高超音速武器的那些事

董晟飞

人类很早就进入了超音速飞行时代，但经过几十年发展，通常飞机的速度最多只能提高到音速的3至4信，再往上就像当初音障的存在一样，触及到了传统超音速技术的极限。于是，高超音速飞行技术理论应运而生。所谓高超音速，一般指马赫数大于等于5的流动或飞行速度，约合每小时移动6000千米以上。按照这个速度，从乌鲁木齐直飞上海只需30分钟甚至更少，而一般的民航班机要数小时。将5马赫作为划分超音速与高超音速的基本界限，主要是因为在这个速度上，飞行器所遇到的气流性质发生巨大变化，使高超音速飞行器的设计十分困难。

高超音速飞行必须有与其飞行环境特征相一致的发动机技术。如果说螺旋桨是亚音速飞行的特征，涡轮喷气发动机是低超音速飞行的特征，那么冲压发动机就是中超音速的代表，而与高超音速飞行相对应的则是超燃冲压发动机。这是因为在飞行速度达到5马赫以上时，发动机内的气流速度非常高，也处于超音速燃烧状态，对于飞机的发动机点火来说，就像在龙卷风中点燃一根火柴，还要保证它持续燃烧。因此高超音速飞行器使用的超燃发动机研发是个国际难题，也被认为是继螺旋桨和喷气推进之后的“第三次动力革命”。

此外，这种发动机和飞行器要跨越亚音速、音速、低超音速和中高音速，才能进入高超音速飞行，就像当初超音速飞机跨越音速后，飞机外形发生巨大变化，而且在两个速度范围内飞机控制和稳定性难以兼容一样。高超音速飞行器也面临着难以兼容不同速度范围内总体设计等诸多困难。

高超音速武器的分类

通常来说，高超音速飞行器外形尺寸比目前的同类飞行距离飞行器要小得多，只有后者的一半大小。目前高超音速飞行器有两大类。一类是在稠密大气层中进行较长时间飞行的“高超音速巡航飞行器”，主要有尚在研究发展阶段的，以超燃冲压发动机为动力的“空天飞机”和“高超音速巡航导弹”等。另一类是由火箭发动机发射到一定高度（通常为外层空间）再返回大气的“助推—滑翔”式高超音速飞行器。

巡航飞行器从各国发展情况看，高超音速巡航飞行器目标是达到6倍音速。例如，美国臭鼬工厂设计规划HSSW验证机的目标速度为6马赫。因为6马赫是一个临界点，若超过6马赫将大大提高吸气式飞行器发动机的成本，同时性能也会下降，而低于6马赫将影响其作战生存能力。不过美国NASA的X-43高超音速技术验证机在2004年连续两次打破吸气式发动机飞行器的最高飞行速度世界纪录，最高飞行速度接近10马赫。虽然目前还没哪个国家研制出高超音速巡航导弹，但可以看到未来高超音速巡航导弹的雏形将是：飞行速度大于6马赫，采用高能、高密度的吸热型碳氢燃料，超燃冲压发动机，惯性及全球定位系统复合制导，射程大于1000千米，命中精度在15米以内，导弹的出厂单价不高于100万美元，可以从战斗机、战略轰炸机、水面战舰的垂直发射系统或潜艇上发射，用于攻击机动导弹发射车、地下指挥中心等目标。

“助推—滑翔”飞行器 “助推-滑翔”飞行器的主要目标是达到10马赫。美国国防高级研究计划局高超音速航天飞机可以重复使用，并沿着大气层“跳跃”，在2小时内能够将军事有效荷载发送到世界上任何一个地方。他们制作的“高翔”航天飞机的概念机飞行速度10马赫，飞行高度为35-60千米。在爬高之后，它可以沿着正弦波航线飞行：在大约爬升到35千米高度时，航天飞机在推进系统工作的情况下开始起跳，以正弦波航线跳跃至60千米高度；在跳跃中，航天飞机的重力加速度为1.5g，每次跳跃距离为400千米。这种高超音速的“助推一滑翔”飞行器可以设计成空天飞机，也可以设计成导弹机动弹头。

