高超聲速武器的世界格局

魯曉冬

Hypersonic（中文譯作“高超聲速”）一詞，由中國火箭之父錢學森先生于1945年在他的一篇論文中首創(chuàng)，指的是在大氣層內(nèi)大于5馬赫的飛行。而本文談到的高超聲速飛行器，則專指在大氣層內(nèi)由亞聲速加速到高超聲速的持續(xù)飛行，其飛行軌跡是氣動式而不是彈道式的，全過程完全可操控。這和傳統(tǒng)的航天飛機、宇宙飛船或者彈道導彈有明顯區(qū)別。

美國，X檔案的標本意義

美國研制高超聲速武器的過程可以直接從X系列飛機找到直接的脈絡。

X-15研究機 美國空軍和美國國家航空航天局（NASA）共同開發(fā)的X-15研究機，是一種由載機攜帶到高空發(fā)射的火箭飛機，不僅是人類研制的第一種真正意義上的高超聲速飛行器，而且也是第一架達到了亞軌道的載人飛機。該機機頭較尖，座艙內(nèi)僅能容納一名飛行員。不過X-15并沒有成為后世高超聲速飛行器的設計范本，原因有二。

第一，單純依靠低效率的火箭發(fā)動機，無法為高超聲速飛行器提供可持續(xù)的動力來源。人們常用“比沖”來衡量火箭發(fā)動機的效率，通俗講就是用一千克的推進劑來產(chǎn)生一千克力的推力，能持續(xù)多長時間。這個時間越長，比沖就越大，發(fā)動機的效率就越高。比沖的單位是秒。一般固體火箭發(fā)動機的比沖只有250秒，液體火箭發(fā)動機450秒。比較之下，我們會發(fā)現(xiàn)渦扇航空發(fā)動機的比沖為3 000秒?；鸺l(fā)動機雖然能夠讓飛行器達到高速，但其自身消耗掉的氧化劑和推進劑占到了起飛重量的絕大部分，真正有用的載荷少之有少。

第二，X-15仍然采用的常規(guī)氣動布局，高超聲速飛行產(chǎn)生的氣動阻力很大。所以后來的高超聲速飛行器大多采用非常規(guī)的升力體布局，而且為了壓縮進入超燃沖壓發(fā)動機的氣流，一般采用扁平而尖銳的機頭造型。

跳滑夢想，X-20 1949年，錢學森在美國提出了研制一種能以12馬赫飛行的空天飛機的概念，并提出了獨特的“錢學森彈道”理論。這種空天飛機由火箭從地面垂直發(fā)射升空，在上升段與彈道導彈無異，待飛過彈道最高點后，空天飛機回落加速，進入大氣層邊緣后在大氣層中做高超聲速滑翔，利用滑翔時的氣動力和慣性再次躍出大氣層，然后再次回落，周而復始，直到速度不足以躍升，轉為下降，最后像飛機一樣著陸。錢先生這些理論，對于美國后來實施航天飛機計劃以及 “獵鷹”計劃，產(chǎn)生著深遠影響。

1957年，美國空軍推出了X-20空天飛機計劃。X-20計劃由美國的洲際彈道導彈發(fā)射，比錢學森的設想更進一步的是，X-20自身擁有一臺火箭發(fā)動機，既可以在大氣層頂部跳躍滑翔，也可以由自身火箭發(fā)動機推動加速，進入繞地軌道?？傮w而言，X-20相比X-15更像一架太空飛行器。全機升力體的布局和尖銳的機頭造型初步具備了高超聲速飛行器的雛形，但是該機仍然以低效率的火箭發(fā)動機為動力。該計劃到終止時并沒有研制出實機。

