高超声速武器的世界格局

鲁晓冬

Hypersonic（中文译作“高超声速”）一词，由中国火箭之父钱学森先生于1945年在他的一篇论文中首创，指的是在大气层内大于5马赫的飞行。而本文谈到的高超声速飞行器，则专指在大气层内由亚声速加速到高超声速的持续飞行，其飞行轨迹是气动式而不是弹道式的，全过程完全可操控。这和传统的航天飞机、宇宙飞船或者弹道导弹有明显区别。

美国，X档案的标本意义

美国研制高超声速武器的过程可以直接从X系列飞机找到直接的脉络。

X-15研究机 美国空军和美国国家航空航天局（NASA）共同开发的X-15研究机，是一种由载机携带到高空发射的火箭飞机，不仅是人类研制的第一种真正意义上的高超声速飞行器，而且也是第一架达到了亚轨道的载人飞机。该机机头较尖，座舱内仅能容纳一名飞行员。不过X-15并没有成为后世高超声速飞行器的设计范本，原因有二。

第一，单纯依靠低效率的火箭发动机，无法为高超声速飞行器提供可持续的动力来源。人们常用“比冲”来衡量火箭发动机的效率，通俗讲就是用一千克的推进剂来产生一千克力的推力，能持续多长时间。这个时间越长，比冲就越大，发动机的效率就越高。比冲的单位是秒。一般固体火箭发动机的比冲只有250秒，液体火箭发动机450秒。比较之下，我们会发现涡扇航空发动机的比冲为3 000秒。火箭发动机虽然能够让飞行器达到高速，但其自身消耗掉的氧化剂和推进剂占到了起飞重量的绝大部分，真正有用的载荷少之有少。

第二，X-15仍然采用的常规气动布局，高超声速飞行产生的气动阻力很大。所以后来的高超声速飞行器大多采用非常规的升力体布局，而且为了压缩进入超燃冲压发动机的气流，一般采用扁平而尖锐的机头造型。

跳滑梦想，X-20 1949年，钱学森在美国提出了研制一种能以12马赫飞行的空天飞机的概念，并提出了独特的“钱学森弹道”理论。这种空天飞机由火箭从地面垂直发射升空，在上升段与弹道导弹无异，待飞过弹道最高点后，空天飞机回落加速，进入大气层边缘后在大气层中做高超声速滑翔，利用滑翔时的气动力和惯性再次跃出大气层，然后再次回落，周而复始，直到速度不足以跃升，转为下降，最后像飞机一样着陆。钱先生这些理论，对于美国后来实施航天飞机计划以及 “猎鹰”计划，产生着深远影响。

1957年，美国空军推出了X-20空天飞机计划。X-20计划由美国的洲际弹道导弹发射，比钱学森的设想更进一步的是，X-20自身拥有一台火箭发动机，既可以在大气层顶部跳跃滑翔，也可以由自身火箭发动机推动加速，进入绕地轨道。总体而言，X-20相比X-15更像一架太空飞行器。全机升力体的布局和尖锐的机头造型初步具备了高超声速飞行器的雏形，但是该机仍然以低效率的火箭发动机为动力。该计划到终止时并没有研制出实机。

过于超前的一体化构想，X-30 从功能上看，美国国家空天飞机计划X-30将航空飞机和太空飞船的功能集于一身，是一体化的设计思路。X-30可以像普通飞机那样从跑道上水平起飞，在大气层内边上升边加速，到达大气层边缘时加速到第一宇宙速度，成为一颗围绕地球旋转的航天器。完成太空任务后它能像飞船那样从轨道上脱离，再入大气层，并像飞机一样在跑道上着陆。从结构和外观上看，X-30拥有高度简洁的气动外形，从起飞到降落飞行器始终保持完整，不像运载火箭那样走一路扔一路。它的动力系统将涡喷发动机、超燃冲压发动机整合在一起。为了实现上述目标，X-30需要将许多相互矛盾的技术整合进一个机体内，这就带来了一系列的问题。

问题之一：首先从气动外形上看，在大气层顶部加速到高超声速的飞行器，机翼必须十分短小甚至取消机翼，而采用升力体或乘波体的外形，即依靠机身产生升力。但升力体外形在低速下的升阻比相当差，飞机无法从现有的跑道上自主起飞。就像目前已有的各种升力体试验机都是依靠其他飞机携带进入高空发射的。

