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【瞭望智库】高超声速武器被俄罗斯领先,美国暂时认了,现在又冒出个印度……(文:苏世伟)

瞭望智库 2022-08-27

今日俄罗斯电视台网站援引俄罗斯国防部长谢尔盖·绍伊古的话报道称,在乌克兰冲突期间,俄罗斯军队成功发射了3枚“匕首”高超声速导弹。

绍伊古8月21日对俄罗斯电视一台说:“在对(乌克兰)的特别军事行动期间,我们曾三次使用这款导弹。它三次均展现出突出性能,这些性能是世界上其他类似导弹所不具备的。

俄罗斯总统普京也高度评价本国的高超声速导弹发展水平。据美联社报道,普京曾在与高级军官举行的一次会谈上说:“现在我们正处于史无前例的一个阶段,其他国家正在努力追赶我们。目前世界上没有一个国家拥有高超声速武器,更别说是拥有洲际射程的高超声速武器。”

与之相比,美国的高超声速导弹研发似乎就不那么乐观了。2018年2月,美国太平洋司令部前司令哈里斯表示:“美国的高超声速技术落后了”。不过,在未来几年内,美国仍要生产数千枚高超声速导弹,并实现大规模部署。

那么,美俄的高超声速导弹研发到底是什么情况?

文 | 苏世伟 上海国防教育学院

编辑 蒲海燕 瞭望智库

本文为瞭望智库原创文章,如需转载请在文前注明来源瞭望智库(zhczyj)及作者信息,否则将严格追究法律责任。


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什么是“靠谱的高超声速导弹”?




2022年3月18日,俄罗斯国防部称,俄军首次在乌克兰使用了高超声速导弹——“匕首”高超声速导弹(全称Kh-47M2 Kinzhal)摧毁了伊万诺-弗兰科夫斯克地区的一个储藏乌克兰导弹和航空弹药的地下仓库。

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从米格-31战机发射的“匕首”高超声速导弹。图|人民视觉

有工程界人士提出质疑,俄罗斯将此举标榜为人类首次“高超声速武器实战”,宣传意义远远大于实际意义,因为“匕首”不是严格意义上的高超声速导弹,没有在大气边缘飞行的能力。

具备两个核心能力,才称得上高超声速武器:至少以5马赫的速度飞行,在大气层中至少飞行一半的射程。

实际上,超过5马赫就是超声速、超过5倍声速的导弹就是高超声速导弹,这样理解高超声速导弹并不准确。很多弹道导弹都能达到这个速度,不但美俄削减的部分中程导弹能达到,洲际弹道导弹的末端速度都高达25马赫了。显然,达到5倍声速是高超声速导弹的必要条件,不是充分条件,高超声速导弹并不限定于速度快的导弹。

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携带“匕首”高超声速导弹的米格-31战机。

就当今的反导技术而言,导弹速度达到3公里/秒就难有武器系统可以对其进行有效拦截,因此,远超5马赫的更快速度是高超声速导弹的必然追求。

高超声速导弹除了有明确的速度要求,还要具备在大气内和大气边缘灵活机动的能力。

为简化高超声速导弹的分类,从飞行方式上界定,高超声速导弹可分为两类:一类是“滑翔弹”(HGV),即高超声速滑翔器;另外一类是“冲压导弹”(HCM),即高超声速巡航导弹。

“滑翔弹”(HGV)一般用火箭作为动力送到大气层外或边缘释放,滑翔弹凭借助推力提供的惯性,让气流流过弹体产生升力乃至激波来飞行并做出滑翔机动,主动规避可能的拦截。

“冲压导弹”(HCM)与传统的巡航导弹相似,依靠超声速燃烧冲压发动机作为动力,飞行速度更快,但规避能力远不如“滑翔弹”(HGV)。而且HCM具备巡航导弹的各种优势,可以降低飞行高度进入地面的雷达盲区,利用地面杂波又能干扰对空雷达,保护HCM不被发现。

俄罗斯宣称对乌克兰使用了“匕首”高超声速导弹,然而根据视频和照片可以看出,Kh-47M2 Kinzhal并没有任何进气口,因此并不满足5马赫以上的速度要求,弹头也采取传统圆锥体弹头,没有弹翼,说明该类型短程战术弹道导弹并不具备大气边缘飞行的能力。没有弹翼的圆锥体弹头说是“机动再入载具”都很牵强,更别提滑翔弹的大范围机动了。

冷战时期具备“机动再入载具”能力的美国“潘兴”II中程弹道导弹,弹头在再入大气后拉起,主动雷达开机对地面进行扫描,控制弹翼进行机动寻找目标。但“潘兴”II并不能被称为高超声速导弹,Kh-47M2 Kinzhal更该是盛名难副。

如此,高超声速导弹的定义就简化为:采用冲压引擎在大气内飞行速度超过5马赫的巡航导弹,或具备大气内和大气边缘机动飞行能力的滑翔导弹。

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美国的高超声速武器差在哪儿?




