臨近空間高超聲速飛行器的軍事應(yīng)用

文/ 蘭順正

臨近空間高超聲速飛行器的軍事應(yīng)用

文/ 蘭順正

▲ 美國SR-72高超聲速無人偵察機(jī)

臨近空間高超聲速飛行器指飛行速度超過5馬赫、巡航高度可至臨近空間的飛機(jī)、導(dǎo)彈、炮彈等有翼或無翼飛行器的總稱。由于臨近空間高超聲速飛行器具有高度、高速的特點(diǎn)以及高效的突防和偵察效能，可大大擴(kuò)展戰(zhàn)場(chǎng)空間，所以其巨大的軍事和經(jīng)濟(jì)價(jià)值十分引人注目。當(dāng)今，高超聲速飛行器已成為世界各軍事大國紛紛投資的領(lǐng)域，成為21世紀(jì)航空航天事業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要方向。

依靠自身推進(jìn)的高超聲速飛行器

臨近空間高超聲速飛行器大致可分為兩類：第一類為依靠自身先進(jìn)的推進(jìn)系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)大氣層內(nèi)數(shù)倍音速的飛行器；第二類又被稱為助推滑翔高超聲速飛行器。第一類高超聲速飛行器主要得益于它所具有高性能動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是這類高超聲速飛行器的關(guān)鍵技術(shù)。

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是指燃料在超聲速氣流中進(jìn)行燃燒的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。所謂沖壓，就是利用飛行器飛行時(shí)的迎面氣流的壓力，使其進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后自然壓縮，而現(xiàn)代渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)則需要串聯(lián)多個(gè)壓氣機(jī)渦輪實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣的壓縮。飛行器的速度越快，發(fā)動(dòng)機(jī)的推力就必須越大，為了提供更多的氧氣與燃料反應(yīng)，空氣的壓縮率就必須足夠大。這時(shí)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)就需要更多更大的壓氣機(jī)，這必然導(dǎo)致自身重量大幅增加。增加的推力又被額外的重量消耗，甚至得不償失，這也是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)三倍聲速極限難以逾越的關(guān)鍵。相比之下，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中沒有渦輪壓氣機(jī)，甚至根本沒有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，更適合超高速飛行。

脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)（PDE）是一種利用間歇式或脈沖式爆震波產(chǎn)生的高溫高壓燃?xì)鈦懋a(chǎn)生推力的全新概念的動(dòng)力裝置。它包括吸氣式PDE和脈沖爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（PDRE）兩類，它們的基本工作原理相同，區(qū)別是吸氣式PDE從空氣中獲得氧化劑，而PDRE自帶氧化劑。吸氣式PDE主要由進(jìn)氣道、爆震室、尾噴管、爆震激發(fā)器、燃料供給和噴射系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。其基本工作步驟為：第一，爆震燃燒室充滿可爆混合物；第二，在燃燒室的開口或閉口端激發(fā)爆震波；第三，爆震波在燃燒室內(nèi)傳播，并在開口端排出；第四，燃燒產(chǎn)物通過一個(gè)清空過程從燃燒室中排出。

▲ 旅行者3號(hào)正在進(jìn)行囊體充氣作業(yè)

美、蘇/俄的第一類高超聲速武器研究

對(duì)于此類高超聲速飛行器的研究，世界各大國都投入了巨大的精力。美國從20世紀(jì)50年代末開始對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行探索性研究，在70年代后期出現(xiàn)低潮，幾經(jīng)周折以后，諸多關(guān)鍵技術(shù)問題相繼取得突破性進(jìn)展。目前一些高超聲速飛行器已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性飛行演示驗(yàn)證階段。從20世紀(jì)80年代開始，美國先后出臺(tái)了多個(gè)高超聲速飛行器發(fā)展計(jì)劃。1986年在超燃技術(shù)取得進(jìn)展后，美國宣布執(zhí)行國家空天飛機(jī)（NASP）計(jì)劃，但此后由于一系列技術(shù)難題，不得不于1995年下馬。

