涡轮基组合动力水平起降高超声速战略打击模式探讨

李 俊，杨水锋，陈文兵

(成都飞机设计研究所，四川 成都 610091)

1 引言

快速响应战略打击是近年来各国研究的热点，其飞行模式的选择对关键技术牵引和突破影响巨大。远程高超声速飞行器通常以两级组合形式构成，按发射方式和飞行方式组合，可分为火箭动力垂直发射高超声速弹道飞行、火箭动力垂直发射高超声速巡航飞行、涡轮基组合循环(TBCC)动力水平起降机载发射高超声速弹道飞行、TBCC水平起降机载发射高超声速巡航飞行四类。其中TBCC动力水平起降机载发射高超声速弹道飞行模式，在平台机动性、发射隐蔽性、突防概率等方面都有优势。下面将对TBCC动力水平起降高超声速战略打击模式进行探讨。

2 国外高超声速飞行器种类及特点

高超声速飞行器从广义上讲，包括目前已出现的高超声速无人机、高超声速导弹、空天飞机，及未来可能出现的高超声速轰炸机等[1]。类似X-51验证机的飞行器，可视为高超声速巡航飞行器。

高超声速飞行器种类繁多，为了简化，按动力种类，可将高超声速飞行器分为无动力滑翔飞行器、吸气式动力巡航飞行器和火箭动力弹道飞行器三类。火箭动力技术相对成熟，吸气式动力技术和弹道滑翔式技术成熟度尚低，是各国发展的重点。

采用火箭动力的主要是弹道导弹，按发射方式分为地面发射和空中发射。地面发射具备很强的突防能力，但存在发射时红外特征持续时间较长等弱点，容易被预警卫星发现。

采用吸气式冲压动力的主要是新型高超声速巡航飞行器，能以大于Ma5的速度巡航，远大于目前世界上现役飞行器的巡航速度，能极大地缩短目标反应时间。对瞬时可疑目标、高价值目标，能做到在其完成部署与做好攻击准备前先敌摧毁。高超声速飞行器能威胁地面的固定设施及移动中的目标。

弹道滑翔式的通用航空飞行器，一般采用地面垂直发射方式获得初始动能，然后以弹道加末端滑翔方式飞行并实施打击。

3 高超声速飞行器优势

3.1 速度优势

高超声速巡航飞行器在未来实战中的应用，很可能改变现代战争的模式。包括弹道导弹和空天飞行器在内的飞行器，未来具备远程战略与战术打击能力后，能使部队在缺少前方存在的情况下，1～2 h内完成对敌目标的遏制与摧毁，将成为可替代核武器完成进攻与防御的重要一环。

美军多次进行的X-51飞行器试验，基本上以轰炸机为发射载体。从战术角度考虑，轰炸机作为发射平台具备了长滞空时间的能力，在敌方攻击范围外长时间巡航待机，其优势在于能为高超声速飞行器的快速打击创造有利条件。

3.2 高度优势

夺取制空权、保持空中优势一直是空战的首要目标，高度优势可看作是主导空战的重要因素。高超声速飞行器在飞行高度上突破了现有战斗机的飞行范围，飞行高度在30 km以上，适合在大气层边缘的近地空间作高超声速巡航。飞行器投放的炸弹或导弹具有极大的动能，体积很小的炸弹都能造成巨大的杀伤力，对地面及海上目标的威胁很大[2]。

3.3 突防能力优势

随着反隐身技术的不断提高，战斗机突防时的战场生存力会逐渐削弱，高空与超高速的结合能有效避免隐身手段的不足，有效缩短敌方的发现距离，使其不能迅速做出拦截部署。

高超声速巡航飞行器能有效进行高空高速突防和退出，对敌方直接打击或作为远距离发射平台，大大提高了作战效能。同时，能在敌方防区外发射或从远离目标的空域发射，迅速击中目标。远程高超声速飞行器能有效提高战场生存能力，使敌方的防空系统难以拦截，并能对重要目标进行快速而迅猛的打击。如高超声速巡航飞行器以Ma≥5的速度在30 km以上高空突防，这就要求敌方的拦截防御武器至少具备Ma≥7的飞行能力，现有的防空系统无法做到有效拦截。