百年来,美国一直是世界武器研发的领先者。不过,在高超声速导弹方面,美国有口难言,喜忧参半。早在1950年美国就开始研发高超声速武器,当时,由于受到技术限制,加之需求也不急迫,便逐渐停滞下来,转而专注其他武器的研发,因此高超声速武器的研究相对缓慢。

1950年代美苏都拥有核武器之后,两国开始研究反导系统。当时苏联的R-12中程弹道导弹(SS-4“凉鞋”)最大飞行速度达4公里/1秒,而美国的A系统V-1000拦截弹最大飞行速度只有1.5公里/秒。

好在弹道导弹沿抛物线弹道飞行,当时的远程预警雷达在975公里外就可以发现和预测导弹的飞行路线,A系统依靠3部制导雷达,用三角定位法测算出弹道轨迹,之后发射拦截弹到预定拦截点就可以了。

同样,苏联部署了A-35/A-35M反导系统,不过苏联的拦截导弹使用的是核弹头,现在听起来夸张,却是事实。

1980年代美国“星球大战”计划推出,先后开展一系列高超声速武器的研制。美国空军和美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,简称DARPA)确定的目标是:建造从美国本土发射、打击全球、可重复使用的高超声速武器系统FALCON。

但是,美国国会担心,美苏刚刚签署了中导的限制条约,高超声速武器系统使近程战术导弹射程达到中程弹道导弹的射程,这种无法和洲际核导弹区分的武器会使对方误解。为了与洲际核导弹区分开来,美军在研制HTV-1和HTV-2高超声速飞行器时,放弃了导弹外形,而采用了对滑翔性能和升阻比要求很高的乘波体外形(也叫乘波构型,是一种适宜高超声速飞行的外形)。

但是,乘波体外形的飞行器长时间在大气层内高速飞行,热障(飞行速度超过一定界限时,因高速气流引起机体表面温度急剧升高而遇到的障碍)就不可避免。承包商C-CAT公司生产的防热材料使用6到7层复合材料,每一层之间又存在空隙。即使这样,HTV-2高速飞行时还是导致机体膨胀瓦解,HTV-2两次试飞失败,美国国防部不得不取消了HTV-3发展计划。解决高超声速飞行器的热障技术难度太大,而且一直无解,导致项目彻底失败。

本世纪初,美军提出“一小时打遍全球”的建设目标。美国在DARPA主导下提出“猎隼”计划,核心是开发类似弹道导弹的投送系统和再入飞行器,来实现“一小时打遍全球”的愿景。2020年2月,美国海军协会官网透露,“猎隼”计划的项目没有几个成功的,很多项目被包装成了高超声速武器,也只是蹭热度而已。

2010年,美国的X-51A试验机首飞成功,被寄予厚望,但是试验机的速度和发动机性能都没有达到预设指标,最高速度只有5马赫,未达到预期的6马赫以上,发动机只工作了140秒,未达预期的一半,还有许多附带问题。

2011年、2012年的试飞均以失败告终,2013年的试飞只加速到5.1马赫,未达预期,最终这一项目也停止运行。美国在X-51之后开展的相关高超声速武器研发,也是光开花不结果。

同样是为了解决热障问题,咱们看看美国对X-51A的投入:X-51A超燃冲压发动机舱壁由薄壁铬镍铁合金板制成;四个可动小翼前缘采用碳/碳复合材料(carbon-carbon composite material),后缘材质是铬镍铁合金;机体的尖前缘和进气道口粘贴了航天飞机用的BRI-16隔热陶瓷;巡航体与机体中间采用了铬镍铁合金防止热量传导;发动机舱装有柔性隔热材料,机体表面覆盖了不同厚度的轻质烧蚀泡沫。可以说X-51A成为新技术、新材料的聚宝盆,但依然没有修成正果。

美国高超声速武器研发差在哪儿呢?

主要是美国胃口太大,定的目标太高,以为其他领域成熟的新技术都能被高超声速武器所吸纳,因此欲速则不达。

美国预设HTV-2的射程为16000千米以上,速度为22马赫,这样的高难目标梦想一次性实现,就不太现实。屡战屡败之后,美军渐次清醒,意识到高超声速武器研发要稳扎稳打,不能急于求成。如今美军也开始搞技术风险低一些的AHW助推滑翔式再入飞行器。当然,AHW的低速、短距、低升阻比(飞行器在飞行过程中,在同一迎角的升力系数与阻力系数的比值),不可能满足美军全球打击的目标,这又构成了美军新的困境。

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大手笔研发,然而计划赶不上变化




日前,第13届印度国际航空展在印南部城市班加罗尔的耶拉汉卡空军基地拉开帷幕。这届航展上,东道主最大的亮点莫过于一款印度国产的高超声速导弹——HGV-202F,虽然展出的是缩比模型,但也让人充满期待。

该导弹由一家初创公司HTNP Industries研制,预计将在2023年首飞。该公司称,研发团队已经完成了HGV的理论设计工作,攻克了材料和通讯方面的技术难题,并且还大大降低了开发成本,只相当于美国HTV-2“猎鹰”的5%。资料显示,这家公司成立于2019年,规模仅有11至50人。

在高超声速武器领域,被俄罗斯领先,美国暂时认了,现在又冒出个印度,如果印度这家公司成功了,并且成本只是HTV-2“猎鹰”的5%,这让美国情何以堪?

