專家專欄：美國高超聲速武器的進展與啟示（上）

專家介紹

— 黃志澄 —

空氣動力學家、航天技術專家、技術評論家。長期從事空氣動力學、航天發展戰略研究，為大型試驗基地建設、載人航天方案論證、新型航天器研製做出了突出貢獻。近十年來從事科學、技術與社會（STS）等宏觀科學領域研究，所取得的成就在國內外有較大影響。

在美國開始在韓國部署「薩德（TNAAD）」之際，國內外媒體都十分關注能夠突破美國反導系統防禦的高超聲速武器的發展。與此同時，美國媒體報道了一份由美國國家科學院，在2016年11月完成的《高速機動武器：美國全球警戒、到達與力量面臨的新威脅》的秘密報告。美國媒體最近透露出這份報告的主要觀點是，和俄羅斯在高超聲速機動武器上「投資巨大、進展顯著且成就驚人」，這類武器將嚴重威脅「美軍前沿部署的部隊甚至是美國的本土」的安全，從而對美國的全球警戒、全球到達和全球力量構成了威脅。報告指出：美國對及俄羅斯高超聲速機動武器的最佳的、可能也是唯一的有效防禦手段，就是美軍加速發展自己的高超聲速機動武器。為此，報告建議，美國應採取協同有序、適時恰當的方式，廣泛開展持續性的研發工作。

美國國家科學院為何會得出上述結論？高超聲速武器對突防是否有效？美國的高超聲速武器為何進展如此緩慢？美國高超聲速武器的發展對我們有什麼樣的啟示？對此，我們必須回顧美國發展高超聲速武器的歷史，分析其現狀，才能找到上述這些問題的答案。

美國高超聲速武器發展路線的調整

廣義上，高超聲速武器可以泛指以飛行馬赫數大於5飛行的武器。從這個廣義定義出發，彈道式導彈和高超聲速的防空和反導導彈，也可算作高超聲速武器。實際上，現在關注的高超聲速武器，則是指以飛行馬赫數大於5而可進行待續飛行或機動飛行的武器。在上世紀的下半葉，在學術界廣泛使用的高超聲速武器的含義，則是專指使採用吸氣式發動機的高超聲速武器。

早在上世紀40年代，力學家就建立了的高超聲速飛行的基本理論，如錢學森在1946年提出了著名的《高超聲速相似率》。60年代初，美國X-15用火箭發動機，實現了首次高超聲速飛行（飛行M數大於5.3）。在這以後，美國開始致力於利用空氣中的氧氣的吸氣式發動機的高超聲速飛行。美蘇等國開展了超聲速燃燒衝壓發動機（Scramjet，簡稱超燃衝壓發動機）等關鍵技術的研究，但由於其技術難度太大，研究工作進展不大，在美國設計太空梭時，仍決定採用較成熟的火箭發動機。

1986年，美國NASA決定上馬單級入軌的空天飛機（NASP）計劃, 人們稱之謂「高超聲速的復甦」。這個計劃在花出30億資金后，在1995年下馬。失敗的主要原因是方案過於先進；超燃衝壓發動機技術遠未成熟；所需資金過大而無法承擔等。在這之後，美國NASA認真吸取了教訓，繼續執行了一項規模較小的飛行演示驗證的Hyper-X計劃，其目的是擴展將來可以軍民兩用的高超聲速技術基礎。它的第一個無人高超聲速驗證機就是X-43A。

使用氫燃料的X-43A的飛行試驗雖然成功，但其飛行馬赫數是固定不變的（7或10）。由於其技術水平仍與實現空天飛機有很大差距，NASA果斷放棄了後續的以空天飛機為目標的X-43B和X-43C計劃，轉入了基礎研究。

2001年，NASA和美國國防部就聯合提出了「國家航空航天倡議」（NAI）。在這個倡議中，重點討論了採用吸氣式發動機在大氣層中進行高超聲速巡航飛行的技術。該倡議建議美國發展吸氣式高超聲速飛行器分三步走：近期致力於高超聲速巡航導彈；中期集中於發展高超聲速轟炸機；遠期瞄準重複使用的航天運載器。在這之後，由美國軍方主導了碳氫燃料超燃衝壓發動機的研發。