過于超前的一體化構想，X-30 從功能上看，美國國家空天飛機計劃X-30將航空飛機和太空飛船的功能集于一身，是一體化的設計思路。X-30可以像普通飛機那樣從跑道上水平起飛，在大氣層內(nèi)邊上升邊加速，到達大氣層邊緣時加速到第一宇宙速度，成為一顆圍繞地球旋轉的航天器。完成太空任務后它能像飛船那樣從軌道上脫離，再入大氣層，并像飛機一樣在跑道上著陸。從結構和外觀上看，X-30擁有高度簡潔的氣動外形，從起飛到降落飛行器始終保持完整，不像運載火箭那樣走一路扔一路。它的動力系統(tǒng)將渦噴發(fā)動機、超燃沖壓發(fā)動機整合在一起。為了實現(xiàn)上述目標，X-30需要將許多相互矛盾的技術整合進一個機體內(nèi)，這就帶來了一系列的問題。

問題之一：首先從氣動外形上看，在大氣層頂部加速到高超聲速的飛行器，機翼必須十分短小甚至取消機翼，而采用升力體或乘波體的外形，即依靠機身產(chǎn)生升力。但升力體外形在低速下的升阻比相當差，飛機無法從現(xiàn)有的跑道上自主起飛。就像目前已有的各種升力體試驗機都是依靠其他飛機攜帶進入高空發(fā)射的。

問題之二：X-30賴以達到高超聲速的超燃沖壓發(fā)動機無法在地面零狀態(tài)下自行啟動。超燃沖壓發(fā)動機的啟動速度不能低于4馬赫。所以，X-30從地面起飛時必須依靠傳統(tǒng)的渦噴發(fā)動機。而渦噴發(fā)動機可靠工作的最大馬赫數(shù)僅達到3。在3馬赫到4馬赫之間，存在一個推力鴻溝。如何跨越這道鴻溝，實現(xiàn)從渦噴發(fā)動機到超燃沖壓發(fā)動機的順利交接，是一個難題。

問題之三：一體化設計需要高強度、耐高溫同時輕質(zhì)量的新型材料及結構設計。從航天技術的角度看，X-30顯然屬于單級入軌的飛行器，起飛期間不丟棄任何助推器。根據(jù)“航天之父”齊奧爾科夫斯基的研究，一枚火箭要達到7.9千米/秒的第一宇宙速度，其質(zhì)量比必須達到23.5，即它發(fā)射質(zhì)量是入軌質(zhì)量的23.5倍。這個比例超過了雞蛋總質(zhì)量和蛋殼總質(zhì)量之比?？梢韵胍姡绱速|(zhì)量比的單級火箭，其結構將比雞蛋還要脆弱。為此，齊奧爾科夫斯基設計了多級火箭，各級火箭結構可以設計得比較結實，通過拋棄空推進劑箱的方式來提升質(zhì)量比。X-30在大氣層內(nèi)的飛行方式是氣動式而非彈道式的，這使得它不必具有火箭那樣高的質(zhì)量比。但總體而言，它必然擁有一個“薄殼”的結構，而且機體材料必須非常輕。而這種輕薄的結構，卻要經(jīng)受稠密大氣層中長時間高超聲速飛行產(chǎn)生的氣動熱，還有返回階段的強大過載。為了完成從地面靜止狀態(tài)到近地球軌道的轉移，X-30機體內(nèi)的大量空間必然被液氫燃料箱所占據(jù)，而它的目標卻是搭載數(shù)十名旅客在一小時內(nèi)從紐約飛往東京（但如果把機身縮小，把載荷換成無人的戰(zhàn)斗部，其前景則另當別論）。

即便站在今天的科技角度來看，要建造全尺寸的X-30也是一項太過艱巨的任務。因此，在X-30項目下馬后美國空軍和NASA研制的高超聲速飛行器都不再研制全尺寸樣機，而是先從縮尺驗證機一步步搞起；在功能上也不再是貪大求全，而是集中力量突破某一關鍵技術。

超燃沖壓驗證機X-43A 由于各自需求不同，NASA和美國空軍分頭研制各自的高超聲速飛行器。NASA仍舊致力于開發(fā)可以將人或物送入軌道的空天飛機，由此產(chǎn)生了 X-43A，它看起來儼然就是一架微縮版的X-30；而美國空軍則把目標定位于研制高超聲速導彈，實現(xiàn)其“一小時內(nèi)打擊全球任一目標”的宏愿，由此產(chǎn)生了X-51A（詳見本刊2014年第3期《一小時如何打擊全球》有關內(nèi)容）。

