高超音速飞行器是近一段时间军坛上的热点话题。8月7日网传我国“Wu-14高超音速滑翔式导弹"(网传不做证实)试验失败;8月25日美国陆军高超音速武器(AHW)进行试射,导弹升空后4秒因故障被迫引爆。至此中美成为了这领域全球的焦点,高超音速武器的研发拉开了21世纪空天进攻和防御对抗的大幕,势必成为未来几十年最耀眼的军事科技项目之一。
一、什么是高超音速?
我们知道几十年来传统的飞机和导弹发动机在3至4倍音速时就会遇到速度瓶颈。为了打破速度极限,人类开始研发高超音速的飞行器。那么高超音速飞行器要有多快呢?我们说要起码达到每小时6 000千米的飞行速度,也就是5倍音速以上才算是高超音速,因为以5马赫为界的飞行气流性质不同,飞行器的设计也势必不同。高超音速飞行器要达到5倍以上的因素,就必须使用重新设计的专用发动机,在3-4倍音速上的超音速导弹系统使用的冲压发动机,是不能直接用于高超音速飞行器的,所以研发所谓的超燃冲压发动机就是整个高超音速飞行器设计的重中之重,这类发动机如果能成熟应用到未来的高超音速飞行器中将是一场新的动力革命。另外高超音速飞行器在跨越超音速和高超音速的时候,飞行器的控制能力要求是不同的,对飞行器的外形要求非常苛刻,因此如何设计兼容不同速度的飞行器外形和控制操作系统,让飞行器稳定的进行飞行是另一个巨大的设计难点。
二、什么是高超音速武器?
最有威胁的高超音速武器一般在临近空间高度飞行。所以我们先讲一下临近空间,临近空间是指高于一般航空器飞行高度,而又低于航天器轨道高度的空间区域。目前,国际上对临近空间区域具体高度范围尚无统一的定义,大多数观点认为其高度下限为20 km——30 km,上限为100 km ——150 km。这个高度区间大气层大致包括: 大部分大气平流层、全部中间层和部分热层区域。飞行在该空间区域,既可以避免绝大多数的地面防空武器和大部分战斗机防御攻击,又可以提高军事侦察和对地攻击的精度。在临近空间部署高超音速武器对于情报收集、侦察监视、通信保障以及对空对地作战等,具有极大军事价值。专业机构对临近空间高超音速武器的定义是:部署在临近空间、执行特定任务的飞行器以及与之配套的地面技术装备所构成的系统。该类武器具有飞行速度快(
5Mach—16Mach,甚至更高。1Mach=340 m/s) 、飞行距离远、机动能力和生存能力强等特点,可远程快速到达、高速精确打击、快速组合发射、远程快速投送,即可携带核弹头实施战略威慑,又可灵活选载精确弹药攻击高价值或时间敏感目标,也可携带传感器实施全球重要目标的快速战略侦察。
三、高超音速武器是如何分类的?
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1 000千米,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。
第二类是“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-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。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-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。
四、世界各国在高超音速飞行器上的研究进展如何?
