美国高超声速武器的进展与启示

美国高超声速武器的进展与启示 

  远望智库高级研究员  黄志澄

   在美国开始在韩国部署“萨德（TNAAD）”之际，国内外媒体都十分关注能够突破美国反导系统防御的高超声速武器的发展。与此同时，美国媒体报道了一份由美国国家科学院，在2016年11月完成的《高速机动武器：美国全球警戒、到达与力量面临的新威胁》的秘密报告。美国媒体最近透露出这份报告的主要观点是，中国和俄罗斯在高超声速机动武器上“投资巨大、进展显著且成就惊人”，这类武器将严重威胁“美军前沿部署的部队甚至是美国的本土”的安全，从而对美国的全球警戒、全球到达和全球力量构成了威胁。报告指出：美国对中国及俄罗斯高超声速机动武器的最佳的、可能也是唯一的有效防御手段，就是美军加速发展自己的高超声速机动武器。为此，报告建议，美国应采取协同有序、适时恰当的方式，广泛开展持续性的研发工作。

    美国国家科学院为何会得出上述结论？高超声速武器对突防是否有效？美国的高超声速武器为何进展如此缓慢？美国高超声速武器的发展对我们有什么样的启示？对此，我们必须回顾美国发展高超声速武器的历史，分析其现状，才能找到上述这些问题的答案。

美国高超声速武器发展路线的调整

   广义上，高超声速武器可以泛指以飞行马赫数大于5飞行的武器。从这个广义定义出发，弹道式导弹和高超声速的防空和反导导弹，也可算作高超声速武器。实际上，现在关注的高超声速武器，则是指以飞行马赫数大于5而可进行待续飞行或机动飞行的武器。在上世纪的下半叶，在学术界广泛使用的高超声速武器的含义，则是专指使采用吸气式发动机的高超声速武器

   早在上世纪40年代，力学家就建立了的高超声速飞行的基本理论，如钱学森在1946年提出了著名的《高超声速相似率》。60年代初，美国X-15用火箭发动机，实现了首次高超声速飞行(飞行M数大于5.3)。在这以后，美国开始致力于利用空气中的氧气的吸气式发动机的高超声速飞行。美苏等国开展了超声速燃烧冲压发动机（Scramjet,简称超燃冲压发动机）等关键技术的研究，但由于其技术难度太大，研究工作进展不大，在美国设计航天飞机时，仍决定采用较成熟的火箭发动机。

   1986年，美国NASA决定上马单级入轨的空天飞机（NASP）计划, 人们称之谓“高超声速的复苏”。这个计划在花出30亿资金后，在1995年下马。失败的主要原因是方案过于先进；超燃冲压发动机技术远未成熟；所需资金过大而无法承担等。在这之后，美国NASA认真吸取了教训，继续执行了一项规模较小的飞行演示验证的Hyper-X计划，其目的是扩展将来可以军民两用的高超声速技术基础。它的第一个无人高超声速验证机就是X-43A。

   使用氢燃料的X-43A的飞行试验虽然成功，但其飞行马赫数是固定不变的（7或10）。由于其技术水平仍与实现空天飞机有很大差距，NASA果断放弃了后续的以空天飞机为目标的X-43B和X-43C计划，转入了基础研究。

   2001年，NASA和美国国防部就联合提出了“国家航空航天倡议”（NAI）。在这个倡议中，重点讨论了采用吸气式发动机在大气层中进行高超声速巡航飞行的技术。该倡议建议美国发展吸气式高超声速飞行器分三步走：近期致力于高超声速巡航导弹；中期集中于发展高超声速轰炸机；远期瞄准重复使用的航天运载器。在这之后，由美国军方主导了碳氢燃料超燃冲压发动机的研发。

   2008年2月，美国国防向美国国会递交了《国防部高超声速计划路线图》。在这个文件中，美军扩大了高超声速技术的定义。新的定义是：使大气层高超声速机动飞行成为可能的技术。由此计划发生了重大转折，计划不仅包括吸气式高超声速巡航飞行的技术，而且扩展到包括采用火箭发动机和组合发动机在大气层中进行高超声速机动飞行的技术，从而采取了“两边下注”的策略。

