宏亮瞻局|透视高超声速打击:继核武后的战争新纪元(上)

澎湃新闻特约撰稿 王宏亮

2017-06-25 10:24 来源:澎湃新闻

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“天下武功,唯快不破”的道理同样适用于武器。
人类对速度的追求是无止境的,在武器发展史上体现尤为明显,这可能是人类的天性。
迄今为止,战争中的交火和死伤记录仍然只存在于地球大气层内,它的速度极限是多少呢? M1A2“艾布拉姆斯”主战坦克120毫米滑膛炮的炮弹初速能达到1700米/秒,约合5马赫(1马赫即1倍音速),但这种速度仍然不可控。埃及空军的苏制米格-25“狐蝠”战机在1971年第四次中东战争中,曾以3.2马赫甩开了试图拦截的以色列战机,当时另外一款能飞到这一速度的飞机是美国的SR-71“黑鸟”侦察机。
3马赫,这就是人类截止目前在战争中的最高可控速度。
速度对战争的意义显而易见,比对手更快意味着拥有战争主动权,意味着可以打击时间敏感目标,意味着更高的突防概率,意味着不给对手反击机会……终极目标就是战争的胜利。因此,战争中的速度竞赛只会永远持续下去。速度的基础是技术,在21世纪的今天,人类已经有了更先进的速度科技,未来战争机器发展的目标是6~30马赫的可控速度,并且有些武器还拥有8000公里以上的打击范围——战争将因此彻底改变。
人类把这样的武器定义为——高超声速飞行器。
武器的速度革命
高超声速飞行器被视为下一代飞行技术,根据美国俄亥俄州空军研究实验室高速系统分部的负责人罗伯特·梅谢尔介绍:“我们取得对高超声速飞行技术的掌握,就如同从螺旋桨式飞行时代过渡到喷气时代,自莱特兄弟以来,我们一直在研究如何使飞行变得更好、更快。目前,高超声速飞行技术就是航空界潜在的前沿领域之一,我相信我们即将进入这个舞台。”
从上世纪90年代末美国为应对全球反恐威胁而启动“1小时打遍全球”计划以来,围绕如何进一步提高武器系统的精确打击速度,美俄中等航空航天大国陆续研发并试验了多种型号的革命性武器系统。归纳起来,主要包括常规洲际弹道导弹、亚轨道滑翔飞行器、吸气式高超声速飞机/巡航导弹、空天飞机四大类。其中速度最快的当属空天飞机,其太空中的在轨运行速度最快可以达到20~30马赫;相对最慢的是吸气式高超声速飞机/巡航导弹,由于该类飞行器的飞行空域仍在传统大气层范围内(20000~35000米),因此最大飞行速度一般多在10马赫以下。
洲际弹道导弹是一种诞生于60多年前的传统全球打击武器,其攻击模式不具有革命性,且使用上仍面临一些难以解决的问题。因此,亚轨道滑翔飞行器、吸气式高超声速飞机/巡航导弹、空天飞机才是未来更有希望改变游戏规则的高超声速飞行器。
在飞行轨迹上,亚轨道滑翔飞行器堪称最具革命性的高超声速平台。顾名思义,亚轨道滑翔飞行器的主要工作空域位于35~ 300公里高的亚轨道空间,其工作方式是先用火箭或弹道导弹将飞行器带至亚轨道,随后飞行器与火箭脱离,并在高空做无动力滑翔。当飞行高度逐渐降低到亚轨道与大气层边界时,发动机点火,推动飞行器爬升,此时发动机关闭,飞行器再次进入无动力滑翔,如此反复循环,其飞行轨迹类似于“打水漂”游戏。由于亚轨道空间的空气阻力极小,且发动机只需要间歇性工作,因此亚轨道滑翔飞行器可以轻松达到高超声速。
以美国做过飞行试验的HTV-2“猎鹰”为例,其最高速度高达近20马赫,亚轨道滑翔时的波峰高度为60000米,波谷高度为35000米。“猎鹰”两分多钟进行一次“跳跃”,每次跳跃的距离约为450公里。在携带5吨武器载荷的情况下,“猎鹰”分别能够在45分钟内、52分钟内精确打击13000公里、16700公里的目标,且飞行器与火箭均可重复使用,性价比极高。
HTV-2采用助推-滑翔的方式实现超声速飞行,图为HTV-2飞行设想图。
吸气式高超声速飞机/巡航导弹可以被认为是现有高速飞行器的技术延伸。在大气层内如果想飞到5马赫以上的速度,依靠传统喷气式发动机基本是不可能的。因此,美俄等国计划在下一代高超声速飞行器上安装被称为“第三次飞行动力革命”的超燃冲压发动机。由于超燃冲压发动机必须在吸入高速气流的情况下才能启动,因此,无论是X-43试验无人机还是X-51高超声速巡航导弹,均必须由大型载机带入空中后放飞,再由火箭发动机将飞行器加速到5马赫左右,此时超燃冲压发动机才能介入工作。这一点对于高超声速巡航导弹来说尚不算问题,但对于需要独立起降的飞机来说就很难接受了。
洛克希德-马丁公司在其6倍声速的SR-72战略侦察机方案中采用了一种组合式动力方案,即先用一台涡喷发动机将飞机加速到一定速度,然后由超燃冲压发动机接力工作,将飞机最终推至6马赫高速。
