎(chǔ)研究在高超音速技術(shù)的發(fā)展上具有重大而深遠(yuǎn)的意義。為了驗(yàn)證X-20高超音速飛行器的熱防護(hù)技術(shù)，美國(guó)空軍授予麥道公司合同，進(jìn)行名為航空熱動(dòng)力（ASSET）的研究項(xiàng)目。

ASSET飛行器具有輻射冷卻能力，整體外形和X-20相似并使用大致相同的熱防護(hù)技術(shù)，機(jī)鼻也具有耐 2200℃高溫的能力。1963年9月18日ASSET試驗(yàn)飛行器繼續(xù)了首次試飛，最高速度達(dá)到了4.9千米/秒，飛行彈道頂點(diǎn)62千米，驗(yàn)證了熱防護(hù)系統(tǒng)的有效性，有趣的是它闖過(guò)了高超音速滑翔和防熱的關(guān)口，卻在落水后沒能浮起來(lái)，導(dǎo)致回收失敗。

從1963年到1965年，ASSET進(jìn)行了6次試飛。除了第二次火箭上面級(jí)故障試驗(yàn)飛行器自毀外，其他的試驗(yàn)中都成功完成了再入高超音速飛行，為美國(guó)高超音速技術(shù)的發(fā)展積累了豐富氣動(dòng)加熱經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

“魚鰾”項(xiàng)目

X-20的失敗并沒有打消美國(guó)對(duì)助推-滑翔技術(shù)的濃厚興趣。美國(guó)中央情報(bào)局在討論著名的“牛車”A-12高空高速偵察機(jī)的替換型號(hào)時(shí)，提出了名為“魚鰾”項(xiàng)目的計(jì)劃?？滴譅柟咀畛鯙橹岢龅脑O(shè)計(jì)是一種馬赫數(shù)4～5的高空高速飛機(jī)，但論證認(rèn)為它的突防能力相對(duì)現(xiàn)有飛機(jī)提高有限。于是麥道公司腦洞大開地提出了一個(gè)指標(biāo)十分高大上的助推-滑翔方案。

這是一種火箭動(dòng)力助推并擁有高升阻比的高超音速飛行器，它將搭載B-52轟炸機(jī)空中發(fā)射，隨后用普惠公司研制的XLR-129可重復(fù)使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)加速到20倍音速。它曾經(jīng)在61千米的高空以高超音速滑翔掠過(guò)蘇聯(lián)上空，然后繼續(xù)飛過(guò)北太平洋并最終在內(nèi)華達(dá)州的馬夫湖著陸。麥道公司認(rèn)為這個(gè)助推-滑翔式高超音速偵察機(jī)方案在周轉(zhuǎn)周期和快速反應(yīng)能力上都遠(yuǎn)高于偵察衛(wèi)星，模擬還顯示它在當(dāng)時(shí)是無(wú)法攔截的，哪怕是使用核戰(zhàn)斗部的防空反導(dǎo)導(dǎo)彈都對(duì)它鞭長(zhǎng)莫及。

這個(gè)愿景看起來(lái)不錯(cuò)，但評(píng)估顯示它的研制采購(gòu)經(jīng)費(fèi)是個(gè)天文數(shù)字。據(jù)稱8架飛機(jī)就需要1965年幣值的26億美元。無(wú)論是中央情報(bào)局還是國(guó)家偵察辦公室都無(wú)法拿出那么多預(yù)算支持這種高不可攀的偵察機(jī)，于是它在圖紙上就被攔截了。麥道公司也曾向美國(guó)空軍推銷“魚鰾”，但同樣遭到拒絕，最終1967年取消了項(xiàng)目。

X- 23 PRIME

“魚鰾”無(wú)疾而終，但同時(shí)代的X-23“包括機(jī)動(dòng)式再入的精確再入”卻進(jìn)行了成功試驗(yàn)。X-23的目標(biāo)是研究再入后的高超音速機(jī)動(dòng)滑翔能力，尤其是橫向機(jī)動(dòng)能力。X-23是一個(gè)小型升力體再入飛行器，高超音速升阻比約1，最高速度約馬赫數(shù)25。

它從1966年到1967年總計(jì)進(jìn)行了3次飛行試驗(yàn)。第一次沒有進(jìn)行橫向機(jī)動(dòng)卻由于降落傘故障墜入太平洋。第二次試驗(yàn)中成功進(jìn)行了高達(dá)1053千米的橫向機(jī)動(dòng)，但沒能回收。第三次試驗(yàn)不僅圓滿的進(jìn)行了1143千米的橫向機(jī)動(dòng)，還順利回收。X-23項(xiàng)目讓美國(guó)掌握了珍貴的高超音速滑翔數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