   《路线图》进一步明确了美军的高超声速计划的目的是为美军提供三项未来的作战能力：打击/持久作战能力；空中优势/防御能力；快速进入太空能力。这个路线图对上述的三个方面，都提出了由一系列技术产品支撑的路线图。这些技术产品包括：吸气式高超速飞行器如美国空军的X-51A，海军的HyFly 等；高超声速助推滑翔飞行器如HTV-2，陆军的AHW等，以及小型无人航天飞机X-37B等。        

超燃冲压发动机面临技术障碍

   由于氢燃料密度低、沸点低，不大适用于武器，因此，美国发展高超声速武器，重点发展碳氢燃料超燃冲压发动机。

   计划之一是美国海军的“高超声速飞行验证计划（HyFly）”，研制了双燃烧室冲压发动机，可惜连续三次飞行试验均告失败。另一个就是在2004年开始的X-51A计划。它由美国空军研究实验室（AFRL）与国防高级研究计划局（DARPA）联合主持，由波音公司与普惠公司共同制造。X-51A由一台JP-7碳氢燃料的亚燃/超燃双模态冲压发动机推动，设计飞行马赫数6-6.5之间。X-51A先后进行了4次飞行试验。2013年5月1日进行了第四次试飞，当速度达到4.8马赫时，X-51A与固体火箭脱离，并点燃了自己的双模态亚燃/超燃冲压发动机。在240秒之内，发动机内的燃料就已耗尽，最大飞行马赫数达到5.1。然后，X-51A又滑行了几分钟，按照预定的计划坠毁在太平洋中。X-51A在这次飞行试验中的飞行距离超过了230海里，并获得了370秒的飞行数据。这次X-51A试验比前三次的结果虽好，但并未达到预期目标。X-51A的飞行试验结果表明，它在飞行终结时，使用的双模态冲压发动机还处于亚燃向超燃的过渡阶段。

   采用超燃冲压发动机的高超声速武器的关键在于，发动机产生的推力，能否大于在燃烧室中产生的阻力加上飞行器的外部阻力。X-51A虽然采用乘波外形和机体和发动机的一体化设计，以减少飞行器的外部阻力。但由于采用碳氢燃料其燃烧热值要比氢燃料低2.8倍，加上目前可能采用的增加混合和点火的方法，以及增加隔离段等都会增加燃烧室的内部阻力。当速度增加时，若阻力系数不变或稍有下降，阻力就会随速度的平方增加，而此时的推力却只随速度的一次方增加。因此，推力可能不够，或推力的富裕量很小。此外，为了研制实用的武器系统，还要突破燃料的混合、点火和维持稳定燃烧、从亚燃向超燃的模态转换、再生冷却、高超声速控制、先进的耐高温的轻质材料等一系列关键技术。

    2014年7月美国空军科学顾问委员会（SAB）评估指出，目前美国应用超燃冲压发动机的高超声速飞行器多项关键技术的技术成熟度只达到5+水平。估计在2020年前，美国飞行马赫数稍大于5的碳氢燃料超燃冲压发动机技术难于完全成熟，这种发动机在用于武器系统时，还要和其它的低速发动机组合起来，加上它对攻角和侧滑角的变化都很敏感等因素，它能否用于实战，仍存在不确定性。为此，必须持续投入、统筹规划、在加强基础研究的基础上大胆创新，才能研制成功可用于实战的采用吸气式发动机的高超声速武器。

高超声速机动武器的发展

   美国在远程弹道式导弹的惯性再入弹头的技术成熟以后，一方面加速弹头的小型化和发展多弹头技术，另一方面，大力研制提高突防能力和打击精度的机动弹头。在机动弹头方面,美国主要发展了助推滑翔技术，即弹头与助推火箭分离后上升到高空，当它下降到较低高度时，进行轨道机动，并滑翔较长距离后攻击目标。在上世纪60年代到80年代，美国空军研发了多种机动弹头。
   美军在1974年开始研制潘兴2机动弹头。其外型是细长的双锥外形，在其尾部装有4𠆤舵面。由于采用雷达末制导，落点精度较高。1978年先后进行了5次飞行试验，其精度达到25米。1983年美国在西欧部署潘兴2导弹，1988年在美苏两国在签署了中导条约后，美国开始从欧州撤出并销毁。这是美国唯一装备部队的中程机动弹头。