X-43A是目前飛行速度最快的吸氣式飛機。該機在2004年3月27日的第二次試飛中自主飛行了11秒，飛出的馬赫數(shù)6.8被吉尼斯世界紀錄所承認。

X-43A的主要功能是驗證超燃沖壓發(fā)動機的相關技術。沖壓發(fā)動機技術被認為是未來高超聲速飛行器唯一可行的推進技術。因為在馬赫數(shù)大于5的高超聲速飛行時，如果來流猛烈壓縮到亞聲速，進入發(fā)動機的高溫氣體還未點火燃燒，其溫度就已經(jīng)超過了材料所能承受的極限。所以，為了保證發(fā)動機不被來流所燒毀。在5馬赫以上的高超聲速飛行時，發(fā)動機內(nèi)氣流的速度至多被減速到馬赫數(shù)3。由于氣流從吸入到噴出的全過程，都是以超聲速在發(fā)動機內(nèi)流動的，所以這種發(fā)動機被稱作超燃沖壓。

從X-43A驗證機人們可以發(fā)現(xiàn)未來超燃沖壓發(fā)動機的一些特點。首先，超燃沖壓發(fā)動機內(nèi)部結構異常簡單，從前向后看就是一個中空的盒子。為了避免增大內(nèi)部阻力，發(fā)動機內(nèi)沒有任何突出物。燃料是通過與空氣流道齊平的噴口進入燃燒室的。燃燒室內(nèi)也沒有突出的火焰穩(wěn)定裝置，代之以一些凹腔用于產(chǎn)生旋渦來穩(wěn)定火焰。

其次，超燃沖壓發(fā)動機和汽車的發(fā)動機一樣，工作包括吸氣、壓縮、做功和排氣4個過程。只不過前者是依靠多波系激波來壓縮空氣。為了利用激波壓縮來流，進氣道前必須有一個前體。就像SR-71戰(zhàn)略偵察機進氣口前的圓錐或者殲8B戰(zhàn)斗機進氣口前的斜板那樣。

第三，超燃沖壓發(fā)動機必須和機體進行一體化設計和制造。NASA曾在上世紀60年代利用X-15驗證HRE超燃沖壓發(fā)動機，當時發(fā)動機設計成圓桶狀，掛于X-15機身的下方，在進氣口處利用激波錐壓縮來流。但試驗中氣動加熱燒毀了發(fā)動機與機身之間的連接部位，發(fā)動機從空中掉了下來。為了使前機身作為壓縮前體更有效地壓縮氣流，高超聲速飛行器的前機身要盡可能地扁平，而發(fā)動機為了能與扁平的機身融合也最好做成盒形的。

所以，我們就看到X-43A采用機身-發(fā)動機一體化的設計后的樣子，與其說是一架飛機，倒不如說是一臺裝了尾翼的發(fā)動機更為確切。

一體化夢想復活 美國另一項高超聲速武器研制計劃——“獵鷹”計劃，啟動自2003年。美國計劃由小型運載火箭將一系列高超聲速飛行器——HTV——送入亞軌道。利用HTV驗證大氣層內(nèi)高超聲速飛行所面臨的氣動、熱防護、材料、推進等相關技術。

相比無動力的滑翔測試機HTV-1、2，HTV-3X更上一層樓。該機融合了先前HTV-1、2、X-43A、X-51A等多種高超聲速的技術于一身。從外形上看，HTV-3X采用乘波體外形，兩臺渦噴-超燃沖壓組合發(fā)動機位于機身下表面，依靠前體壓縮和后體膨脹。飛行器有兩個短翼和兩個垂尾，不僅起到配平作用還具有在陸地跑道起降的功能。HTV-3X最獨特的地方在于，它將第一次裝備渦噴-超燃沖壓組合發(fā)動機。該發(fā)動機采用雙流道設計，兩種發(fā)動機共用一個帶活動斜板的進氣口。渦噴發(fā)動機的流道靠上，起飛和低馬赫數(shù)飛行時，渦噴發(fā)動機工作。3馬赫往后，斜板關閉渦噴發(fā)動機的流道，打開沖壓發(fā)動機流道。沖壓發(fā)動機先以亞燃沖壓模式工作，彌補3馬赫到4馬赫之間的推力鴻溝。4馬赫以后，發(fā)動機進入超燃模式。此時氣流在發(fā)動機中逗留的時間不足千分之一秒，推動飛行器進入5馬赫以上高超聲速飛行。