这是军迷最关心的问题,基于高超音速飞行器巨大的军事价值,目前各军事强国都在大力开展各类临近空间高超音速武器的技术研发与样机试验,除中国外,美国处于世界领先水平,俄罗斯紧随其后,法国、德国、日本、巴西都在研究相关技术。
美国“FALCON”计划的重要项目之一是研制通用再入飞行器(CAV) 和高超声速巡航飞行器(HCV) 。CAV是一种高超声速滑翔再入飞行器,可以投送约454kg的战斗载荷,打击精度达3m,基本型最大打击距离5560km,横向机动距离可达1800km,增强型最大打击距离16700 km,横向机动距离可达5500 km。HCV 可从常规军用跑道上起飞并可重复使用,其飞行高度为35 km-75 km,飞行速度约为10 马赫,能够在两小时内内将5500kg的载荷投送至16600km远处的多个目标。除CAV 和HCV 外,美军还研制了上面提到的X-51A超燃冲压长航时飞行器,并在加利福尼亚州爱德华兹空军基地进行了一系列的试飞。该飞行器由包括美国空军、美国国防部高级研究计划局、美国国家航空和航天管理局、波音以及普拉特.惠特尼公司联合研制。在试飞中X-51A利用普惠公司制造的吸气式超燃冲压引擎,可提供超过200秒的动力冲压支持,使飞机在短时间内提速至五马赫。经过三次测试,X-51在去年取得了突破。在一次成功的飞行测试中,该飞行器虽然仅飞行了300秒,但飞行距离达数百公里,飞行高度超过2.4万米,飞行速度超过5马赫。一旦研制成功,X-51A将为美国提供新一代的“全球快速打击”能力。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。美空军在使用碳氢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-51A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。
美国另一个明星是X-43A,它是一架高超音速无人机,长3.6米。第一次试飞是在2001年6月2日进行,试验失败。首次成功是在3月27日,当时试飞的第二架X-43A实验机在脱离飞马座火箭后,在约95,000英尺的高空中以自身的动力飞行了11秒,到达约7马赫(约等于8,000km/h)的高速,然后再逐渐滑翔直至落入美国西海岸外的太平洋中。第三次也是最后一次的飞行,由加州爱德华兹空军基地起飞的NB-52B母机携带着飞马座火箭与X-43A升空后,在40,000呎的高空中点燃火箭,将X-43A推到足以启动的高度与速度状态。X-43A最后在短暂的冲刺之后做出接近9.8马赫(约11200公里/小时)的超高速飞行,飞到离地表超过35公里远的高空。基于尊重引用文献作者的目的,如果有转载的话,请注意版权问题。
俄罗斯方面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。俄罗斯的临近空间高超音速武器发展计划为GLL-VK高超音速飞行器计划。该计划展示了俄罗斯独特的武器设计思想,采用弹道导弹的发射系统和动力型高超音速巡航导弹技术相结合,形成“弹道+巡航”的组合式导弹,可在26km-50km的高度上以8马赫-14马赫的速度巡航。该型导弹已经成功进行了低弹道飞行试验,最高速度达到了14马赫。
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。法国的航空航天研究院和宇航-马特拉公司正在开展"普罗米修斯(Promethee)"计划。目的是研究碳氢燃料双模态超燃冲压发动机推进的高超声速空地导弹。该空射型导弹采用的是半椭圆外形的"南瓜子型"无翼乘波体方案,弹长6m,总发射质量为1700kg,航程大于1000km,最大速度可达8马赫。
德国高超声速导弹的主要性能指标为:飞行马赫数6.5,采用高能、高密度的吸热型碳氢燃料超燃冲压发动机,惯性加全球定位系统复合制导,射程为1000km左右,命中精度在15m以内。
印度方面已全面启动高超音速武器研制计划。在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。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。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。
五、高超音速武器的优势是什么?
1、飞的更快更高更远:
与现有空气动力飞行器相比,飞行高度高、速度快、打击距离远,飞行过程易造成黑障。现有空气动力飞行器一般飞行速度小于3马赫,且升限一般不超过30km。高超音速武器与之相比,飞行速度约在5Mach-16Mach,甚至更高。飞行高度在30km-100km 之间,射程可达15000km。高超音速飞行中,飞行器与大气层的激烈摩擦及其对大气层的挤压,使得飞行器周围的温度激增,高温高压的作用使得大气发生离解和电离,电子密度大大增加,在高超音速武器周围形成一个电离气体层( 即等离子体鞘套) 。该电离层将对电磁波产生吸收和反射,造成信号的衰减,形成黑障。
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。与弹道导弹相比,高超音速武器采用非惯性弹道飞行,具有一定的滑翔或巡航能力,隐蔽性高且突防能力强。高超音速武器通常采用轴对称锥形体、翼身组合体、升力体和乘波体等气动外形,具有一定的升阻比特性和高机动性,尤其横向机动性很强,例如下滑弹头横向机动后还可继续飞行3000 km-5000 km。与弹道导弹不同,临近空间高超音速武器在大气中进行有动力巡航或无动力滑翔飞行,属于航空动力学范畴,其飞行航迹具有很强的机动性,探测系统既无法使用类似轨道目标的轨道动力学规律预测轨迹,也不能获得类似空气动力目标的较大反应时间,临近空间高超音速武器具备很强的机动突防能力。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。2、反制防御和突破能力更强:
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一般难以实施拦截。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。
3、全域全球打击能力:
与需要携带大量氧化剂的传统弹道导弹不同,这种新式高超音速的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。
不过,与其他飞行器相比,高超音速飞行器必须要求做到不间断的低时延、高可靠的超视距测控。在航天测控方面,卫星按轨道动力学在空间开普勒椭圆轨道上无动力飞行,因此卫星测控只需测量一段轨道就能实现动力学定轨; 在弹道导弹方面,由于弹道导弹在末级关机点后基本是在空间惯性轨道上无动力飞行,因此末级关机点的运动状态基本决定了后续弹道和打击精度,故测控的最重要任务是对关机点的状态测量; 和以上航天器不同,高超音速武器飞行全程依靠自主动力或空气动力飞行,需进行全过程连续跟踪测量和实时定轨,其测控覆盖范围包括射场覆盖、飞行轨道覆盖、过顶覆盖等。高超音速武器比卫星飞行高度低,比飞机飞行距离远、飞行速度高,其飞行轨迹往往会飞越人口稠密地区上空,需采用地基多站接力及天基测控系统实现低时延、高可靠的超视距覆盖,完成实时、精确的“飞行遥控”。综合以上分析,临近空间高超音速武器对实时测量和精确遥控具有高度依赖性。
因此要走做到全球快速打击,即使是区域快速打击,也必须有海陆空完整而先进的测控系统进行保障。所以在高超音速飞行器的研发方面,具备全球先进测控能力的国家会占得先机,后来者仅仅依靠飞行器本身的技术也难以获得战略战役打击优势。4、惊人的攻击效能:
超高音速飞行器如用作导弹,那么有攻击附带损失小,战斗部比重大的特点。与现有空气动力飞行器采用的涡轮( 涡扇) 等喷气发动机相比,高超音速武器没有高转速的涡轮( 涡扇) 机构,与弹道导弹推进火箭相比,而高超音速武器只携带燃料,不携带氧化剂,大大减轻了弹体重量,可装载更多战斗部件,提高战略打击毁伤能力。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。
五、高超音速武器对于现代防空体系的威胁
由于高超音速武器具有以上特点,其对防御体系形成了以下三方面的严峻威胁和挑战。
1、防御方的反应能力急剧缩短。
攻击突然性增强。未来的临近空间高超音速武器可依托空基、地基、舰载发射,发射平台多变,发射方式灵活,发射准备时间短,导致发射突然性增强。作为时敏目标,高超音速武器飞行速度快,故防御方的反应能力形成了严峻的挑战。
2、预警时间急剧减小。
针对国土边境的预警时间( 发现后判定为临近空间目标) 只有约3分钟( 按高度20km、10Mach的目标计算) 11分钟( 按高度100km、6 Mach 的目标计算) ; 针对国土纵深要地防御( 距边境1000 km) 的预警时间也只有8-19分钟,而现有国土防空系统对常规飞机的预警时间一般大于30 min,急剧压缩的预警时间对防御系统反应能力提出了严酷要求。不过,由于这种武器的巡航高度很高。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。所以要继续发展基于探测弹道导弹的X波段相控阵雷达,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,在进行战略打击的时候,需要给地面拦截武器足够的反应时间。
3、大了来袭方位的不确定性,形成了新的防御半径和作战空间。
由于高超音速武器飞行距离远且机动性强,机动飞行距离可达数千千米,横向机动范围数百千米,增大了临近空间目标防御方位和作战半径的不确定性,需要防御方在更为广域区域展开作战。
4、一步凸显了现代防空作战“攻强防弱”的矛盾。
现代防空作战“攻强防弱”矛盾具体体现在:
( 1) 发现目标更加困难。传统防空体系主要针对飞机类空气动力目标,其中雷达等传感器的探测距离小,探测高度低,仰角小,数据率低,对临近空间飞行器这类高速高机动性基本没有探测能力,现有空间目标监视系统对空间目标的监视、编目能力差,对未知低轨目标的全天候、全天时监视和属性判别能力不足,受地平线限制和目标高机动影响,地基探测系统难于实现对临近空间目标的有效预警。不过,由于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。所以在防御方面还要加紧发展天基、海基和陆基红外预警雷达。
( 2) 难以实现对目标的跟踪和拦截。由于高超音速目标飞行高度一般处于传统巡航导弹、作战飞机、弹道导弹和空间目标的飞行间隙,且过顶时间短,防空系统难以在这一高度拦截,此外弹道导弹防御系统都是针对弹道导弹的弹道预测。高超音速临近空间目标具有比弹道导弹和亚音速巡航导弹更强的突防性能,需要研制能实现对高超音速临近空间目标有效跟踪和拦截的新型装备。但是要注意高超音速飞行器的飞行机动性差。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。因此在防御此类武器方面要想办法规避速度劣势,从点防御增加到面防御,扩大防御半径。
( 3) 传统防御体系面临清零危机。临近空间高超音速武器的出现,进一步增大了对传统防御系统的时空压力,且高机动性造成了传统防御体系的更多盲区和能力缺失,现有防御能力面临清零危机。目前在国外已开始开发对高超音速武器的防御技术。在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。
六,如何防御高超音速武器?
