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“管中窥豹”高超音速导弹的发展溯源(组图)

2021-11-25 17:28 作者:Eagle Vision 桌面版 正體 0
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近日,英国《金融时报》引述多位知情人士的消息说,大陆在8月测试了具有核能力的高超音速导弹。报导援引消息人士的话说,中共军方发射了一枚火箭,携带高超音速滑翔装置,在绕地球的低轨道空间飞行之后才向目标巡航。一时间,高超音速导弹成了新“网红”,那么它究竟是“何方神圣”,到底有什么本事呢?

高超音速导弹其实是一个比较模糊的名词。通常,高超音速是指导弹或飞机的飞行速度超过5倍音速。所谓音速,顾名思义就是声音的传播速度。它的大小与传播介质的性质和状态有很大关系。温度15摄氏度时,1个标准大气压下,音速是每秒340米,也就是每小时1224公里。另一种音速的单位就是人们常说的马赫(航空单位为M),1倍音速叫1马赫,2倍就叫2马赫。对于物体飞行速度小于1马赫时被称为亚音速飞行,大于5马赫时就是高超音速飞行了。一般手枪子弹的初速约为1马赫左右,步枪子弹的初速大概在每秒800~1000米(不到3马赫)。著名的美国高速侦察机SR-71的最高速度超过3马赫,而洲际弹道导弹的末端速度可以达到10~20马赫。

V2导弹的结构图(维基Eberhard Marx)
V2导弹的结构图(图片来源:维基/Eberhard Marx/CC BY-SA 4.0)

一提起导弹,就不得不说起二战期间德国人发明的V1和V2型导弹。V1导弹以脉冲喷气发动机为动力,飞行速度约为每小时640公里,航程只有250公里,但它被视为第一种用于实战的巡航导弹。V1850公斤的战斗部杀伤力巨大,给伦敦造成了数千人的伤亡。但是因为V1的飞行速度低,英国飞行员发现可以用战斗机的扰动气流给V1的飞行及制导造成干扰,从而降低其威胁。德国人很快就推出了以液体火箭发动机为动力的第一代弹道导弹V2。V2的导引方式是传统的惯性制导,即导弹的发动机将其推送至抛物线的顶点附近,然后导弹依照惯性沿抛物线继续飞向目标。V2的末端速度很快,最高可达4.8马赫,远超过盟国当时空防系统的反应速度,使其几乎无法防御。英军只能依靠声音和雷达对V2的弹道进行预估,然后以高射炮对预测弹道予以拦截,但收效甚微。盟军只能依靠对V2的发射场地进行空袭来抑制德军的攻势。另外,德国科学家桑格尔还提出了一种“脑洞大开”的导弹飞行概念,就是利用火箭发动机将导弹推送到大气层以外,然后利用大气层进行弹跳轨迹的方式延长射程,很像小孩子用石头片在水面上打“水漂”。桑格尔计算结果发现只要3次跳跃,就可以从德国发射导弹打击美国东海岸。但是桑格尔的设想太过超前,当时的技术水平根本无法实现导弹的反弹和弹道控制的问题,桑格尔弹道也就成了一个美好的梦想而已。40年代末,当时还在美国留学工作的大陆科学家钱学森提出了桑格尔弹道的改进版,即载荷再入大气层以后不再跳跃,而是依靠在大气层内进行气动滑翔以保持载荷的飞行控制和提高命中精度。钱学森弹道比桑格尔弹道更接近实用,可还是受限于当时高超音速模拟和抗高温材料工艺等技术瓶颈,只停留在理论层面。这些早期的导弹攻击,拦截方式的研究给近代高超音速导弹的发展打下了重重的伏笔。

东风-17高超音速弹道导弹(维基Clem Tillier原作)
通过助推-滑翔这一原理,钱学森-桑格尔弹道可产生弹跳,使得导弹两次,甚至多次进入大气层。(图片来源:维基/Clem Tillier原作/CC BY-SA 4.0)