由此，HTV-3X項目已經(jīng)大大超出了美國空軍“獵鷹”計劃的藍本，得到了一個全新的名稱——“黑燕”?！昂谘唷表椖康某霈F(xiàn)說明，自X-30起人類打造一體化全功能空天飛機的夢想從未熄滅。

俄羅斯，實力雄厚

蘇聯(lián)的高超聲速研究起源于上世紀50年代，據(jù)說通過火箭或者載機發(fā)射的高超聲速武器規(guī)劃了兩個系列7個型號。蘇聯(lián)解體，對俄羅斯高超聲速技術研究產(chǎn)生了不小影響。不過從1991年以來，俄羅斯還是先后進行了“冷”、“彩虹”、“針”等多項高超聲速項目的研發(fā)。其中“冷”計劃還與法國、美國進行過合作。在“冷”計劃試驗過程中，發(fā)動機實現(xiàn)了從亞聲速到超聲速燃燒的轉變，飛行試驗速度最高也達到了6.5馬赫，獲得了高動壓條件下發(fā)動機從亞聲速到超聲速各種燃燒狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)。因此“冷”成為俄羅斯高超聲速試飛的基礎。

在獲得一系列完整實驗數(shù)據(jù)后，俄羅斯又開發(fā)了“彩虹”，其原型是AS-4“廚房”空地導彈。“彩虹”長約11米，發(fā)動機段長約6米，二維進氣道。在12 000米高空，飛行速度為1.7馬赫的載機將“彩虹”發(fā)射出去，之后“彩虹”的火箭發(fā)動機開始加速，在15 000～30 000米高度，飛行速度可以達到2.5～6馬赫。

而俄羅斯研發(fā)的“針”高超聲速飛行器，則多少類似美國的X-43A，全長7.9米，翼展3.6米，用SS-25導彈作為發(fā)射載具?！搬槨敝饕脕頊y試機體-推進系統(tǒng)的一體化研究，以及熱力學、氣動、結構、材料、地面降落測試等?！搬槨钡娘w行速度大約在6～14馬赫，飛行高度26 000～50 000米，超燃沖壓發(fā)動機采用液氫燃料。

俄羅斯中央航空發(fā)動機研究院與格羅莫夫試飛院研發(fā)的GLL-31“射手”高超聲速飛行器，號稱是俄羅斯最先進的高超聲速武器。其思想類似于美國的X-51A。它的基礎是S-400防空系統(tǒng)所用的40N6固體燃料導彈?！吧涫帧庇擅赘?31截擊機掛載，當飛機速度達到2馬赫時﹐“射手”的火箭點火發(fā)射加速﹐等到超燃沖壓發(fā)動機開始工作后﹐其速度能達到5～10馬赫，飛行高度在20 000～40 000米。采用液氫燃料的試驗型發(fā)動機燃料體積為300升，工作時間在半分鐘到一分鐘之間。

在近年來，俄羅斯在莫斯科航展上多次展出過自己的高超聲速飛行器方案。俄羅斯自認為設計和材料水平均比西方高。中央航空發(fā)動機研究院的地面試車臺，可以模擬7馬赫條件下大型沖壓發(fā)動機的試驗條件。如果考慮到冷戰(zhàn)時期蘇聯(lián)大型運載火箭、彈道導彈和航天飛機技術的研發(fā)實力，可以認為俄羅斯技術積淀非常深厚，具備和美國并駕齊驅(qū)的潛力。