问题之二：X-30赖以达到高超声速的超燃冲压发动机无法在地面零状态下自行启动。超燃冲压发动机的启动速度不能低于4马赫。所以，X-30从地面起飞时必须依靠传统的涡喷发动机。而涡喷发动机可靠工作的最大马赫数仅达到3。在3马赫到4马赫之间，存在一个推力鸿沟。如何跨越这道鸿沟，实现从涡喷发动机到超燃冲压发动机的顺利交接，是一个难题。

问题之三：一体化设计需要高强度、耐高温同时轻质量的新型材料及结构设计。从航天技术的角度看，X-30显然属于单级入轨的飞行器，起飞期间不丢弃任何助推器。根据“航天之父”齐奥尔科夫斯基的研究，一枚火箭要达到7.9千米/秒的第一宇宙速度，其质量比必须达到23.5，即它发射质量是入轨质量的23.5倍。这个比例超过了鸡蛋总质量和蛋壳总质量之比。可以想见，如此质量比的单级火箭，其结构将比鸡蛋还要脆弱。为此，齐奥尔科夫斯基设计了多级火箭，各级火箭结构可以设计得比较结实，通过抛弃空推进剂箱的方式来提升质量比。X-30在大气层内的飞行方式是气动式而非弹道式的，这使得它不必具有火箭那样高的质量比。但总体而言，它必然拥有一个“薄壳”的结构，而且机体材料必须非常轻。而这种轻薄的结构，却要经受稠密大气层中长时间高超声速飞行产生的气动热，还有返回阶段的强大过载。为了完成从地面静止状态到近地球轨道的转移，X-30机体内的大量空间必然被液氢燃料箱所占据，而它的目标却是搭载数十名旅客在一小时内从纽约飞往东京（但如果把机身缩小，把载荷换成无人的战斗部，其前景则另当别论）。

即便站在今天的科技角度来看，要建造全尺寸的X-30也是一项太过艰巨的任务。因此，在X-30项目下马后美国空军和NASA研制的高超声速飞行器都不再研制全尺寸样机，而是先从缩尺验证机一步步搞起；在功能上也不再是贪大求全，而是集中力量突破某一关键技术。

超燃冲压验证机X-43A 由于各自需求不同，NASA和美国空军分头研制各自的高超声速飞行器。NASA仍旧致力于开发可以将人或物送入轨道的空天飞机，由此产生了 X-43A，它看起来俨然就是一架微缩版的X-30；而美国空军则把目标定位于研制高超声速导弹，实现其“一小时内打击全球任一目标”的宏愿，由此产生了X-51A（详见本刊2014年第3期《一小时如何打击全球》有关内容）。

X-43A是目前飞行速度最快的吸气式飞机。该机在2004年3月27日的第二次试飞中自主飞行了11秒，飞出的马赫数6.8被吉尼斯世界纪录所承认。

X-43A的主要功能是验证超燃冲压发动机的相关技术。冲压发动机技术被认为是未来高超声速飞行器唯一可行的推进技术。因为在马赫数大于5的高超声速飞行时，如果来流猛烈压缩到亚声速，进入发动机的高温气体还未点火燃烧，其温度就已经超过了材料所能承受的极限。所以，为了保证发动机不被来流所烧毁。在5马赫以上的高超声速飞行时，发动机内气流的速度至多被减速到马赫数3。由于气流从吸入到喷出的全过程，都是以超声速在发动机内流动的，所以这种发动机被称作超燃冲压。

从X-43A验证机人们可以发现未来超燃冲压发动机的一些特点。首先，超燃冲压发动机内部结构异常简单，从前向后看就是一个中空的盒子。为了避免增大内部阻力，发动机内没有任何突出物。燃料是通过与空气流道齐平的喷口进入燃烧室的。燃烧室内也没有突出的火焰稳定装置，代之以一些凹腔用于产生旋涡来稳定火焰。

其次，超燃冲压发动机和汽车的发动机一样，工作包括吸气、压缩、做功和排气4个过程。只不过前者是依靠多波系激波来压缩空气。为了利用激波压缩来流，进气道前必须有一个前体。就像SR-71战略侦察机进气口前的圆锥或者歼8B战斗机进气口前的斜板那样。

第三，超燃冲压发动机必须和机体进行一体化设计和制造。NASA曾在上世纪60年代利用X-15验证HRE超燃冲压发动机，当时发动机设计成圆桶状，挂于X-15机身的下方，在进气口处利用激波锥压缩来流。但试验中气动加热烧毁了发动机与机身之间的连接部位，发动机从空中掉了下来。为了使前机身作为压缩前体更有效地压缩气流，高超声速飞行器的前机身要尽可能地扁平，而发动机为了能与扁平的机身融合也最好做成盒形的。