快速发展的高超音速飞行器将构成重大的战略和战术威胁。高超音速武器将战争扩展到了临近空间,使作战模式发生革命性转变,很可能成为未来威胁最大的空天武器。
A、发展新一代预警防御能力。
高超音速武器与现有空气动力目标相比,飞行高度高、飞行速度快,难以预警与跟踪,因此临近空间防御的首要需求是预警防御能力。
以体系防御展开说明,针对临近空间高超音速武器及其搭载平台的防御能力需求,应包括症候情报支持、预警探测、精确持续跟踪和准确的航迹预测、指挥控制、电子对抗与火力拦截武器相结合的打击、大范围的信息传输与分发共计6 方面打击能力。
( 1) 情报支持能力。
由于临近空间高超音速武器发射时间短,搭载平台和发射方式多变,发射突然性加大,故对其症候情报的获取能力极为重要,应能获取临近空间高超音速武器的部署位置、发射阵地等中长期信息。此外,能够具备掌握与临近空间高超音速武器相关的战备动员、兵力补充、演习试验、后勤保障、装备调动、部队部署等综合情况的能力,并通过综合分析获得症候,实施超前预警,使得实时预警、持续跟踪、全程电子对抗以及拦截武器系统等做好先期作战准备。
( 2) 预警探测能力。
由于临近空间高超音速武器飞行高度高,且可基于空基、地基、海基平台发射,故需要研发平流层飞艇载预警雷达等空基探测装备,超视距地发现和获取临近空间高超音速武器及其搭载平台的方位、距离、速度三维探测信息,并完善地基远程预警探测网,完成地空一体,无缝覆盖临近空间高超音速武器的来袭空域,并尽早提供关于临近空间目标的实时预警信息,为作战部队( 拦截武器系统) 预留作战准备时间。
( 3) 精确持续跟踪和准确航迹预测能力。
临近空间高超音速武器具有速度快、掠空时间短的特点,要求预警探测系统快速响应,及时捕捉和精确跟踪目标。在预警雷达探测体制,由于机械扫描雷达具有响应时间长、数据率低的不足,需探索具有方位和俯仰二维相扫能力的相控阵雷达对临近空间高超音速武器进行精确跟踪。此外临近空间高超音速武器的飞行航迹具有很强的机动性,预警探测系统无法用常规轨道动力学方法对临近空间高超音速武器准确定轨,故临近空间高超音速武器的机动突防能力较强。要求预警探测系统能够依据临近空间高超音速武器的运动模型,实施超视距的不间断连续跟踪,并准确预测未来航迹和落点。
( 4) 拦截临近空间高超音速武器的指挥控制能力。
高超音速技术飞行器再入最大速度可达20Mach,能在1小时内打击全球任何目标。应对这一全新的空袭模式,指挥控制系统如何组织管理各类新研预警探测装备、指挥控制武器实施拦截,尚是未解决的难题。相应的防御作战机理还在探索阶段,指挥控制机制也尚未建立。防御临近空间目标的作战,要求指挥控制系统要在极短的时间内组织管理各类作战资源,完成情报处理、属性识别和威胁判别,实现全自动自主运行,以提高系统的作战反应时间和作战响应能力。
( 5) 电子对抗和火力拦截武器相结合的打击能力。
在预警情报信息的支援下,需要临近空间电子对抗系统针对来袭高超音速武器和作战平台的复合制导、指控信息传输链路( 人在回路中链路、武器数据链、机间数据链等) 和末制导,实施有效的压制性或欺骗性干扰。
( 6) 大范围的信息传输与分发能力。