此后，美國空軍開展了一個(gè)范圍縮小的高超聲速系統(tǒng)技術(shù)項(xiàng)目（HySTP），重點(diǎn)是設(shè)計(jì)、制造一種10馬赫～15馬赫的超燃沖壓推進(jìn)系統(tǒng)，并進(jìn)行一系列火箭發(fā)射的飛行試驗(yàn)，以解決NASP遺留的兩個(gè)主要技術(shù)問題：邊界層轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象和高超聲速超燃發(fā)動(dòng)機(jī)在真實(shí)大氣環(huán)境下的運(yùn)行。經(jīng)過10年的努力，花了大約20億美元后，高馬赫數(shù)氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)仍未取得完全的突破，至此，美國不得不對(duì)高超聲速飛行器技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行調(diào)整，確立了分階段逐步發(fā)展的思路，降低了近期的發(fā)展目標(biāo)，相繼出臺(tái)了一系列新的研究發(fā)展計(jì)劃，如隨后的HyTech計(jì)劃、DARPA的SED計(jì)劃（HyTech計(jì)劃的飛行試驗(yàn)部分）、Hyper-X計(jì)劃和HyFly計(jì)劃等。

俄羅斯在高超聲速研究，特別是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研究方面有著傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。蘇聯(lián)早在1957年就開始了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作。幾十年來，俄羅斯中央空氣流體動(dòng)力研究院、中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院、圖拉耶夫聯(lián)盟設(shè)計(jì)局、彩虹設(shè)計(jì)局、莫斯科航空學(xué)院等許多單位都未間斷過高超聲速技術(shù)的研究。

蘇聯(lián)/俄羅斯對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究可以分為兩個(gè)階段：1957～1972年為第一階段，是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的早期基礎(chǔ)研究階段，重點(diǎn)探索超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)從原理上是否可能的問題；第二階段是1972～1996年，研究超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中的細(xì)節(jié)技術(shù)問題。

▲ 俄羅斯鋯石高超聲速巡航導(dǎo)彈

▲ 美國在研的高超聲速巡航導(dǎo)彈

雖然蘇聯(lián)的解體嚴(yán)重影響了俄羅斯許多先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)，但其在高超聲速技術(shù)研究領(lǐng)域仍處于世界領(lǐng)先地位，與美國并駕齊驅(qū)，先后開展包括代號(hào)為“冷”、“彩虹”、“針”和“鷹”的一系列高超聲速技術(shù)發(fā)展計(jì)劃。2016年8月26日，俄羅斯前景研究基金會(huì)宣布了脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試成功的消息。報(bào)道說，俄羅斯的科學(xué)家們?cè)?～8月對(duì)這種新型發(fā)動(dòng)機(jī)成功進(jìn)行了多次試驗(yàn)，測(cè)試使用的燃料為液氧和煤油。實(shí)驗(yàn)研究已清楚地證實(shí)這種新型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)上的可行性。俄羅斯媒體將這次試驗(yàn)成功稱為航天史上的“劃時(shí)代事件”。

高超聲速武器的優(yōu)勢(shì)

這類高超聲速飛行器一旦武器化，主要是以高超聲速巡航導(dǎo)彈或高超聲速轟炸機(jī)的形態(tài)應(yīng)用于戰(zhàn)爭(zhēng)。

高超聲速武器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

① 航速快，全球抵達(dá)。高度信息化、高度智能化是未來戰(zhàn)爭(zhēng)的特點(diǎn)，未來的空中打擊主要依靠高度和速度取勝，而高超聲速飛行器能在2小時(shí)內(nèi)攻擊全球任何角落的任何目標(biāo)。