所以，我们就看到X-43A采用机身-发动机一体化的设计后的样子，与其说是一架飞机，倒不如说是一台装了尾翼的发动机更为确切。

一体化梦想复活 美国另一项高超声速武器研制计划——“猎鹰”计划，启动自2003年。美国计划由小型运载火箭将一系列高超声速飞行器——HTV——送入亚轨道。利用HTV验证大气层内高超声速飞行所面临的气动、热防护、材料、推进等相关技术。

相比无动力的滑翔测试机HTV-1、2，HTV-3X更上一层楼。该机融合了先前HTV-1、2、X-43A、X-51A等多种高超声速的技术于一身。从外形上看，HTV-3X采用乘波体外形，两台涡喷-超燃冲压组合发动机位于机身下表面，依靠前体压缩和后体膨胀。飞行器有两个短翼和两个垂尾，不仅起到配平作用还具有在陆地跑道起降的功能。HTV-3X最独特的地方在于，它将第一次装备涡喷-超燃冲压组合发动机。该发动机采用双流道设计，两种发动机共用一个带活动斜板的进气口。涡喷发动机的流道靠上，起飞和低马赫数飞行时，涡喷发动机工作。3马赫往后，斜板关闭涡喷发动机的流道，打开冲压发动机流道。冲压发动机先以亚燃冲压模式工作，弥补3马赫到4马赫之间的推力鸿沟。4马赫以后，发动机进入超燃模式。此时气流在发动机中逗留的时间不足千分之一秒，推动飞行器进入5马赫以上高超声速飞行。

由此，HTV-3X项目已经大大超出了美国空军“猎鹰”计划的蓝本，得到了一个全新的名称——“黑燕”。“黑燕”项目的出现说明，自X-30起人类打造一体化全功能空天飞机的梦想从未熄灭。

俄罗斯，实力雄厚

苏联的高超声速研究起源于上世纪50年代，据说通过火箭或者载机发射的高超声速武器规划了两个系列7个型号。苏联解体，对俄罗斯高超声速技术研究产生了不小影响。不过从1991年以来，俄罗斯还是先后进行了“冷”、“彩虹”、“针”等多项高超声速项目的研发。其中“冷”计划还与法国、美国进行过合作。在“冷”计划试验过程中，发动机实现了从亚声速到超声速燃烧的转变，飞行试验速度最高也达到了6.5马赫，获得了高动压条件下发动机从亚声速到超声速各种燃烧状态的各种数据。因此“冷”成为俄罗斯高超声速试飞的基础。

在获得一系列完整实验数据后，俄罗斯又开发了“彩虹”，其原型是AS-4“厨房”空地导弹。“彩虹”长约11米，发动机段长约6米，二维进气道。在12 000米高空，飞行速度为1.7马赫的载机将“彩虹”发射出去，之后“彩虹”的火箭发动机开始加速，在15 000～30 000米高度，飞行速度可以达到2.5～6马赫。

而俄罗斯研发的“针”高超声速飞行器，则多少类似美国的X-43A，全长7.9米，翼展3.6米，用SS-25导弹作为发射载具。“针”主要用来测试机体-推进系统的一体化研究，以及热力学、气动、结构、材料、地面降落测试等。“针”的飞行速度大约在6～14马赫，飞行高度26 000～50 000米，超燃冲压发动机采用液氢燃料。

俄罗斯中央航空发动机研究院与格罗莫夫试飞院研发的GLL-31“射手”高超声速飞行器，号称是俄罗斯最先进的高超声速武器。其思想类似于美国的X-51A。它的基础是S-400防空系统所用的40N6固体燃料导弹。“射手”由米格-31截击机挂载，当飞机速度达到2马赫时﹐“射手”的火箭点火发射加速﹐等到超燃冲压发动机开始工作后﹐其速度能达到5～10马赫，飞行高度在20 000～40 000米。采用液氢燃料的试验型发动机燃料体积为300升，工作时间在半分钟到一分钟之间。

在近年来，俄罗斯在莫斯科航展上多次展出过自己的高超声速飞行器方案。俄罗斯自认为设计和材料水平均比西方高。中央航空发动机研究院的地面试车台，可以模拟7马赫条件下大型冲压发动机的试验条件。如果考虑到冷战时期苏联大型运载火箭、弹道导弹和航天飞机技术的研发实力，可以认为俄罗斯技术积淀非常深厚，具备和美国并驾齐驱的潜力。

