「管中窺豹」高超音速導彈的發展溯源(組圖)

2021-11-25 17:28 作者: Eagle Vision
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近日,英國《金融時報》引述多位知情人士的消息說,大陸在8月測試了具有核能力的高超音速導彈。報導援引消息人士的話說,中共軍方發射了一枚火箭,攜帶高超音速滑翔裝置,在繞地球的低軌道空間飛行之後才向目標巡航。一時間,高超音速導彈成了新「網紅」,那麼它究竟是「何方神聖」,到底有甚麼本事呢?

高超音速導彈其實是一個比較模糊的名詞。通常,高超音速是指導彈或飛機的飛行速度超過5倍音速。所謂音速,顧名思義就是聲音的傳播速度。它的大小與傳播介質的性質和狀態有很大關係。溫度15攝氏度時,1個標準大氣壓下,音速是每秒340米,也就是每小時1224公里。另一種音速的單位就是人們常說的馬赫(航空單位為M),1倍音速叫1馬赫,2倍就叫2馬赫。對於物體飛行速度小於1馬赫時被稱為亞音速飛行,大於5馬赫時就是高超音速飛行了。一般手槍子彈的初速約為1馬赫左右,步槍子彈的初速大概在每秒800~1000米(不到3馬赫)。著名的美國高速偵察機SR-71的最高速度超過3馬赫,而洲際彈道導彈的末端速度可以達到10~20馬赫。

V2导弹的结构图(维基Eberhard Marx)
V2導彈的結構圖(圖片來源:維基/Eberhard Marx/CC BY-SA 4.0)

一提起導彈,就不得不說起二戰期間德國人發明的V1和V2型導彈。V1導彈以脈衝噴氣發動機為動力,飛行速度約為每小時640公里,航程只有250公里,但它被視為第一種用於實戰的巡航導彈。V1850公斤的戰鬥部殺傷力巨大,給倫敦造成了數千人的傷亡。但是因為V1的飛行速度低,英國飛行員發現可以用戰鬥機的擾動氣流給V1的飛行及制導造成干擾,從而降低其威脅。德國人很快就推出了以液體火箭發動機為動力的第一代彈道導彈V2。V2的導引方式是傳統的慣性制導,即導彈的發動機將其推送至拋物線的頂點附近,然後導彈依照慣性沿拋物線繼續飛向目標。V2的末端速度很快,最高可達4.8馬赫,遠超過盟國當時空防系統的反應速度,使其幾乎無法防禦。英軍只能依靠聲音和雷達對V2的彈道進行預估,然後以高射炮對預測彈道予以攔截,但收效甚微。盟軍只能依靠對V2的發射場地進行空襲來抑制德軍的攻勢。另外,德國科學家桑格爾還提出了一種「腦洞大開」的導彈飛行概念,就是利用火箭發動機將導彈推送到大氣層以外,然後利用大氣層進行彈跳軌跡的方式延長射程,很像小孩子用石頭片在水面上打「水漂」。桑格爾計算結果發現只要3次跳躍,就可以從德國發射導彈打擊美國東海岸。但是桑格爾的設想太過超前,當時的技術水平根本無法實現導彈的反彈和彈道控制的問題,桑格爾彈道也就成了一個美好的夢想而已。40年代末,當時還在美國留學工作的大陸科學家錢學森提出了桑格爾彈道的改進版,即載荷再入大氣層以後不再跳躍,而是依靠在大氣層內進行氣動滑翔以保持載荷的飛行控制和提高命中精度。錢學森彈道比桑格爾彈道更接近實用,可還是受限於當時高超音速模擬和抗高溫材料工藝等技術瓶頸,只停留在理論層面。這些早期的導彈攻擊,攔截方式的研究給近代高超音速導彈的發展打下了重重的伏筆。

东风-17高超音速弹道导弹(维基Clem Tillier原作)
通過助推-滑翔這一原理,錢學森-桑格爾彈道可產生彈跳,使得導彈兩次,甚至多次進入大氣層。(圖片來源:維基/Clem Tillier原作/CC BY-SA 4.0)