② 突防能力強(qiáng)，探測(cè)難，攔截難?？罩心繕?biāo)的運(yùn)動(dòng)速度直接決定其通過敵方防御體系作戰(zhàn)空域的時(shí)間，對(duì)突防概率影響極大。高超聲速飛行器飛行速度快，可有效縮短對(duì)目標(biāo)的反應(yīng)時(shí)間，回波積累數(shù)量少，常規(guī)雷達(dá)的探測(cè)能力明顯降低，造成探測(cè)高超聲速空中目標(biāo)的難度加大。同時(shí)，現(xiàn)有的地面防空武器系統(tǒng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度慢，不能有效跟蹤瞄準(zhǔn)目標(biāo)，因此突防概率高。

③ 射程遠(yuǎn)，威力大。目前，各國在研的高超聲速導(dǎo)彈的射程都在幾百公里、幾千公里，且高超聲速飛行器飛行時(shí)動(dòng)能大，若與亞聲速飛行器采用同等重量的戰(zhàn)斗部，其產(chǎn)生的破壞力更大。

目前高超聲速巡航導(dǎo)彈大都還處于研發(fā)階段，比較具有代表性的主要有：

俄羅斯鋯石高超聲速巡航導(dǎo)彈。從目前公開的消息看，鋯石高超聲速導(dǎo)彈速度可達(dá)5馬赫，射程400公里，該導(dǎo)彈是在2011年開始進(jìn)入人們的視野，之后成功進(jìn)行了多次試驗(yàn)，2016年的陸基試驗(yàn)以及2017年4月的海射均獲成功，計(jì)劃于2018年開始批量生產(chǎn)。

美國吸氣式高超聲速武器方案（HAWC）。HAWC項(xiàng)目目前由美國DARPA和空軍研究實(shí)驗(yàn)室共同實(shí)施。作為X-51A的后繼項(xiàng)目，HAWC項(xiàng)目的目標(biāo)是為發(fā)展一型射程925公里、速度為6馬赫的高超聲速巡航導(dǎo)彈進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和驗(yàn)證，用以對(duì)敵方先進(jìn)防空系統(tǒng)及時(shí)敏目標(biāo)進(jìn)行打擊，提高第五代戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)對(duì)反介入/區(qū)域拒止挑戰(zhàn)的能力。

印俄聯(lián)合研制布拉莫斯-2巡航導(dǎo)彈。為了滿足印度陸軍反艦和對(duì)地攻擊的需求，印度國防研究發(fā)展組織在布拉莫斯巡航導(dǎo)彈的基礎(chǔ)上，繼續(xù)發(fā)展布拉莫斯-2型高超聲速巡航導(dǎo)彈。2008年8月，布拉莫斯項(xiàng)目的主要負(fù)責(zé)人與相關(guān)軍工企業(yè)高層參加了在莫斯科舉行的名為“布拉莫斯-俄羅斯聯(lián)邦與印度高技術(shù)領(lǐng)域的合作典范”的新聞發(fā)布會(huì)。其間，布拉莫斯項(xiàng)目負(fù)責(zé)人提出了在布拉莫斯超聲速導(dǎo)彈的基礎(chǔ)上研制高超聲速導(dǎo)彈的可能性。同年9月29日，俄羅斯、印度兩國進(jìn)行了政府間的軍事技術(shù)合作例會(huì)。據(jù)俄印布拉莫斯項(xiàng)目有關(guān)負(fù)責(zé)人透露，會(huì)議接受了組建工作組研制布拉莫斯-2高超聲速導(dǎo)彈（飛行速度5～7馬赫）的決定。在項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)與俄羅斯國防部長謝爾久科夫會(huì)面時(shí)，做出了正式的通知。

至于高超聲速轟炸機(jī)，主要有洛·馬公司在2013年披露的SR-72高超聲速無人偵察機(jī)研制計(jì)劃，據(jù)稱該平臺(tái)飛行速度可達(dá)到6馬赫，大多數(shù)現(xiàn)役防空導(dǎo)彈都奈何不了它，雖然美國官方將其稱為偵察機(jī)，不過筆者認(rèn)為其具備執(zhí)行打擊任務(wù)的潛力。