目前各国的高超音速飞行器研制基本属于这两种类型。例如波音正在研制X-51A“乘波者”高超音速飞行器，而洛马公司则研制FHTV-2高超音速飞行器。未来的高超音速武器技术也将沿着这两种路线发展。2012年11月，美国海军航空作战中心要求全美工业界、学术界提供高超音速飞行器概念技术，一个是火箭助推高超音速滑翔机，一个是吸气式巡航飞行器。海军航空作战中心表示两种方案都不具有经济可承受性.助推一滑翔概念需要高温材料和可提高升阻比的空气动力外形，而吸气式概念无法容纳内部推进流程和燃料供应系统。技术障碍

高超音速飞行技术研究已经历了几度兴衰。上世纪60年代，人们就曾在这方面做过努力，但因超燃冲压发动机技术难度太大而放弃。1986年，美国发起了X-30国家空天飞机计划，向超燃冲压发动机技术发起了新一轮冲击。这一计划一再变化，最终演变为现在的X-51高超音速飞行器计划。而苏联从20世纪7（）年代开始积极研制高超音速技术，如机械制造科学生产联合体研制了“陨石”导弹，后来开始了代号“4202”的导弹研制工作。20世纪70年代，苏联曾在S-201）导弹基础上研制出飞行速度达到6000千米/小时的“冷”飞行器。20世纪80年代，彩虹导弹设计局（目前是俄罗斯战术导弹公司的一部分）开始了Kh-90项目。但上述研究未催生出实战装备。近年来，俄美两国开发了高超音速巡航导弹、高超音速飞机、跨大气层飞行器和空天飞机等，但这些开发仍障碍重重。

美国已开展了多年的冲压发动机技术攻关工作并取得了大量成果，但在高超音速飞行中仍会出现许多问题，如Hyfly项目。对于发展由机场起降、可重复使用的高超音速飞行器，如HTV-3，则需要发展技术更复杂的组合发动机，如涡轮基组合循环推进系统，实现从O至6马赫以上大速度跨度飞行。由于技术难度和经费需求都很大，目前美国尚处探索阶段。目前美国较偏向于采用火箭基组合循环（RBCC）发动机。RBCC发动机的基本思路是把火箭同冲压/超燃冲压发动机结合到一起，火箭部分用于在速度较低和运载器飞出大气层后提供推力。美国航空喷气发动机系统公司已在从海平面、零速到42.7千米高度、8马赫速度条件下对其支杆喷气RBCC发动机的一个缩比模型进行了地面试验，并认为该方案已可转入飞行试验阶段。支杆喷气发动机在飞行中要几次变换角色。它在起飞时是一台装在涵道内的加气补燃式火箭，在2.4～6马赫时是一台冲压发动机，在6～8马赫时是一台超燃冲压发动机，随后又成为一台纯粹的火箭。该发动机的关键技术是进气道内楔形的立式支杆。这些支杆可对来流空气进行压缩，还用于喷注燃料并安装火箭推力器。支杆喷气发动机用于航天发射时使用氢燃料，用于大气层内执行任务时可使用烃类燃料。endprint

除了发动机技术外，综合设计与精确控制是一大障碍。当飞行器以高超音速飞行时，会产生强烈的激波，激波与附面层之间产生相互干扰，在高超音速气流驻点附近产生极高的温度，能使附近的气体分解和电离，形成相当复杂的混合气体，使得高超音速气流的研究成为非常复杂的问题。这不仅对飞行器平台的综合设计提出了挑战，也给高超音速下的精确控制带来了困难。x-51A的第二次验证飞行失败就出于这个原因。

高超音速飞行还有一个巨大的难题需要面对，就是高速条件下产生的“热问题”。飞行器在大气层内以6马赫以上速度飞行时，表面多个部件温度将达到500℃以上，对于结构和材料的热防护提出了严峻挑战。X-51A首次试飞失败，喷管与机体连接处密封失效，气动热就是重要原因之一。

除此之外，高超音速飞行器未来要形成作战能力，还要解决一系列问题，包括高超音速条件下的武器末制导技术等。目前国外大多数高超音速演示飞行都没有完全成功，说明各国都遇到了严重的技术阻碍。