2008年2月，美國國防向美國國會遞交了《國防部高超聲速計劃路線圖》。在這個文件中，美軍擴大了高超聲速技術的定義。新的定義是：使大氣層高超聲速機動飛行成為可能的技術。由此計劃發生了重大轉折，計劃不僅包括吸氣式高超聲速巡航飛行的技術，而且擴展到包括採用火箭發動機和組合發動機在大氣層中進行高超聲速機動飛行的技術，從而採取了「兩邊下注」的策略。

《路線圖》進一步明確了美軍的高超聲速計劃的目的是為美軍提供三項未來的作戰能力：打擊/持久作戰能力；空中優勢/防禦能力；快速進入太空能力。這個路線圖對上述的三個方面，都提出了由一系列技術產品支撐的路線圖。這些技術產品包括：吸氣式高超速飛行器如美國空軍的X-51A，海軍的HyFly等；高超聲速助推滑翔飛行器如HTV-2，陸軍的AHW等，以及小型無人太空梭X-37B等。

超燃衝壓發動機面臨技術障礙

由於氫燃料密度低、沸點低，不大適用於武器，因此，美國發展高超聲速武器，重點發展碳氫燃料超燃衝壓發動機。

計劃之一是美國海軍的「高超聲速飛行驗證計劃（HyFly）」，研製了雙燃燒室衝壓發動機，可惜連續三次飛行試驗均告失敗。另一個就是在2004年開始的X-51A計劃。它由美國空軍研究實驗室（AFRL）與國防高級研究計劃局（DARPA）聯合主持，由波音公司與普惠公司共同製造。X-51A由一台JP-7碳氫燃料的亞燃/超燃雙模態衝壓發動機推動，設計飛行馬赫數6-6.5之間。X-51A先後進行了4次飛行試驗。2013年5月1日進行了第四次試飛，當速度達到4.8馬赫時，X-51A與固體火箭脫離，並點燃了自己的雙模態亞燃/超燃衝壓發動機。在240秒之內，發動機內的燃料就已耗盡，最大飛行馬赫數達到5.1。然後，X-51A又滑行了幾分鐘，按照預定的計劃墜毀在太平洋中。X-51A在這次飛行試驗中的飛行距離超過了230海里，並獲得了370秒的飛行數據。這次X-51A試驗比前三次的結果雖好，但並未達到預期目標。X-51A的飛行試驗結果表明，它在飛行終結時，使用的雙模態衝壓發動機還處於亞燃向超燃的過渡階段。

採用超燃衝壓發動機的高超聲速武器的關鍵在於，發動機產生的推力，能否大於在燃燒室中產生的阻力加上飛行器的外部阻力。X-51A雖然採用乘波外形和機體和發動機的一體化設計，以減少飛行器的外部阻力。但由於採用碳氫燃料其燃燒熱值要比氫燃料低2.8倍，加上目前可能採用的增加混合和點火的方法，以及增加隔離段等都會增加燃燒室的內部阻力。當速度增加時，若阻力係數不變或稍有下降，阻力就會隨速度的平方增加，而此時的推力卻只隨速度的一次方增加。因此，推力可能不夠，或推力的富裕量很小。此外，為了研製實用的武器系統，還要突破燃料的混合、點火和維持穩定燃燒、從亞燃向超燃的模態轉換、再生冷卻、高超聲速控制、先進的耐高溫的輕質材料等一系列關鍵技術。

2014年7月美國空軍科學顧問委員會（SAB）評估指出，目前美國應用超燃衝壓發動機的高超聲速飛行器多項關鍵技術的技術成熟度只達到5+水平。估計在2020年前，美國飛行馬赫數稍大於5的碳氫燃料超燃衝壓發動機技術難於完全成熟，這種發動機在用於武器系統時，還要和其它的低速發動機組合起來，加上它對攻角和側滑角的變化都很敏感等因素，它能否用於實戰，仍存在不確定性。為此，必須持續投入、統籌規劃、在加強基礎研究的基礎上大膽創新，才能研製成功可用於實戰的採用吸氣式發動機的高超聲速武器。

