高超音速武器漫谈

王继新

目前高超音速武器分为高超音速巡航和助推滑翔两大类，这两类飞行器的动力为什么都选择超燃冲压发动机？

王：要达到6马赫以上的高超音速飞行，常规的吸气式动力装置已经难以支持。大家知道，喷气发动机使用涡轮压气机压缩空气，然后在燃烧室里加注燃料，点火燃烧，从喷管里加速喷出，形成推力。然而在通常条件下，燃烧锋面的扩散速度极限是音速，所以即使在超音速飞行时，喷气发动机的气流和燃烧也是亚音速的。进气道的作用之一就是以尽可能小的损失将进气减速到亚音速，但我们知道喷气速度必须高于飞行速度，才可能提供推力。随着速度的提高，这一“减速一加速”过程的损失越来越大，所以涡轮类的喷气发动机速度难以超过3马赫。普通的冲压式喷气发动机省却了涡轮压气机，直接靠进气的动压压缩空气，但其空气燃烧依然是亚音速的。要突破这个关口，只有采用超音速燃烧冲压发动机。

目前各国发展高超音速技术主要选用的推进系统几乎都是超燃冲压发动机。与火箭发动机相比，冲压发动机无需携带占据很大发射重量的燃料和氧化剂，因而航程更远、结构重量更轻、可携载荷更重。在高超音速范围，超音速燃烧（简称超燃）是一种优化的循环过程，不仅增加了热力循环效率，还避免了滞留到亚音速时所引起的过高的压力和温度，对结构、材料和质量都能带来好处。因此超燃冲压发动机是高超音速巡航导弹的理想动力装置，也是实现高超音速飞行的首要技术。

超燃冲压发动机的难点在哪里？

王：一是启动难，二是维持难。

刚才讲过高速飞行器上一般都使用冲压发动机，例如，美国著名的“黑鸟”高空高速侦察机。而冲压发动机的启动必须具备大气层内的高速飞行条件，只有高速气流在发动机内急剧减速，才可能使空气在短时间内压缩，产生高压、高温，引燃燃料，从而产生强大的推动力。像“黑鸟”在起飞时使用的是普通航空发动机，在高空到达一定速度时启动冲压发动机。而高超音速巡航飞行如果像“黑鸟”那样，先用普通航空发动机完成低速段加速，再用其它类发动机完成中、高速段加速，则耗时过长，而且发动机系统也将过于复杂。因此，只有在起飞初期直接用火箭发动机完成助推段飞行，当速度到达一定值后再启动超燃冲压发动机。例如，美国X-51高超音速巡航飞行器就是挂在B-52飞机上，通过尾部的ATAMS火箭助推器将X-51加速到超燃冲压发动机点火启动速度。从2010年5月开始的X-51多次试验飞行中，至少有两次超燃冲压发动机未能点火，导致试验失败，占到试验失败的50%。

保持超燃冲压发动机的稳定燃烧工作，难度也非常大。由于空气和燃料的混合和燃烧时间极短，燃烧控制像骑着自行车来遥控从身边极速驶过的高铁一样困难。超音速燃烧冲压发动机的工作窗口极其狭窄，错过一点点，超音速燃烧就不能维持。而且随着燃烧的持续，发动机温度升高，其燃烧环境也随之改变，不及时补偿的话，也会破坏超音速燃烧的条件。目前美国最先进的X-51A飞行的持续时间也只有300秒，离实用化还差距很远。

超燃冲压发动机采用什么燃料？

王：由于燃料在超音速燃烧室中的停留时间不足1.5毫秒，碳氢燃料的释热效率只能达到85%。此外高超音速推进系统由于存在极强的热负荷，还需要燃料本身在循环过程中对许多部件承担冷却任务。由于高超音速巡航导弹的液氢密度太小，要求的容积太大，直接增大导弹的起飞质量和飞行阻力，因此需要研制吸热性好、能量密度高、可贮存的液体燃料、混合燃料和浆状燃料。目前，美国研制和选择了JP-10型航空燃料作为高超音速飞行器燃料。这种纯液体碳氢燃料能在3～6马赫的飞行条件下进行有效燃烧，已用于多种武器，如“战斧”导弹。采用JP-10燃料使得发动机的设计比较简单，无需复杂的热交换器来吸收燃料供应的所有潜在能量，而且JP-10容易获得，性能稳定，无需易挥发、有毒的燃料添加剂，后勤支持更容易。