军事优势

打击速度更快高超音速巡航导弹提高了攻击目标的突然性和有效性，这对打击弹道导弹发射车或航母等时间敏感目标十分有效。例如，1200千米的距离，8马赫的高超音速巡航导弹只需飞行7分多钟，而一般国家机动部署战略导弹完成发射和升空飞行的时间约8分钟左右，机动发射架在发射导弹后10分钟内撤离阵地，这就是说敌方战略导弹刚升空、发射架还没完全撤离就会遭到高超音速巡航导弹的攻击。

突防能力更强 突防能力是巡航导弹实施纵深打击的前提。现有的巡航导弹主要依靠超低空飞行与隐身技术突破防御，由于速度太慢，暴露后很容易被拦截，在科索沃战争中就有数十枚“战斧”遭击落。而高超音速巡航导弹留给敌方防御系统的反应时间短，如再采用隐身技术将极大降低被拦截概率。此外，高超音速巡航导弹的飞行高度一般在25～40千米，防空系统对这一高度上的超音速飞行器般难以实施拦截。航母编队对亚音速导弹一次防御不成还可以进行两次、三次，而对超音速导弹基本就不再有第二次机会。但是，目前防空导弹尤其是近程防空导弹过载已经达到35～50个g，再加上采用垂直发射，导弹能马上转弯，所以超音速导弹突防优势下降。而高超音速导弹的速度优势减少了敌防空系统的拦截时间，系统对导弹的探测跟踪难度增大，而且高超音速导弹可在远程防空导弹射程外发射，这样除了弹药的消耗，人员和装备的损失可降到最低，从而增强了高超音速巡航导弹的突防能力和生存能力。

战场空间更广 与需要携带大量氧化剂的传统弹道导弹不同，这种新式导弹的发动机能够以极快的速度将自带燃料和空气中的氧气进行混合，从而产生出极高的速度，因此在携带同样燃料的情况下，高超音速导弹比弹道导弹的飞行距离更远，战场空间也更广。计算表明，速度为6马赫的高超音速飞行器，能在6小时内环绕地球一周，也就是说，高超音速导弹和飞机能在很短的时间内抵达地球上的任何一点，迅速打击数千或上万千米外的各类军事目标，这大大地拓展了战场的空间。比如，空天飞机既能作为航空兵参加空地联合作战，又能加入天军行列，还可成为往返于太空与地球间的运输机。美国开发的HTV-2的载重量为5吨，是目前飞得最快的战机。这种楔型战机在2小时内可飞行近1.7万千米，接近地球周长的一半，而洲际导弹的射程只有5500～15000千米。根据美军的研发计划，这种轰炸机可以从美国本土起飞后两小时内打击全球任何一个目标，而不必依赖美国在海外的军事基地。B-52最大飞行速度是每小时1010千米，伊拉克战争期间，这种老式轰炸机从英国的空军基地起飞执行了100多次轰炸任务，每次往返花费的时间是44个小时。而高超音速轰炸机可大大提高五角大楼的灵活性，制订军事计划者可以很方便地取消攻击。

破坏威力更大 高超音速武器具有惊人的动能，特别适合打击深埋地下的指挥中心等目标。高超音速巡航导弹沿高弹道垂直向下像锥子一样插入很深的地下，如果携带先进的侵彻弹头，对地下掩体目标的杀伤力不言而喻。根据计算，1.5千克的高超音速飞行体就足以使一座桥梁解体。美国军方对高超音速巡航导弹的要求是对钢筋混凝土的侵彻能力为6～11米，对一般地表土层则要达到40米。高超音速动能武器不仅能通过热辐射和冲击波造成毁伤，而且能依靠直接命中来破坏目标的内部结构，精确打击时附带的损伤比常规精确制导武器要小得多。高超音速导弹或炸弹的体积比一般射弹都要小许多，因此运输机、战斗机和轰炸机可大量装载，作战威力显著增强。尤其是高超音速侦察机，能在很短时间内飞遍全球，对许多突发性事件地区均能快速反应，所以具有很高的侦察和信息战效能。endprint