   美国从20世纪90年代中期，开始关注非核打击和太空对地打击。美国航天司令部在1998年4月公布了《长期规划》,在这个长期规划中，首次提出了太空作战飞行器(SOV)系统的概念。太空作战飞行器系统是一个由多种军用航天飞行器灵活组合而成的系统。它由太空作战飞行器（SOV）和它的上面级组成。SOV是一种能够快速发射的重复使用的航天运载器(RLV)，它可以将上面级送入近地球轨道，也可以只达到亚轨道速度。SOV系统的上面级包括通用再入飞行器（CAV）。它带有精确制导的非核战斗部，主要用于对远程对地攻击。CAV也可用一次性使用的运载火箭(ELV)发射，或用大型飞机进行空中发射(AL)。也可用弹道式导弹(BM)发射。

   2003年6月17日，美国空军和国防部高级研究计划局(DARPA)联合对“猎鹰（FALCON ）”计划招标。它涉及四个主要项目：通用再入飞行器（CAV）、增程型通用再入飞行器（ECAV）、小型运载火箭（SLV）和高超声速巡航飞行器（HCV）。

     2004年美国国会审议猎鹰计划时，美国参议院极力要求取消CAV的预算，不过众议院则对CAV情有独钟，要求加大拨款。最终两院达成妥协，通过了预算拨款但取消了猎鹰计划中的武器部分，规定不能用于武器化的CAV开发，也禁止使用陆基或是潜射弹道导弹发射CAV。在这之后，CAV改名为高超声速技术飞行器(HTV)。在计划的执行过程中，HTV-1 、HTV-3相继被撤消，只有由洛克希德马丁公司的臭鼬团队研制的飞行马赫数超过20的HTV-2飞行器，进行了两次飞行试验。

   2010年4月，行了猎鹰HTV-2首次飞行试验，在发射9分钟后，与地面控制站就失去了联系，试验宣告失败。2010年末，DARPA公布了调查结果，指出首飞失控最可能的原因是偏航超出预期，它同时伴耦合滚转，这些异常现象，超出了姿态控制系统的调节能力，触发了飞行器坠毁。2011年8月13日凌晨，又进行了HTV-2的第二次试飞，但HTV-2在升空大约半小时后，便与地面失去联系，试飞再次宣告失败。DARPA对事故分析后表示，高超声速飞行导致飞行器大部分外壳损毁。

   另外，性能较低的美国陆军的先进高超声速武器（AHW）在2011年8月进行了首次的行试验，取得成功，但2014年8月的第二次飞行试验却宣告失败。实际上，AHW采用的技术比较成熟，接近上述潘兴2导弹采用过的技术，然而美国却没有能力很快研制成功这种类型的高超声速武器，这表明美国的高超声速武器的发展，陷入了困境。

美国发展高超声速武器的近况

   美国是最重视发展高超声速技术的国家。高超声速技术已被美国国防部列为2017财年美军武器装备现代化投资重点的7大领域之一，也是美国第三次抵消战略下支撑其常规威慑能力的重点技术领域之一。美国当前正在发展的高超声速武器，包括空军的“高超声速打击武器（HSSW）”，美国空军和DAPRA合作的“高超声速吸气式武器概念(HAWC)”和“战术助推滑翔(TBG)”项目。波音、洛马、雷神等美国重要的军工企业都参与了这三个项目。TBG 和HAWC项目连续授予了洛马和雷神公司共3份第二阶段（详细设计、试制和试飞阶段）合同（总金额近5亿美元），用以分别开展验证试飞，预计将在2019年实现首次试飞。其中，HAWC项目瞄准的目标型号，是巡航速度约马赫数5-6、射程约1000千米、能够适应B-2A轰炸机等内埋和F-35战斗机外挂的巡航导弹；TBG项目瞄准的目标型号，则是最大速度约马赫数9-10、射程1000-2000千米的助推滑翔弹。另外在美国国防部“常规快速全球打击”（CPGS）项目中，美国2017年度的国防预算将支持美国陆军的“先进高超声速武器（AHW）”项目1.74亿美元，准备进行第三次飞行试验。美国海军按计划完成了潜射型高超声速助推滑翔导弹技术验证飞行试验系统关键设计评审，将在今年完成首次试飞。除此之外，美国洛马公司正在积极研发高超声速ISR飞机SR-72。由此可见，美军在2035年可能装备的高超声速武器主要是两类：使用超燃冲压发动机的高超声速武器和高超声速助推滑翔武器。