另外，由于高超声速巡航飞行器在巡航段的飞行时间长、机动动作少，被雷达探测并锁定的几率相对较大，若采用一些辅助措施(飞行性能与隐身特性一体化设计、红外隐身、雷达隐身、有源电子干扰或在必要时投放干扰诱饵)用于突防，可大幅提高高超声速飞行器的战场生存能力。

4 全球/远程打击飞行模式

近年来，美军提出了2 h内打遍全球的作战要求，包括战术打击和战略打击。战略打击任务，是指以最快的速度，在全球范围内对敌方的本土战略目标实施打击。为此对高超声速战略打击模式、全球/远程打击飞行模式和相关飞行器技术突破提出了迫切需求，并引领世界各国竞相开展相关研究。

从飞行方式上看，采用高超声速飞行器进行全球/远程打击的飞行方式，有水平起飞超声速巡航飞行、水平起飞高超声速巡航飞行、水平起降机载发射高超声速弹道飞行、垂直发射弹道飞行、垂直发射周期性跳跃巡航飞行、垂直发射弹道巡航飞行等多种。图1为多种飞行器飞行轨迹比较[3]。

图1 多种飞行轨迹比较Fig.1 Comparison of various flight trajectories

全球/远程打击四类飞行模式的具体定义见表1。分析发现，要实施全球范围的飞行和到达，通常应采用两级以上的高超声速飞行器组合完成。

表1 四类全球/远程打击飞行模式Table 1 Four kinds of Global/Long-range strike flight modes

5 典型全球/远程打击飞行模式特点分析

5.1 火箭动力垂直发射高超声速弹道飞行模式

弹道导弹、周期性跳跃弹道式飞行器，发射受限于公路、铁路或固定的发射井架，其机动性不强。在现代卫星等先进侦查手段下，发射前易受到敌方攻击。发射时产生的巨大的、持续时间较长的红外特征信号容易被预警卫星发现，直至发动机关机，预警系统根据目标信号特征能判断出目标类型和弹道轨迹，进而采取措施实施初、中段拦截。海基潜射战略导弹发射场所虽有良好的机动性和隐蔽性，但其导弹发射后，初速较低，易遭到敌方的初段和中段拦截摧毁。然而，一旦突破了初段拦截和中段拦截，末段被拦截的概率很小，即使末段被拦截，所有碎片将落入目标国，同样可起到战略威慑作用。因此，该模式仍为一种有效的战略打击模式。

5.2 火箭动力垂直发射高超声速巡航飞行模式

这种飞行模式主要有以下特点：

(1)对火箭动力垂直发射助推器的依赖较强。由于超燃冲压发动机无低速启动能力，因此高超声速巡航飞行器的起飞与加速阶段都要依赖火箭助推器，存在垂直发射时在初段和中段被拦截的可能。

(2)对其它任务领域的要求苛刻。实现远程快速精确打击，给其它任务(情报侦察、信息搜集、卫星通信、战场态势感知及指挥与控制等)领域带来了新的挑战。在实施快速打击前必须准确锁定攻击目标，否则准备时间过长，快速打击将失去意义。同时，安全可靠的导航、飞行轨迹持续变化的控制、敌防空导弹的拦截预警等都是需要考虑的重要因素[4]。

(3)飞行器自毁概率高。从目前水平看，实现对高超声速巡航飞行的飞行器的控制依然困难。在Ma8左右超高速度下，飞行器周围会产生等离子鞘，显著影响通信导航与精确控制，一旦不受控，飞行器极有可能大幅偏离预定航线，甚至坠毁。

(4)对手防御手段较多。由于其突出的特点为快速打击，因此在攻击末端留给自身的反应时间也缩短，应急状况下飞行轨迹的快速重构难度较大，精确打击能力较难保证。同时，根据飞行器的特点，对手利用高功率电磁干扰手段进行对抗，可有效干扰飞行器的飞行控制，使其偏离预定目标。如RQ-170曾被伊朗采用GPS欺骗手段俘获。

(5)远程巡航比弹道模式飞行时间长，大于2000 km远程飞行高超声速巡航比弹道飞行时间长1倍以上。如进行2000 km的快速打击，弹道导弹只需10 min，但利用如X-51一类的高超声速巡航飞行器以Ma5的速度巡航，续航距离2000 km将耗时20 min，不能满足快速打击的要求；在执行10000 km全球飞行任务时，弹道飞行模式只需30 min，而以Ma5巡航飞行则需2 h以上，即使以Ma8巡航飞行也需1 h以上。