临近空间高超音速武器打击距离远,飞经区域广,具有打击大纵深目标的能力。需要提供能够支持覆盖作战地区的指挥控制、武器拦截、电子对抗等信息的有效传递,保障预警、跟踪、辨识、决策、拦截、评估各个环节任务的有效实施。并具备恶劣电磁环境下各类信息的传输能力; 能够支持预警信息高效、安全的按需传输与分发,有效协调通信资源的调度和管理; 能够支持信息共享,并具备根据作战需要快速开发和部署组合型应用业务的能力; 能够支持传感器平台与作战人员、武器平台之间网络互通和业务的互操作,从而完成通信覆盖范围保障,信息传输实时性保障,传输容量保障,传输可靠性保障,快速接入保障。在航路中,监测站布站半径可在300km-400km。鉴于航线周边环境的复杂性,监测站实际布站数量要根据线路周边环境的实际测试结果进行确定。
B、发展新一代拦截武器。
在具体防御武器选择下,我们以美军THAAD和SM-3反导系统为例。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2500 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,THAAD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拦截导弹都可通过采取一定的高超音速技术改造方案获得实现。
七、管中窥豹,中国的高超音速武器在哪里?
1月,美国媒体曝出:美国军方掌握到,中国1月9日在境内进行了一次高超音速导弹试验。对此,我国国防部新闻事务局发言人表示,中方在境内按计划进行的科研试验是正常的,这些试验不针对任何国家和特定目标。1月13日,美国《华盛顿自由灯塔报》率先报道称,美国国务院官员透露,中国1月9号在境内进行了一个高超音速滑翔载具试验,飞行速度达到10马赫。美国军方将其命名为WU-14。美国军事专家评论称,中国高超音速飞行器是借助洲际弹道导弹发射的,飞行器在与导弹分离后继续按计划在距地球表面大约100千米的高度滑翔飞行,在飞抵目标的过程中在太空和近地空间机动,速度接近10马赫,大约11000千米/小时(其它消息称其速度为8~12 马赫),期间使用机载雷达引导目标。根据美国媒体报道,此次中国试验的高超音速飞行器是以高机动性机动弹头为技术基础,采用了高升阻比的乘波体设计,外形应该类似于美军的HTV-2飞行器。大致可以判断,中国试射的高超音速武器属于助推-滑翔式导弹,主要活动范围是20-100千米。这种高超音速飞行器可能被安装在一种由洲际导弹改造的运载火箭中,从地面发射后,与火箭助推器分离,之后弹头在大气层外惯性飞行,再入大气层后依靠气动升力作无动力远距离跳跃、滑翔机动飞行或加装发动机进行有动力机动飞行。至目标上空30千米左右时,导引头开机进行末制导,俯冲至目标并完成攻击。外媒称,一般弹道导弹在重返大气层前会释放出弹头,可能会是单弹头,也可能是分导的多弹头,弹头一般都会以抛物线的弹道飞行。而这种被美国军方命名为WU-14的“高超音速滑翔载具”和普通弹头不一样,可以在重返大气层后利用其高升阻比的外形,通过操纵内部的小型助推火箭发动机来修正方向,在高空进行高超音速滑翔,将弹道模式转换成巡航导弹飞航模式,继续进行长距离的飞行,并且可以进行空中机动,躲避反导导弹的拦截。
实际上我国6月《科技日报》就有一篇报道。该报在报道我国钱学森工程科学实验基地时称,我国在北京市怀柔区建设了复现25~40千米高空的高超音速飞行条件的大型风洞。这个被称为JF12的风洞里的“风”,速度最高可达9马赫,温度可达3 000℃左右。高超音速发动机需要的实验时间至少需要60~70毫秒,该风洞已经能做到100毫秒,而国外的相关风洞大约只有30毫秒。该风洞喷管直径和实验舱直径都明显优于国外同类风洞。此外,该实验基地还建有高超实验室、超燃实验室、燃烧实验室、等离子实验室等。可见,我国很早就已致力于高超音速飞行器的研究。