高超聲速機動武器的發展

美國在遠程彈道式導彈的慣性再入彈頭的技術成熟以後，一方面加速彈頭的小型化和發展多彈頭技術，另一方面，大力研製提高突防能力和打擊精度的機動彈頭。在機動彈頭方面,美國主要發展了助推滑翔技術，即彈頭與助推火箭分離後上升到高空，當它下降到較低高度時，進行軌道機動，並滑翔較長距離後攻擊目標。在上世紀60年代到80年代，美國空軍研發了多種機動彈頭。

美軍在1974年開始研製潘興2機動彈頭。其外型是細長的雙錐外形，在其尾部裝有4個舵面。由於採用雷達末制導，落點精度較高。1978年先後進行了5次飛行試驗，其精度達到25米。1983年美國在西歐部署潘興2導彈，1988年在美蘇兩國簽署了中導條約后，美國開始從撤出並銷毀。這是美國唯一裝備部隊的中程機動彈頭。

美國從20世紀90年代中期，開始關注非核打擊和太空對地打擊。美國航天司令部在1998年4月公布了《長期規劃》，在這個長期規劃中，首次提出了太空作戰飛行器（SOV）系統的概念。太空作戰飛行器系統是一個由多種軍用航天飛行器靈活組合而成的系統。它由太空作戰飛行器（SOV）和它的上面級組成。SOV是一種能夠快速發射的重複使用的航天運載器（RLV），它可以將上面級送入近地球軌道，也可以只達到亞軌道速度。SOV系統的上面級包括通用再入飛行器（CAV）。它帶有精確制導的非核戰鬥部，主要用於對遠程對地攻擊。CAV也可用一次性使用的運載火箭（ELV）發射，或用大型飛機進行空中發射（AL）。也可用彈道式導彈（BM）發射。

2003年6月17日，美國空軍和國防部高級研究計劃局（DARPA）聯合對「獵鷹（FALCON ）」計劃招標。它涉及四個主要項目：通用再入飛行器（CAV）、增程型通用再入飛行器（ECAV）、小型運載火箭（SLV）和高超聲速巡航飛行器（HCV）。

2004年美國國會審議獵鷹計劃時，美國參議院極力要求取消CAV的預算，不過眾議院則對CAV情有獨鍾，要求加大撥款。最終兩院達成妥協，通過了預算撥款但取消了獵鷹計劃中的武器部分，規定不能用於武器化的CAV開發，也禁止使用陸基或是潛射彈道導彈發射CAV。在這之後，CAV改名為高超聲速技術飛行器（HTV）。在計劃的執行過程中，HTV-1 、HTV-3相繼被撤消，只有由洛克希德•馬丁公司的臭鼬團隊研製的飛行馬赫數超過20的HTV-2飛行器，進行了兩次飛行試驗。

2010年4月，行了獵鷹HTV-2首次飛行試驗，在發射9分鐘后，與地面控制站就失去了聯繫，試驗宣告失敗。2010年末，DARPA公布了調查結果，指出首飛失控最可能的原因是偏航超出預期，它同時伴耦合滾轉，這些異常現象，超出了姿態控制系統的調節能力，觸發了飛行器墜毀。2011年8月13日凌晨，又進行了HTV-2的第二次試飛，但HTV-2在升空大約半小時后，便與地面失去聯繫，試飛再次宣告失敗。DARPA對事故分析后表示，高超聲速飛行導致飛行器大部分外殼損毀。

另外，性能較低的美國陸軍的先進高超聲速武器（AHW）在2011年8月進行了首次的行試驗，取得成功，但2014年8月的第二次飛行試驗卻宣告失敗。實際上，AHW採用的技術比較成熟，接近上述潘興2導彈採用過的技術，然而美國卻沒有能力很快研製成功這種類型的高超聲速武器，這表明美國的高超聲速武器的發展，陷入了困境。

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