    美国空军也十分赞赏英国反作用发动机公司的“佩刀”发动机，正在和这家公司合作，研究采用这种发动机来发展两级入轨的空天飞机。

   近两年来，由于对手国家高超声速导弹发展迅猛，美国各界对加快研制进度的呼吁明显增多。最近，特朗普又决定要大幅度增加美国的国防预算。因此，2017年可能是美国发展高超声速武器进程中的一个里程碑式的决策点。    

    美国一方面稳步推进高超声速武器的研制工作；另一方面继续全面系统地强化高超声速技术的基础。为了提高技术的成熟度，2016年8月，美国空军研究实验室（AFRL）发布了“高速作战系统使能实现技术（ETHOS）”的调研公告，对美国工业界在高速作战平台领域的工业基础、技术水平和人才队伍等情况的进行了调研。2017年1月正式公布了广泛机构通告，明确了高速实验科学、高速推进系统、气动结构、建模和仿真、飞行器设计和集成5大技术领域的详细目标。2016年5月，美国空军还发布了计划发展可重复使用200次的高超声速试验平台（HyRAX）项目的详细需求，以推动更广泛的高超声速技术的成熟，并积累高超声速飞行试验测量数据。

   在美国AFRL和澳大利亚国防科学技术部(Defence Science and Technology Organization ，DSTO)联合管理之下，正在开展一项高超声速国际飞行研究试验（Hypersonic International Flight Research Experimentation，HIFiRE）计划。计划的目的是，提供一个低成本的高超声速飞行试验平台，对高超声速飞行的现象进行研究，以增加对高超声速飞行的基础问题和物理现象的理解。通过这个计划，提高模拟高超声速飞行的建模能力,提高模拟方法的精度，验证高超声速飞行的飞行环境及其关键技术, 拓展高超声速飞行数据库。

重点推进高超声速机动武器

   2016年3月，美国国防部副部长罗伯特·沃克在米切尔空天研究所纪念沙漠风暴行动的活动中说，高超声速武器是恢复美国技术优势的五角大楼的所谓第三次抵消战略的重要组成部分。2016年4月21日，美众议院武装力量委员会战略力量分委会通过一项《2017财年国防授权法案》修正条款，要求美陆军战术与条令司令部研究部署射程达500-5000千米的常规陆基导弹的潜在军事效益。而该类导弹部署仍为美苏1987年签订的《中导条约》所禁止。由此可见，美陆军的AHW项目可望再次进行飞行试验，而“战术助推滑翔”项目，估计也会继续推进。

   2003年以来，美国防部已经探索了多种打击高价值、时敏目标的方式，以实现“常规快速全球打击”（CPGS）能力，包括改进的常规型三叉戟导弹系统、助推-滑翔高超声速导弹、潜艇或轰炸机等平台搭载吸气式高超声速巡航导弹或战斧巡航导弹等多种技术方案。从技术成熟度角度来看，装备常规战斗部的弹道导弹执行全球打击任务是最容易实现的，但常规弹道导弹与核导弹具有相似的发射特征和相同的弹道，容易被误判为核打击，很容易招致核反击的风险。2008年，海军提出改进潜射三叉戟导弹携带常规弹头执行全球快速打击任务，但考虑到此举存在核误判风险，因此遭到了国会反对。助推滑翔类导弹的弹道与传统弹道导弹有显著差异，并且分离后的飞行器可以进行大范围机动，而现有的推进技术和再入技术也为助滑翔高超声速导弹的发展奠定了坚实的基础。

   早在2013年，美国防部联合需求监督委员会（JROC）就要求CPGS项目近期“应聚焦在演示验证高超声速助推滑翔技术应用于潜在的中程打击系统可行性上”。这也明确了目前美国国防部CPGS项目的研究将主要围绕助推-滑翔高超声速武器展开。除此之外，潜艇或远程轰炸机搭载战斧巡航导弹或吸气式高超声速巡航导弹，将是美国CPGS考虑的备选方案。

   美国参议院军事委员会2017财年国防授权法案中，要求国防部在2020年底之前为CPGS项目作出里程碑的决策，而美国国防部按照这一要求不断推进陆、海、空军相关项目的研究与发展，以实现可用于作战的CPGS能力。美国国防部已承诺在2018-2022财年间，率先向欧洲司令部及太平洋司令部提供“一定”的CPGS能力。