其它助推-滑翔技術(shù)試驗(yàn)和成果

洲際彈道導(dǎo)彈出現(xiàn)后，美國(guó)暫停了洲際巡航導(dǎo)彈的進(jìn)一步發(fā)展。偵察衛(wèi)星也取代了昂貴并且看不到曙光的助推-滑翔式偵察機(jī)。不過(guò)洲際導(dǎo)彈面臨突防困難和打擊精度不足的問題，所以美國(guó)空軍一直沒有放棄助推-滑翔技術(shù)的研究。

美國(guó)空軍使用“宇宙神”（Atlas）導(dǎo)彈作為助推火箭，開展了先進(jìn)彈道再入系統(tǒng)（ABRES）計(jì)劃，這個(gè)計(jì)劃下進(jìn)行了包括MBRV（彈道導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)再入飛行器）和BGRV（助推滑翔再入飛行器）等多個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目。

MBRV和BGRV都驗(yàn)證了高超音速再入飛行技術(shù)，但兩個(gè)項(xiàng)目的側(cè)重點(diǎn)有所不同。MBRV側(cè)重于通過(guò)再入機(jī)動(dòng)在彈頭再入階段躲避敵方的反導(dǎo)攔截彈，它還進(jìn)行了末制導(dǎo)的嘗試以實(shí)現(xiàn)更高的命中精度。BGRV同樣通過(guò)再入機(jī)動(dòng)獲得更好的精度，但它更偏重以較高的升阻比進(jìn)行高超音速滑翔達(dá)到增程的目標(biāo)，并通過(guò)高速滑翔獲得更好的載荷投擲能力。設(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)的不同導(dǎo)致了要求的不同，MBRV研究重點(diǎn)是突防要求高機(jī)動(dòng)性，理論上要實(shí)現(xiàn)100g的機(jī)動(dòng)能力，這對(duì)再入滑翔彈頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求很高。而BGRV重點(diǎn)是滑翔增程，彈頭承受的過(guò)載只有10到20g之間。

美國(guó)空軍早在1963年3月1日就進(jìn)行了ABRES計(jì)劃下的REX-1試驗(yàn)，此后又進(jìn)行了WAC、LORV和MTV等一系列飛行試驗(yàn)，為MBRV和BGRV試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后，MBRV和BGRV獲得成功，驗(yàn)證了彈道導(dǎo)彈再入機(jī)動(dòng)彈頭技術(shù)，驗(yàn)證了冷氣反作用力控制系統(tǒng)和氣動(dòng)舵面控制技術(shù)的可行性和有效性。

尤為值得一提的是，1968年2月26日的BGRV-2試驗(yàn)中。彈頭再入后，以馬赫數(shù)18的初始速度滑翔，橫向機(jī)動(dòng)飛行達(dá)數(shù)百千米，這種滑翔能力在今天也是相當(dāng)出色的。從寥寥無(wú)幾的圖片看，BGRV是一種細(xì)長(zhǎng)的錐形再入飛行器，它通過(guò)精心設(shè)計(jì)提高了升阻比，再入大氣層后可以進(jìn)行高速遠(yuǎn)程滑翔。雖然美軍并沒有在BGRV試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研制生產(chǎn)洲際導(dǎo)彈再入機(jī)動(dòng)彈頭，但MBRV和BGRV等試驗(yàn)對(duì)美國(guó)高超音速滑翔技術(shù)的促進(jìn)和積累起到了關(guān)鍵作用。

進(jìn)入20世紀(jì)70年代后，ABRES計(jì)劃繼續(xù)進(jìn)行了目標(biāo)飛行器試驗(yàn)（TVX）和再入飛行器觀測(cè)試驗(yàn)（RVTO）等一系列試驗(yàn)，但和高超音速滑翔技術(shù)并沒有多大關(guān)系。美國(guó)空軍后來(lái)還實(shí)施了先進(jìn)控制試驗(yàn)（ACE）項(xiàng)目，使用宇宙神火箭繼續(xù)驗(yàn)證再入機(jī)動(dòng)彈頭控制技術(shù)，ACE的三次飛行試驗(yàn)都獲得了成功，進(jìn)一步深化了美國(guó)對(duì)高超音速滑翔機(jī)動(dòng)的認(rèn)識(shí)。

美國(guó)空軍后來(lái)又啟動(dòng)了先進(jìn)再入機(jī)動(dòng)飛行器（AMaRV）項(xiàng)目，制造了4個(gè)AMaRV飛行器。其中3個(gè)使用“民兵Ⅰ”導(dǎo)彈發(fā)射進(jìn)行了試飛，1979年、1980年和1981年的3次試飛都獲得成功。AMaRV重量470千克，具有很強(qiáng)的滑翔能力，是一種相當(dāng)先進(jìn)的再入飛行器。它的保密程度很高，40多年之后仍然沒有AMaRV的實(shí)物照片公開，我們只能從文獻(xiàn)資料的略圖中一瞥它的身影。