在東西方對峙的冷戰時期,蘇美大力發展載有核彈頭的洲際彈道導彈,同時研發導彈變軌和多彈頭技術來突破對方日臻完善的導彈預警和攔截系統。進入八十年代,雙方開始大量使用各種精度極高的巡航導彈打擊地面和海上目標。同時,為了防禦對方導彈攻擊,各種防禦攔截系統也得到快速發展,如美國的北美導彈預警防禦系統、愛國者導彈攔截系統、薩德系統等等。進攻和防禦的「矛盾」之爭達到了白熱化的程度,而防禦方目前似乎略占上風。大型彈道導彈所攜帶的核彈頭威力驚人,末端突防速度超過10馬赫,但是其拋物線彈道高度很大,彈道相對固定,預警攔截的窗口約為30分鐘。而且因為對方有充足的時間用於反擊,使進攻一方難以冒著兩敗俱傷的結局貿然發動攻擊。巡航導彈雖然打擊精度極高,但突防速度慢,探測攔截系統有足夠的時間應付。為了使進攻一方重新占據攻防對抗的優勢,人們就開始研製一種集彈道導彈和巡航導彈優點一體,高速突防,不給敵方攔截系統有效的反應時間,並且擁有足夠的精度和打擊威力,可以對目標規避出有效攻擊半徑前予以摧毀。於是,多種新型高超音速彈道便應運而生。

目前的高超音速導彈主要分為兩大類。

第一類就是高超音速巡航導彈(Hypersonic Cruise Missile,HCM)。其使用超燃衝壓發動機作為動力,在大氣層內利用發動機的巨大推力,直接「暴力」式地將巡航導彈加速至6~8馬赫的速度突防,讓對手的攔截系統沒有足夠反應時間和攔截能力。所謂的超燃衝壓發動機是指燃料在超聲速氣流中進行燃燒的衝壓發動機。超燃衝壓發動機具有結構簡單、重量輕、成本低、單位推力(單位質量流量推進劑產生的推力)高和速度快的優點。與火箭發動機相比,超燃衝壓發動機無需攜帶氧化劑,因此有效載荷更大。與一般的衝壓發動機不同的是發動機進氣前與進氣後其氣流都維持在5馬赫的高超音速以上,而一般的衝壓發動機則需要把氣流減速增壓。但氣流速度一旦達到了5馬赫的高超音速以上時,氣流減速增壓所帶來的高壓強高溫度會超過發動機材料承受極限。流過超燃衝壓發動機的氣流速度始終為超聲速,空氣流過飛行器體內通常只有幾毫秒的滯留時間,要想在這樣短的時間內完成壓縮、增壓,並與燃料在超聲速流動狀態迅速、均勻穩定地完成低損失、高效率的摻混、點火並燃燒是十分困難的。在高超音速中添加燃料並點火無異於在龍捲風中點燃一根火柴。現在成功掌握超燃衝壓發動機技術的國家只有俄羅斯和美國。其中美國從六十年代就開始研究超燃衝壓發動機技術,並將超燃衝壓發動機用於高超音速無人研究機X-43上。在2004年X-43的第二次試飛中,超燃衝壓發動機工作11秒鐘,飛機速度達到約7馬赫,成為當時吉尼斯記錄認可的最快自然吸氣(Air Breathing)飛機。X-43在第三次試飛時的衝刺速度接近9.8馬赫。今年9月,作為美國國防部高級計畫研究局(DARPA)和空軍計畫的一部分,諾斯羅普・格魯曼(Northrop Grumman)攜手雷聲(Raytheon)導彈防禦系統,成功試射了一枚高超音速導彈,固體火箭助推器自動點火幾秒後,超燃衝壓發動機將導彈加速到約5馬赫。俄羅斯超燃衝壓發動機一直處於世界領先地位,其現役的空基「匕首」導彈和海基「鋯石」導彈都是使用超燃衝壓發動機,最大速度分別為8馬赫和10馬赫,對於不同的打擊目標,有效射程約為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))
大陸央視公布的高超音速滑翔飛行器HGV武器圖像,應是東方17的實驗型。(圖片來源:維基/果殼軍事/CC BY-SA 4.0)


責任編輯:李靜

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