    美国助推滑翔高超声速飞行器发展在美国空军和陆军相关项目进展不顺利的情况下，国防部敦促美国海军负责开展海基AHW的第一次试飞（FE-1）。美国海军目前正在联合陆军大力推进AHW项目，发展可装备弗吉尼亚潜艇载荷模块（VPM）的海基AHW。在前期陆基AHW的技术成果基础上，海军已在2015年与国家CPGS团队合作完成了海基AHW首个试飞器FE-1的初始设计评审，2016年完成了FE-1的关键设计评审，并开始对FE-1进行组装以及系统级试验与鉴定。FE-1将重点演示验证先进的航电系统、子系统的微型化、制造及制导算法。在关键技术攻关方面，美国国家CPGS团队正在持续加紧开展助推器、载荷投送飞行器（PDV）、非核战斗部、热防护系统、制导系统以及任务规划等关键分系统的技术成熟和风险降低。

   对于任何一种武器应用前景的预测，主要基于三个因素即任务需求的迫切性、技术成熟度和经费的承受能力。根据对这三个因素的系统分析，可以预测在2020年或稍后，类似美国陆AHW这样的高超声速战木助推滑翔武器可望列装。在2025年左右更高M数的高超声速滑翔弹头技术可以成熟，是否列装取决于当时的世界格局和军控的进展。可以预测，高超声速机动武器比起分导式多弹头来说，虽然其弹道难于预测，突破对方防御的概率较大，但它的飞行时间有所增加，精度有所降低、特别是它比弹道式再入弹头的重量增加较多，从而减少一个武器装载的弹头数量。由此可见，高超声速机动武器不可能完全代替分导式多弹头。组合使用这两种武器，可能是一种最佳的突防方案。

美国发展高超声速武器的启示

   美国高超声武器的发展已超过60多年，虽屡经波折，但美国从未放弃。从美国高超声武器的发展历程中，可以得到如下几点启示:

   1.高超声技术是一项军民融合的技术。在民用上，高超声客机和空天飞机具有广阔的应用前景。当前，推动高超声技术发展的主动力来自它的军事应用。由于高超声速武器在未来战争中的速度优势和巨大的打击能力，高超声技术已成为美国国准备未来战争而努力发展的一项颠覆性技术。另一方面，在美国发展高超声速武器的进程中，通过试验飞行器的试验，将给其潜在对手造成一定心理压力；而在其一旦研制功后，它又将成为一种重要的军事威慑，即“高超声速威慑”。

   2.、发展高超声武器，必须突破诸如推进、气动、控制、材料等单项技术，也必须根据目标而集成单项技术的集成技术。因此，发展高超声速武器，既要重视基础，又要重视系统集成。为了能够实现有效的高超声速打击，必须让高超声速武器的可靠性，使其达到现有导弹的可靠性水平。显然，这对于承受严重气动加热环境的高超声速武器来说，必将对武器的结构、材料和电子系统，都提出更苛刻的要求。

    目前对于高超声速武器的系统成熟度，在总体上还稍低于或达到试验飞行器成熟的第6级（TRL-6），与技术的完全成熟（TRL-9）还有相当距离。为此，必须重视提高地面试验能力和模拟仿真能力，并通过关键的飞行试验考核，为今后设计实用的高超声速武器，提供技术基础。

   3．未来的战争仍然是体系和体系的对抗。首先，单独的一种武器，包括高超声速武器在内，它们的性能虽然重要，但只有与体系中其它武器配合，才能发挥出它的优势。何况任何武器既有独特的优势，也有致命的弱点。只有在体系中扬长避短，才能发挥其作战效能。其次，在未来战争中，实现高超声速作战必需装备具有一定数量的高超声速武器，因此，必需让这些武器的成本，不要大大高于现有的超声速武器的成本。未来的战争，不仅是武器性能的较量，也是一个国家经济实力的较量，

   4．美国高超声速武器的发展，近年来进入慢车道，连续多年没有重大飞行试验，原有的领先优势正在逐步丧失，甚至面临落后于中俄的危险。美国高超声速武器的发展为何陷入如此困境？究其原因，首先是技术路线多变，其次也有投入不足、多头管理、人才断档、缺乏创新等多方面的因素。目前，美国正在考虑重新调整并加速相关研发和采办策略，集中力量，加快高超声速技术的研发和转化。最近，特朗普决定要增加美国的国防预算，也很可能会增加美国对研制高超声速武器的投入。这些措施能否加速美国发展高超声速武器的发展，我们将拭目以待。

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