AMaRV使用了液壓傳動(dòng)的作動(dòng)翼面，利用分體襟翼和側(cè)面的兩個(gè)偏航襟翼進(jìn)行控制，使用先進(jìn)的全自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)，可以有效突破反彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)的攔截?！堕W電：第一種再入機(jī)動(dòng)飛行器》一書插圖中顯示，AMaRV可以再入后拉平滑翔。據(jù)稱美國(guó)空軍多年后啟動(dòng)的通用氣動(dòng)飛行器（CAV）和高超音速技術(shù)飛行器（HTV）驗(yàn)證項(xiàng)目，其氣動(dòng)控制技術(shù)就繼承了當(dāng)年的AMaRV。

美國(guó)一系列高超音速滑翔試驗(yàn)器雖然沒有發(fā)展出導(dǎo)彈或是偵察機(jī)，但這些寶貴的經(jīng)驗(yàn)對(duì)美國(guó)后來(lái)研制航天飛機(jī)起到了關(guān)鍵作用。

航天飛機(jī)再入返回時(shí)具有2000千米以上的橫向機(jī)動(dòng)能力，蘇聯(lián)就此懷疑它并非單純的可重復(fù)使用軌道器，還可能具有獨(dú)特的偵察功能甚至執(zhí)行軌道轟炸任務(wù)。航天飛機(jī)為了獲得足夠的滑翔距離采用三角翼設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)用了高性能的防熱系統(tǒng)。航天飛機(jī)從近地軌道再入重返大氣層到降落控制挑戰(zhàn)很大，返回軌跡時(shí)間不能太長(zhǎng)，以減少氣動(dòng)加熱的時(shí)間和積累的熱量，但太快的減速又會(huì)帶來(lái)過(guò)大氣動(dòng)受力和加熱速率，再入高超音速滑翔飛行的窗口很窄。航天飛機(jī)實(shí)際再入飛行中迎角從約40度逐漸降低到約15度，同時(shí)連續(xù)做左右滾轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)減少升力控制速度，最終用約30分鐘時(shí)間從夏威夷上空滑翔到佛羅里達(dá)降落。航天飛機(jī)的每次降落都堪稱走鋼絲，但也提供了寶貴的高超音速飛行經(jīng)驗(yàn)。美國(guó)今天的X-37B等小型航天飛機(jī)氣動(dòng)控制駕輕就熟，就是航天飛機(jī)135次飛行豐富經(jīng)驗(yàn)積累的成果。

美國(guó)海軍和陸軍的早期高速滑翔試驗(yàn)

美國(guó)海軍研制了MK-500“逃避者”再入機(jī)動(dòng)飛行器，計(jì)劃用于裝備在“三叉戟”導(dǎo)彈上增強(qiáng)突防能力。MK-500可以看作美國(guó)海軍的MBRV試驗(yàn)再入飛行器。1975年MK-500再入機(jī)動(dòng)飛行器使用“民兵Ⅰ”導(dǎo)彈進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn)。雖然美國(guó)陸軍的項(xiàng)目較少，但它的“潘興Ⅱ”型中程彈道導(dǎo)彈卻是美國(guó)唯一一種服役的再入高速機(jī)動(dòng)彈頭導(dǎo)彈。

“潘興Ⅱ”導(dǎo)彈彈頭再入大氣層后在約65千米高度開始使用氣動(dòng)舵面進(jìn)行高超音速飛行控制，在約40千米高度進(jìn)行拉起操作同時(shí)將飛行速度降低到馬赫數(shù)6～8，隨后持續(xù)做錐形機(jī)動(dòng)下降減速，最終超音速命中目標(biāo)?！芭伺dⅡ”導(dǎo)彈的最大速度約為馬赫數(shù)12左右，只有后來(lái)高大上的HTV等高超音速飛行器速度的一半左右。正因?yàn)槿绱?，它在高超音速下控制的技術(shù)難度較低，這也是“潘興Ⅱ”再入機(jī)動(dòng)彈頭研制成功的重要原因之一。

“潘興Ⅱ”導(dǎo)彈雖然進(jìn)行了高超音速機(jī)動(dòng)飛行，但它的再入機(jī)動(dòng)主要是為了滿足主動(dòng)雷達(dá)末端制導(dǎo)的需求，為此進(jìn)行的拉起和錐形機(jī)動(dòng)都極大地降低了飛行速度，其實(shí)與一般意義上的高超音速武器設(shè)計(jì)思路背道而馳。