可见，这种模式不太适合发展为有效地远程战略打击模式，但可发展为中近程战术打击模式。

5.3 TBCC动力水平起降机载发射高超声速弹道飞行模式

这种飞行模式最典型的表现形式是机载发射弹道导弹，可在自己的领空范围内巡逻发射，发射空域大，机动速度快。此外，空基导弹具有良好的机动性和隐蔽性，且生存能力和突防能力显著提高。另一方面，机载导弹的发射准备工作，可在地面隐蔽进行，导弹的空中准备时间可在载机飞至发射点之前完成，实现零准备时间发射；同时，由于可使用多架载机，每架载机都可多次发射，因此空基导弹可实现对目标饱和攻击和多波次攻击。

TBCC动力水平起降机载发射高超声速弹道飞行模式有以下优点：①可执行短时间重大作战任务；②能进行快速响应作战及火力投送；③性能和机动性大幅度提升；④全方位发射；⑤前方基地任选(能在任何地点部署)；⑥具备可召回的能力；⑦系统研制成本低、风险低，进度快。

美军的F-15GSE(全球打击鹰)是一种机载发射弹道导弹方案。该方案是利用现有的F-15飞机，采用发动机射流预冷性能增强技术，大幅提高推力。由于F-15起飞时机腹中部挂架对任务载荷/运载器长度的限制，方案中采用背部安装运载器和任务载荷，而非常规的机腹安装方式。F-15机背强度大，尾翼翼展宽，升力大，允许运载器具备更大重量和直径，从而提供更大的载荷运送能力[5]。图2为F-15GSE上的一次性载荷的构型布局。

采用机载发射弹道导弹方案，机载导弹14 t，可发射545 kg的全球打击任务载荷到18520 km距离。图3示出了F-15GSE任务典型弹道剖面，图4给出了亚洲国家(日本)采用类似装备可能威慑美国全境覆盖范围示意图。因此该种模式可发展为有效战略打击模式。

5.4 TBCC动力水平起降机载发射高超声速巡航飞行模式

图2 F-15GSE背部背负弹道导弹构型布局Fig.2 Configuration of F-15GSE combined missile on the Back

图3 F-15GSE任务典型轨道剖面Fig.3 Typical trajectory profile for the F-15 GSE mission

图4 日本采用该装备可能威慑美国全境覆盖范围示意图Fig.4 Schematic diagram of the threat range on USA of this weapon used by Japan

高超声速巡航飞行器反应快速、使用灵活、可实施快速精确打击等特点，在中短程(＜1000 km)战术打击方面具有较大的军事应用潜力。与TBCC动力水平起降高超声速远程飞行平台结合，可作为有效的斩首行动战术打击手段，充分发挥其战术优势。因此，TBCC动力水平起降机载发射高超声速巡航飞行，可能不太适合发展为战略打击模式，但却是一种具有发展潜力的战术打击模式。

6 结束语

涡轮基组合动力水平起降机载发射高超声速弹道飞行模式，具有行动隐蔽、突防效能高、适应性强等优点，可发展为新型战略打击模式，在未来能量中心战(以能量为中心的体系作战)中将发挥重要作用。

涡轮基组合动力及相关飞机和机载武器的研究，将促进一系列新技术的发展，带动飞机设计技术相关领域一次大的进步，也将推动涡轮基组合动力技术的进步和发展，应特别关注和重视。

[1]Hank J M，Murphy J S. The X-51A scramjet Engine Flight Demonstration Program[R].AIAA 2008-2540，2008.

[2]张 渝，张华靓.从X-51试飞看未来飞行器的发展[J].国际航空，2012，57(1)：29—31.

[3]Carter P H，Pines D J，vonEggers R L.Approximate Perfor⁃mance of Periodic Hypersonic Cruise Trajectories for Glob⁃al Reach[R].AIAA Journal of Aircraft，1998，35(6)：857—867.

[4]Shaehtman N.Hypersonic Cruise Missile：America’s New Global Strike Weapon[J].Popular Mechanics，2007，1(1)：1.

[5]Chen T T，Ferguson P W，Deamer D A，et al.Responsive Air Launch Using F-15 Global Strike Eagle[R].AIAA RS4-2006-2001，2006.