另外在2016年7月，俄羅斯戰(zhàn)略導(dǎo)彈部隊(duì)軍事學(xué)院的研究人員阿列克謝·索洛多斯尼科夫中校表示，俄羅斯正在研發(fā)能從太空發(fā)起核打擊的高超聲速隱身戰(zhàn)略轟炸機(jī)PAK-DA，該飛機(jī)具備水平起降能力，起飛質(zhì)量在20噸～25噸左右，能在1～2小時(shí)內(nèi)到達(dá)全球任何位置。

▲ 美國HTV-2高超聲速飛行器

助推滑翔高超聲速飛行器

第二類高超聲速飛行器又被稱為助推滑翔高超聲速飛行器。該飛行器的特性可以描述為：在彈道導(dǎo)彈的基礎(chǔ)上，增加了進(jìn)入大氣層后的利用氣動(dòng)控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)有限的機(jī)動(dòng)，具備有效升力拉起（有可能再次沖出大氣層再返回，也有可能依然在大氣層內(nèi)），并且能在大氣層內(nèi)長時(shí)間滑翔飛行。目前而言，助推滑翔高超聲速飛行器大多采用技術(shù)上可行的火箭助推獲得速度完成進(jìn)入太空，達(dá)到最高點(diǎn)，然后下降進(jìn)入大氣層，進(jìn)入大氣層后通過氣動(dòng)升力效果在靠近大氣層的邊緣進(jìn)行滑翔，并最終抵達(dá)目標(biāo)。

美國在冷戰(zhàn)時(shí)期就已經(jīng)開發(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，美國空軍和國防部聯(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)劃采用高超聲速技術(shù)驗(yàn)證機(jī)HTV-1、HTV-2和HTV-3X分別驗(yàn)證通用再入飛行器、增強(qiáng)型通用再入飛行器和高超聲速巡航飛行器技術(shù)。2005年11月，在美國阿諾德工程研制中心的9號(hào)高超聲速風(fēng)洞中，HTV-1模型在模擬飛行速度10馬赫和4馬赫的環(huán)境條件下，成功進(jìn)行了30多次試驗(yàn)。但由于HTV-1的殼體使用6層～7層碳/碳復(fù)合材料通過鋪層成形工藝制備，在制造過程中由于材料應(yīng)力的作用會(huì)導(dǎo)致層間存在氣穴。在高超聲速飛行中劇烈的氣動(dòng)加熱會(huì)使氣穴內(nèi)空氣膨脹破裂從而導(dǎo)致飛行器解體。由于這一重大技術(shù)問題久攻不克，美國空軍放棄HTV-1，直接試飛HTV-2。

HTV-2是在“獵鷹”計(jì)劃下研制的第二架高超聲速技術(shù)飛行器。與HTV-1相比，它結(jié)合了先進(jìn)的氣動(dòng)外形與防熱系統(tǒng)，采用了改進(jìn)的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)，顯著地提高了飛行器的性能。2010年4月，HTV-2進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn)。飛行了13分鐘后地面的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?！贝舜悟?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馬赫高超聲速飛行。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。