各国超燃冲压技术发展现状如何？

王：20世纪80年代以来，美、俄、法、日等国都开展了超燃冲压发动机的理论研究和试验。美国的NASA正在进行高超音速飞行器试验计划，以检验与机体一体化的双模态冲压发动机的全部性能，并将要进行飞行试验。美空军在使用碳氧燃料的性能试验发动机多次完成地面验证试验后，已经采用X-51验证飞行器多次实现空中超燃冲压发动机的工作。美国防高级研究计划局与澳大利亚联合研制的高超音速验证器成功进行了首次自由飞行试验。

俄罗斯也已经完成了采用氢燃料的“冷计划”超燃冲压发动机的多次飞行试验。1992年与德国联合进行了二元燃烧室直连式试验和缩比二元超燃冲压发动机自由射流试验，取得了进展。正在进行6～14马赫冲压发动机的工作性能试验、发动机和机体结构耐热性能试验、全动力和无动力高超音速飞行动力学试验等。

法国在上世纪90年代初即开始开发氢燃料超燃冲压发动机技术。目前，法国正在研究碳氢燃料超燃冲压发动机、用碳氢燃料和氢燃料的宽范围冲压发动机和用氢燃料的双模冲压发动机等3种方案。

此外，日本、巴西、印度等都在进行超燃冲压发动机的研发。总的看，双模态和双燃烧室方案是目前最有发展前途的超燃冲压发动机技术方案。

印度高超音速技术发展如何？

王：在2007年7月，印度国防研发组织就透露印度已开始在地面进行煤油作燃料的超燃冲压发动机试验，目前该机构正与印度高校合作研制高温镍钴合金和碳复合材料，用于高超音速飞行器的热防护。2009年11月，印度理工学院和印度国防研发组织透露正在开发高超音速导弹。这种导弹外形尺寸可以缩小很多，具备以超过5马赫打击5000千米远目标的能力，还可作为一种低成本反卫星手段。印度还希望这种高超音速导弹在投下弹药后可飞回基地，重复使用。

2012年10月，印度国防研发组织称印度计划在12～18个月内进行首次高超音速技术验证飞行器（HSTDV）飞行试验。HSTDV项目旨在生产一种烃燃料超燃冲压试验件，飞行速度达到6-7马赫，并可进行自主制导飞行。HSTDV将为研制高超音速巡航导弹及高速侦察平台奠定基础。据称，以煤油为燃料的超燃冲压发动机初步地面试验已完成，目前正在进行与飞行器的集成工作。虽然研发团队进行了大约10次发动机试验，但尚未突破发动机燃烧持续20秒，20秒是初始飞行试验中所需的运行试验。此外，印度科学家卡拉姆也透露印度正在开发的“布拉莫斯”2导弹为一种全新的高超音速飞行器。可见，印度已全面启动高超音速武器研制计划。endprint

请谈谈高超音速飞行器外形设计

王：在飞行器发展历史上，飞行器外形设计为突破音障发生了较大的变化，也造就了现代飞机后掠翼、三角翼的基本模式，特别是对飞机机体和机翼构造的影响非常大。而高超音速飞行器的飞行要跨越亚音速、音速、超音速3个阶段才能进入高超音速，飞行速度的范围非常宽。同时飞行器要从稠密的大气层冲向稀薄大气层，空气密度变化很大，高超音速飞行器外形设计必须适应这些变化而稳定飞行。由于超高速飞行的数据积累非常少，难以预想的因素很多，难以进行数学计算，同时，目前飞行器设计必须采用的风洞又很难创造稀薄空气下的超高速飞行环境，这就使外形设计更困难。

高超音速飞行器为克服热障，需要精心设计飞行轨道和气动外形，使其在不影响或少影响飞行器性能的情况下，尽可能降低进入飞行器的气动加热率（热流）。不同类型和用途的再入航天器，其飞行轨道和气动外形有很大不同。弹道导弹弹头要求以最快的速度命中目标，于是采用小钝头细长形气动外形（尖头外形不行，因为不管用什么材料制造都将很快被烧钝）以减小阻力和速度损失，并采用与地平面很大夹角（再入角）的飞行轨道以缩短再入航程。但这样一来，它们就要承受最严酷的短时间高热流气动加热。而返回式卫星或宇宙飞船，返回时间长短不是其主要性能指标，于是采用小再入角、缓慢减速的轨道以及大钝头体的飞行器外形以降低加热率（加热率与头部曲率半径的平方根成反比），从而形成低热流长时间的气动加热环境。当然，这样做的另一考虑是，不使飞行器的过载超过宇航员所能承受的程度（一般认为不应超过5g）。而高超音速飞行器既要满足下滑时快速加速，又要满足滑翔巡航中的气动可控性，还要克服气动加热问题。X-51A采用的乘波体是一种较有前途的设计。它在高空中不用机翼而是用机体本身形成升力。其通过高速运动压缩飞行器前的空气，在飞行器前端会产生激波现象，这种激波不仅是阻力的源泉，也是飞行器在激波的锋面背后产生升力的载体，就像高速冲浪板的运动与漂浮一样，这就是乘波体。乘波体在大气层内靠压缩升力和激波升力飞行，可以较好地解决阻力与升力的问题，也可以协调飞行器一体化设计问题。