西欧最强是法国

西欧德国、英国，包括欧盟，均有高超声速开发计划。这其中军事化成果最突出的是法国。法国高超声速技术研究起源于上世纪60年代，牵头的一直是马特拉公司。1992年，在国防部等单位领导下，法国制定了国家高超声速研究与技术计划，除了马特拉，参加的厂家还有达索、斯奈克马（国营飞机发动机研究制造公司）、欧洲动力装置制造公司以及法国航空航天研究院，计划历时6年，最后研制了“浅黄”（Chamois）超燃冲压发动机，并在6马赫的速度下进行了反复试验。法国正在实施的高超声速技术发展计划主要有两个方向，一个是对外合作，研制速度达到12马赫的碳氢双模态超燃冲压发动机；另一个就是“普罗米修斯”（Promethee）空射型高超声速导弹。该导弹采用像“南瓜子”的乘波体外形，弹长6米，采用碳氢双模态超燃冲压发动机，巡航速度为8马赫，包括固体助推器的总发射质量为1 700千克。

21世纪初，法国航空航天研究院开始研制高空高速无人驾驶侦察机，其速度达6～8马赫，航程可达2 000千米，飞行高度在30 000～35 000米，和美国的SR-72计划有相通之处。2003年，法国和欧盟开始合作研发LEA高超声速验证机，载具是俄制AS-4导弹，这种长5米的飞行器最高速度设定为8马赫。

亚太，小朋友们跟上来了

在研制高超声速武器方面，印度一直野心勃勃。1998年，印度国防部启动了命名为“阿凡达”的小型可重复使用空天飞机计划，当它不携带火箭发动机时，可作为一种高超声速飞机，用于对地攻击或侦察，然后返回基地。印度有多个实验室正在发展超燃冲压发动机技术。除了与俄罗斯合作的“布拉莫斯”高超声速导弹，印度国防问题分析研究所还曾提交了一份报告，建议研发至少5马赫的空天战斗机，并认为只有美国的X-43和X-51领先于印度。

日本的超燃冲压发动机研究起于上世纪80年代末。1993年，日本航空宇宙研究所角田宇宙中心建成了一座超燃冲压发动机试验台，可进行马赫数4～8、流量40千克/秒的工程性试验，多次进行大型氢燃料的工程性试验，掌握了点火、推力测量、燃料调节、发动机冷却等关键技术。1999年日本又建成大型高温激波风洞。正在实施的高超声速飞行器技术项目是两级入轨的航天运载器，第一级为高超声速运输机（HST），其飞行速度为6马赫，目前，日本正在研制HST的吸气式动力装置，并已进行了高超声速空气动力学设计。

此外，澳大利亚也参与了高超声速研发项目。与美国合作的“高火”（HiFire）项目在2012年进行了成功试验。这个实验也是为了给X-51A提供实验数据。2012年5月8日，HiFire -2在美国夏威夷太平洋导弹靶场由“黄鹂”探空火箭成功发射，HiFire-2超燃冲压发动机爬升到30 480米高空，从马赫数 6加速至马赫数 8，并工作了12秒。当年9月20日，HiFire -3在挪威安道亚靶场由VS探空火箭成功发射，飞行器在达到350 000米最高点后俯冲，在20 500～32 000米高度达到最高马赫数 8。此外，澳大利亚还和英国、日本合作，进行了“高击”（HyShot）项目的研发，测试氢燃料超燃冲压发动机技术；以及测试超燃冲压发动机工作状况的“高因”（HyCause），再入大气层之前，超燃冲压发动机成功点火，将飞行速度增加到10马赫。

空天一体——高超声速武器前景

看看X-51A这样的“导弹”，以及X-37B这样的“飞机”（详见本刊2014年第3期《一小时如何打击全球》有关内容），不难推断，高超声速武器时代已经离我们越来越近。

矛盾相生相克，但一般是先有矛而后有盾。在军事领域，高超声速技术必将被率先应用于进攻。在高超声速技术领域处于领先地位的国家，会率先研制出高超声速导弹和空天侦察机，并借此谋求对其他后发国家的战略优势。当后发国家逐渐也掌握了高超声速技术，研制出相类似的高超声速打击武器后，先发国家就将考虑对这一技术进行反制。到那时，下至对流层上至近地轨道，将真正出现“高边疆”争夺。当前军事航空领域所纠结的有人无人、隐形显形等问题都不再重要。从普通跑道起飞的空天战斗机，可以从地面一直加速直至大气层边缘，自由进出近地轨道，从容击落此间任何目标。或许激光武器、微波武器……将作为新的“防空导弹”投入战场——如果谁都不想引爆核战的话。

责任编辑：吴佩新