尽管高超声速武器研发步履维艰,但美国的战略规划可是大手笔。其高超声速武器研发计划主要体现在四个方面:一是高超声速导弹,二是高超声速飞机,三是天地往返可复用空天武器,四是高超声速飞行试验平台。这样的规划才与美国的实力相匹配,远不是印度所能比拟的。

本来,2017年之前,美国一直按先导弹、再飞机、最后可复用飞行器的路线图和相关技术成熟度来实施其一系列高超声速武器研发计划。但计划远赶不上变化。

2018年3月,俄罗斯总统普京在国情咨文讲话中透露了俄两款高超声速导弹。倍感压力的美国,对高超声速武器研发的原计划进行了大幅调整,试图先期利用成熟的高超声速技术加快高超声速导弹的部署步伐,然后在相关技术不断成熟的基础上推进高超声速飞机和天地往返可复用空天武器的发展。

显然,美国又急了,可是心急吃不了热豆腐。

俄罗斯《祖国军火库》主编阿列克谢•列昂科夫认为,美国在高超声速武器发展中,遇到了两个瓶颈,一个是材料,一个是控制技术。关于控制技术,美国把先进的人工智能结合进去,应该就能解决远距离和高速度操控的问题,但是目前的测试表明,美国就是结合不了。

因为,高超声速导弹飞行速度过快,会在临近空间高度时产生类似于火箭发射时的“黑障”(航天飞船的返回舱在以超高速进入大气层时会产生激波,使返回舱表面与周围气体分子呈黏滞和火烧状态,热量不易散发,形成一个温度高达几千摄氏度的高温区),此时无线电指令难以对其进行直接操控。但美国的卫星通信链笑傲太空,解决这一问题只是早晚的事。

殷鉴不远,这回美国重点投入热防护系统,力图早日解决老大难问题。

克服高超声速系统在飞行过程中面临的高热环境,需要高温复合材料,但目前美国可用材料选择性有限,材料制备时间长,而且工艺繁琐。加强先进热防护材料研究并尽快实现工业生产成为美国高超声速武器研发的重点。

2021年,美国防部与美国未来轻量制造业创新中心((Lightweight Innovations for Tomorrow,LIFT)合作,开展高超声速发展挑战赛,推动工业界高超声速飞行器材料与制造领域发展,针对材料工程一体化建模与仿真(ICME)工具、先进制造方法、高超机体与舵面前缘等位置高温复合材料及其原料的新生产方法等问题征集提案。同时依托美国防御、制造、空间和技术办公室,持续推进高超声速应用碳/碳复合材料制造计划(MOC3HA),旨在研究与碳/碳复合材料有关的工业基础,为高超声速导弹武器热防护系统的大批量、高质量生产制造创建有利环境。

可见,对热防护系统的研发,美国是开足马力、全民动员。

当然,对此不惜血本的还是美国军方。2021年11月,美国陆军快速能力和关键技术办公室(RCCTO)向Dynetics公司授予了一份价值4.78亿美元的成本加固定费用合同,用于开发高超声速热防护系统原型,支持材料研究以及先进的检查和验收标准,推进高超声速导弹先进热防护材料技术研究发展。

美国空军也没闲着,按常理“玩”高超声速导弹是空军的本分,但空军未来将配备的AGM-183A“箭”空射高超声速导弹的试验却让人大跌眼镜。

此前,AGM-183A“箭”空射高超声速导弹的第一次空射便失败了,而失败的原因竟然是没能从B-52H远程战略轰炸机的翼下发射架上脱离。美国空军把第二次试射改为了计算机模拟测试,虽然之后宣布第二次试射成功了,但计算机模拟的试射并不是导弹真正意义上的试射,目前AGM-183A“箭”空射高超声速导弹可靠与否,还是未知。

值得一提的是,今年1月5日和11日,朝鲜公开宣布朝鲜国防科学院成功进行了高超声速导弹试射。虽然朝鲜高超声速导弹的品相仍然是个谜,但是日本对其充满想象,并进一步加深了自身忧虑。日本防卫省计划在2023财年的预算中列出提高拦截高超声速导弹武器系统能力的专门款项。高超声速导弹的搅局功能可见一斑。

现阶段,美国看到了自己在高超声速导弹供应链、工业设施、制造技术、材料基础等诸多领域存在瓶颈,力图通过完善供应链、兴建生产设施、创新制造模式、加强先进材料及其工业基础研究等举措,推进美国高超声速导弹工业能力建设。至于这些举措的效果如何,我们可以拭目以待。

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