在东西方对峙的冷战时期,苏美大力发展载有核弹头的洲际弹道导弹,同时研发导弹变轨和多弹头技术来突破对方日臻完善的导弹预警和拦截系统。进入八十年代,双方开始大量使用各种精度极高的巡航导弹打击地面和海上目标。同时,为了防御对方导弹攻击,各种防御拦截系统也得到快速发展,如美国的北美导弹预警防御系统、爱国者导弹拦截系统、萨德系统等等。进攻和防御的“矛盾”之争达到了白热化的程度,而防御方目前似乎略占上风。大型弹道导弹所携带的核弹头威力惊人,末端突防速度超过10马赫,但是其抛物线弹道高度很大,弹道相对固定,预警拦截的窗口约为30分钟。而且因为对方有充足的时间用于反击,使进攻一方难以冒着两败俱伤的结局贸然发动攻击。巡航导弹虽然打击精度极高,但突防速度慢,探测拦截系统有足够的时间应付。为了使进攻一方重新占据攻防对抗的优势,人们就开始研制一种集弹道导弹和巡航导弹优点一体,高速突防,不给敌方拦截系统有效的反应时间,并且拥有足够的精度和打击威力,可以对目标规避出有效攻击半径前予以摧毁。于是,多种新型高超音速弹道便应运而生。

目前的高超音速导弹主要分为两大类。

第一类就是高超音速巡航导弹(Hypersonic Cruise Missile,HCM)。其使用超燃冲压发动机作为动力,在大气层内利用发动机的巨大推力,直接“暴力”式地将巡航导弹加速至6~8马赫的速度突防,让对手的拦截系统没有足够反应时间和拦截能力。所谓的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。超燃冲压发动机具有结构简单、重量轻、成本低、单位推力(单位质量流量推进剂产生的推力)高和速度快的优点。与火箭发动机相比,超燃冲压发动机无需携带氧化剂,因此有效载荷更大。与一般的冲压发动机不同的是发动机进气前与进气后其气流都维持在5马赫的高超音速以上,而一般的冲压发动机则需要把气流减速增压。但气流速度一旦达到了5马赫的高超音速以上时,气流减速增压所带来的高压强高温度会超过发动机材料承受极限。流过超燃冲压发动机的气流速度始终为超声速,空气流过飞行器体内通常只有几毫秒的滞留时间,要想在这样短的时间内完成压缩、增压,并与燃料在超声速流动状态迅速、均匀稳定地完成低损失、高效率的掺混、点火并燃烧是十分困难的。在高超音速中添加燃料并点火无异于在龙卷风中点燃一根火柴。现在成功掌握超燃冲压发动机技术的国家只有俄罗斯和美国。其中美国从六十年代就开始研究超燃冲压发动机技术,并将超燃冲压发动机用于高超音速无人研究机X-43上。在2004年X-43的第二次试飞中,超燃冲压发动机工作11秒钟,飞机速度达到约7马赫,成为当时吉尼斯记录认可的最快自然吸气(Air Breathing)飞机。X-43在第三次试飞时的冲刺速度接近9.8马赫。今年9月,作为美国国防部高级计划研究局(DARPA)和空军计划的一部分,诺斯罗普・格鲁曼(Northrop Grumman)携手雷声(Raytheon)导弹防御系统,成功试射了一枚高超音速导弹,固体火箭助推器自动点火几秒后,超燃冲压发动机将导弹加速到约5马赫。俄罗斯超燃冲压发动机一直处于世界领先地位,其现役的空基“匕首”导弹和海基“锆石”导弹都是使用超燃冲压发动机,最大速度分别为8马赫和10马赫,对于不同的打击目标,有效射程约为1000~3000公里。

大陆央视公布的超高音速滑翔飞行器HGV武器图像,应是东方17的实验型(维基果壳军事))
大陆央视公布的高超音速滑翔飞行器HGV武器图像,应是东方17的实验型。(图片来源:维基/果壳军事/CC BY-SA 4.0)


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