最后一类高超声速飞行器其实是一种新型航天飞机。虽然美国与苏联的航天飞机早已具备大气层内滑翔飞行及自主整机返航能力,不过第一代航天飞机仍然是一种单纯的航天器,其不能在大气层内自由飞行。类似X-37B这样的空天飞机雏形希望探讨的是一种更具革命性与实用性的飞行方式,即在太空、亚轨道及大气层内自由跨界飞行。当然,目前的X-37B尚做不到这一点。 X-37B通过运载火箭进入低轨道,其在太空中的飞行速度可达到25马赫以上,在轨持续飞行时间长达270天。作为一个试验平台,X-37B目前的使用前景仍被聚焦于所谓“太空战”,本质上来说与已经停飞的航天飞机没有大的区别。
美国一直积极研制吸气式超声速巡航导弹,实现快速打击的梦想,图为B-52机翼下方挂载的X-51A飞行器。
高门槛让提速举步维艰
无论什么类型的高超声速飞行器,其最关键的技术核心都是动力系统。为了回避空气阻力,高超声速必然与“高高度”相伴,洲际弹道导弹与空天飞机的主要高速飞行段都在接近真空的太空,亚轨道滑翔飞行器运行在空气密度极低的亚轨道空间,而吸气式高超声速飞机/巡航导弹虽然仍在大气层内,但也只能在2万米以上的超低气压环境中飞行。
没有空气,意味着传统喷气式发动机无法使用,速度的奥秘只能是动力系统的革命。以目前的科技水平,真空环境下飞行器可供使用的只有火箭发动机,但火箭发动机需要带庞大的氧化剂储运箱,占用了有效负载吨位,在大气层内飞行时效率很差。真正的空天飞机要想自由往返于大气层内外,就必须至少准备两套动力系统,即大气层内的喷气发动机或超燃冲压发动机,以及大气层外的火箭发动机,这意味着无法避免的单空域庞大死重。而当空天飞机返回大气层后,没有了外置火箭助推,仅凭空天飞机自身发动机的推力,再次脱离第一宇宙速度的难度极大。因此,可供作战使用的真正空天飞机离成熟还很远。
对于亚轨道滑翔飞行器来说,其如果在亚轨道近真空环境中使用火箭发动机,氧化剂死重仍然是个问题。所幸发动机的点火高度正好在大气层边缘,超燃冲压发动机在35000米高度仍可以工作。但这对发动机的技术性能提出了更高要求,由于可工作时间很短,其必须能够在点火瞬间即提供足以将飞行器送上波峰的强大推力,而此时空气已非常稀薄,发动机工况极其恶劣。
因此,目前最有实用前景,技术相对更成熟的高超声速飞行器为吸气式高超声速飞机/巡航导弹,美俄等国目前的研发重点也正是该类武器。要想在10年后将其投入实战,关键就要看超燃冲压发动机能否在技术及可靠性上取得重大突破。
超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机。超声速或高超声速气流在进气道扩压到较低超声速,然后燃料从燃烧室壁面的突出物喷入与空气混合并燃烧,最后,燃烧后的气体经扩张型喷管排出。超燃冲压发动机的工作窗口极其狭窄,错过一点点,超声速燃烧就不能维持。另一方面,温度升高使声速升高,不及时补偿的话,也会破坏超声速燃烧的条件。使用超燃冲压发动机的美国X-51A巡航导弹的多次试飞都不是很成功,发动机最长一次持续工作时间也只有300秒,离实用化还差的很远。
高超速声速巡航导弹要想在10年后将其投入实战,关键就要看超燃冲压发动机能否在技术及可靠性上取得重大突破。
高超声速飞行器需要解决的技术问题绝非仅有发动机一个,速度与机动悖论也让人头疼。物理学基本常识告诉我们,物体速度越块,其运动惯性就越大,改变速度矢量的难度也越大。此外,随着飞行高度上升,空气密度越来越低,飞行器的气动面舵效越来越弱。在此情况下,为了保证飞行器的方向可控,就必须采用发动机推力矢量系统来强行改变飞行轨迹。在高超声速飞行中赋予飞行器强大的外力过载,将让飞行器的结构与材料强度面临严峻挑战。
对于亚轨道滑翔飞行器来说,其还面临另外一个技术问题。该类飞行器的飞行高度正好与35000到80000米的“黑障”高度重合,此时飞行器最大速度可达20马赫左右,虽然空气稀薄,但剧烈的气动加热仍可能导致飞行器被电离层包裹,电磁波信号将被电离层阻隔,飞行器雷达无法搜索目标,自身也很难接收导航或目标坐标信息,外界很难对飞行器做遥控操作。
高超声速是人类过去很少进入的速度区间,对飞行器在高超声速条件下的工作状态,人类还知之甚少。除发动机、飞行控制与“黑障”等难题外,高超声速飞行器还需跨越低成本耐高温材料、低阻外形设计等各种技术障碍。因此,虽然相关科技进步很快,但人类目前在技术上可供实战的高超声速武器其实仍然只有弹道导弹一种。(未完待续)
责任编辑:谢瑞强澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
关键词 >> 高超声速武器

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