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。

▲ 俄羅斯Yu-71助推滑翔高超聲速滑翔彈頭

▲ 印度布拉莫斯-2高超聲速巡航導(dǎo)彈

在進(jìn)行“獵鷹”計(jì)劃的同時(shí)，美國其他部門也在開發(fā)類似的助推滑翔武器。2011年11月17日美國陸軍航天與導(dǎo)彈防御司令部/美國陸軍戰(zhàn)略司令部，成功完成了“先進(jìn)高超聲速武器”（AHW）的首次飛行試驗(yàn)，該飛行器飛行速度達(dá)到6馬赫。2014年，該飛行器第二次試射失敗，火箭在科迪亞克試驗(yàn)場(chǎng)發(fā)射臺(tái)上空爆炸，導(dǎo)致試驗(yàn)場(chǎng)嚴(yán)重?fù)p毀。2017年11月2日，美國海軍進(jìn)行了首次“常規(guī)全球快速打擊”導(dǎo)彈試射，該導(dǎo)彈采用推滑翔技術(shù)，試飛取得了成功。美國DARPA在2010年7月也獨(dú)立推出了采用類似技術(shù)的弧光遠(yuǎn)程高超聲速導(dǎo)彈。該導(dǎo)彈助推器采用標(biāo)準(zhǔn)-3導(dǎo)彈的助推器，而高超聲速滑翔器可攜帶500千克～1000千克的有效載荷，能在30分鐘內(nèi)對(duì)3800公里以外的時(shí)間敏感目標(biāo)實(shí)施打擊。據(jù)美國媒體報(bào)道，弧光遠(yuǎn)程高超聲速導(dǎo)彈將最先發(fā)展?；?，并裝備在水面艦艇和潛艇上，利用美國海軍現(xiàn)役的Mk41垂直發(fā)射系統(tǒng)實(shí)施發(fā)射，當(dāng)然以后還將陸續(xù)發(fā)展其空基型。

俄羅斯早在蘇聯(lián)時(shí)期，就有人提出在重型彈道導(dǎo)彈上配置幾枚高超聲速滑翔彈頭，使蘇聯(lián)可從西伯利亞直接攻擊美國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)劃中的高超聲速試驗(yàn)飛行器技術(shù)，開發(fā)了彈道導(dǎo)彈-高超聲速飛行器一體化的助推滑翔武器。1997年俄就宣布已研發(fā)出一種高超聲速飛行器，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。高超聲速巡航飛行器可進(jìn)入外層空間，然后再進(jìn)入地球大氣層。

2013年10月，俄羅斯宣稱，其最新裝備的RS-26邊界彈道導(dǎo)彈采用了高超聲速機(jī)動(dòng)彈頭，由此可見，高超聲速助推滑翔武器在俄羅斯可能已經(jīng)進(jìn)入實(shí)戰(zhàn)部署。近兩三年來，俄羅斯高超聲速武器的發(fā)展態(tài)勢(shì)引起世界范圍高度關(guān)注，但是其高超聲速武器的具體信息一直處于高度保密狀態(tài)。2016年以來，俄羅斯一家名為KATEHON的智庫在其官網(wǎng)上連續(xù)報(bào)道了俄當(dāng)前高超聲速武器的發(fā)展動(dòng)態(tài)，并略微詳細(xì)地披露了某些性能參數(shù)。其中就包括助推滑翔導(dǎo)彈“YU-71”，該導(dǎo)彈是俄羅斯當(dāng)前重點(diǎn)發(fā)展的高超聲速打擊武器之一，號(hào)稱在高超聲速滑翔過程中具有極高的機(jī)動(dòng)性?！癥U-71”在2011至2016年期間至少開展了4次飛行試驗(yàn)，采用UR-100洲際彈道導(dǎo)彈的第一級(jí)助推發(fā)射。據(jù)稱，YU-71可安裝常規(guī)戰(zhàn)斗部，也可攜帶核戰(zhàn)斗部，可部署于陸基平臺(tái)，亦可部署在俄核動(dòng)力潛艇上。

另外，2014年1月14日由美國華盛頓自由燈塔報(bào)首先向外界披露，中國于2014年1月9日首次測(cè)試的一種高超音速滑翔載具，2014年1月15日，中國國防部證實(shí)了這一消息。華盛頓自由燈塔報(bào)說，這一成功測(cè)試使中國成為繼俄羅斯和美國之后第三個(gè)擁有高超音速飛行器技術(shù)的國家?！?/p>

薛滔