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请谈谈对高超音速武器如何防御。

王：高超音速武器的军事优势都是相对于其它类型武器和过去的防御技术而言的。它也存在着其固有的缺陷，这成为未来对其防御的基础。

高超音速武器的缺陷之一是信号特征明显。高超音速巡航导弹根本做不到隐身，原因有两个方面。

一是巡航高度很高。由于空气对导弹的阻力或说能量消耗与空气密度成正比，为使导弹飞得远，巡航高度通常选择在中高空发射和巡航飞行，而这个高度是最易被敌方预警雷达或预警机发现的。例如，目前主要用于探测弹道导弹的X波段相控阵雷达即使在地面，对于X-51这样飞行高度为40千米的高超音速巡航导弹，理论上的探测距离可达到近800千米，这可留给地面拦截武器足够的反应时间。

二是雷达和红外信号特征明显。2～3马赫超音速方案的雷达散射截面通常为亚音速方案的10倍以上，在3-5微米的短波长红外区内，其红外信号特征通常为亚音速方案的20～50倍。高超音速巡航导弹的雷达和红外信号特征更是随着速度的增高显著增加，这更会过早暴露飞行航迹。

高超音速武器的缺陷之二是飞行机动性差。当导弹以机动飞行避开敌方的迎头拦截和电子干扰时，由于导弹的转弯半径与飞行马赫数的平方成正比，因此高超音速飞行时其法向过载将大幅增高，导弹机动过载大的情况下阻力会急剧增加，不仅影响了射程，而且对弹体强度提出了很高要求。

针对这些缺陷，国外已开始开发对高超音速武器的防御技术。在2008年3月，俄空军30中央科学研究所所长巴雷科就透露，该所正在改进米格-31以满足打击高超音速飞行器的要求。巴雷科指出，改造后的米格-31将配备远距空空弹。其打击隐身飞机、巡航导弹及高超音速飞行器的能力大体能提高50%至4倍。此外，印度国防研究与发展组织发言人萨拉斯瓦特在2010年3月也透露，印度已开始研制新型远程雷达和高超音速拦截导弹，以加强反导拦截网的空中拦截能力。

什么武器适宜拦截高超音速武器？

王：目前尚未有国家建立高超音速飞行器拦截体系。从目前防空与反导武器看，防空系统主要拦截飞行高度小于20千米的航空器，世界上所有拦截航空器的地空导弹的最大高界均小于30千米。而高超音速巡航导弹和弹道导弹的飞行高度和飞行速度更接近，这就给反弹道导弹目标拦截器拦截高超音速巡航导弹带来了可能，但高超音速巡航导弹最大机动过载远大于弹道导弹目标，这又给反弹道导弹拦截器拦截高超音速巡航导弹带来了挑战。总的未说，反弹道导弹拦截系统无论是配套的探测系统能力，还是拦截导弹的飞行高度和速度，都更接近拦截高超音速武器的要求，因此可以以反弹道导弹拦截系统为基础发展高超音速武器拦截武器系统。

现有反导拦截武器能否应对？

王：经过改造是可能实现拦截的。我们以美军主力的陆基THAAD和海基SM-3反导系统为例来看其是否可实现拦截。对THAAD而言，要拦截X-51这样的目标存在两个缺陷：拦截高度下限过高和末制导方式。X-51在25-40千米的高度范围内飞行，而SM-3的拦截高度下限在80千米以上，THAAI）的拦截高度下限在60千米以上，针对此高度以下至20千米高度以上的空域还是防御空白。拦截弹采用高抛弹道时会高于40千米，如果末制导只采用红外系统，向下探测X-51之类的目标时，复杂的地面红外背景辐射会给目标探测带来极大困难，不利于捕捉并碰撞目标，因此应采用多模末制导方式。对于拦截速度，由于X-51的巡航速度可能达到6-9马赫，所以拦截弹的速度不应低于6马赫，拦截距离不应小于200千米。SM-3的情。况类似于THAAD。可以看出，拦截弹需改进拦截高度到20-45千米，调整拦截速度大于6马赫，调整拦截距离为大于200千米。这些指标对于THAAD和SM-3拦截导弹都可通过技术改造实现。endprint