西歐最強是法國

西歐德國、英國，包括歐盟，均有高超聲速開發(fā)計劃。這其中軍事化成果最突出的是法國。法國高超聲速技術研究起源于上世紀60年代，牽頭的一直是馬特拉公司。1992年，在國防部等單位領導下，法國制定了國家高超聲速研究與技術計劃，除了馬特拉，參加的廠家還有達索、斯奈克馬（國營飛機發(fā)動機研究制造公司）、歐洲動力裝置制造公司以及法國航空航天研究院，計劃歷時6年，最后研制了“淺黃”（Chamois）超燃沖壓發(fā)動機，并在6馬赫的速度下進行了反復試驗。法國正在實施的高超聲速技術發(fā)展計劃主要有兩個方向，一個是對外合作，研制速度達到12馬赫的碳氫雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機；另一個就是“普羅米修斯”（Promethee）空射型高超聲速導彈。該導彈采用像“南瓜子”的乘波體外形，彈長6米，采用碳氫雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機，巡航速度為8馬赫，包括固體助推器的總發(fā)射質(zhì)量為1 700千克。

21世紀初，法國航空航天研究院開始研制高空高速無人駕駛偵察機，其速度達6～8馬赫，航程可達2 000千米，飛行高度在30 000～35 000米，和美國的SR-72計劃有相通之處。2003年，法國和歐盟開始合作研發(fā)LEA高超聲速驗證機，載具是俄制AS-4導彈，這種長5米的飛行器最高速度設定為8馬赫。

亞太，小朋友們跟上來了

在研制高超聲速武器方面，印度一直野心勃勃。1998年，印度國防部啟動了命名為“阿凡達”的小型可重復使用空天飛機計劃，當它不攜帶火箭發(fā)動機時，可作為一種高超聲速飛機，用于對地攻擊或偵察，然后返回基地。印度有多個實驗室正在發(fā)展超燃沖壓發(fā)動機技術。除了與俄羅斯合作的“布拉莫斯”高超聲速導彈，印度國防問題分析研究所還曾提交了一份報告，建議研發(fā)至少5馬赫的空天戰(zhàn)斗機，并認為只有美國的X-43和X-51領先于印度。

日本的超燃沖壓發(fā)動機研究起于上世紀80年代末。1993年，日本航空宇宙研究所角田宇宙中心建成了一座超燃沖壓發(fā)動機試驗臺，可進行馬赫數(shù)4～8、流量40千克/秒的工程性試驗，多次進行大型氫燃料的工程性試驗，掌握了點火、推力測量、燃料調(diào)節(jié)、發(fā)動機冷卻等關鍵技術。1999年日本又建成大型高溫激波風洞。正在實施的高超聲速飛行器技術項目是兩級入軌的航天運載器，第一級為高超聲速運輸機（HST），其飛行速度為6馬赫，目前，日本正在研制HST的吸氣式動力裝置，并已進行了高超聲速空氣動力學設計。

此外，澳大利亞也參與了高超聲速研發(fā)項目。與美國合作的“高火”（HiFire）項目在2012年進行了成功試驗。這個實驗也是為了給X-51A提供實驗數(shù)據(jù)。2012年5月8日，HiFire -2在美國夏威夷太平洋導彈靶場由“黃鸝”探空火箭成功發(fā)射，HiFire-2超燃沖壓發(fā)動機爬升到30 480米高空，從馬赫數(shù) 6加速至馬赫數(shù) 8，并工作了12秒。當年9月20日，HiFire -3在挪威安道亞靶場由VS探空火箭成功發(fā)射，飛行器在達到350 000米最高點后俯沖，在20 500～32 000米高度達到最高馬赫數(shù) 8。此外，澳大利亞還和英國、日本合作，進行了“高擊”（HyShot）項目的研發(fā)，測試氫燃料超燃沖壓發(fā)動機技術；以及測試超燃沖壓發(fā)動機工作狀況的“高因”（HyCause），再入大氣層之前，超燃沖壓發(fā)動機成功點火，將飛行速度增加到10馬赫。

空天一體——高超聲速武器前景

看看X-51A這樣的“導彈”，以及X-37B這樣的“飛機”（詳見本刊2014年第3期《一小時如何打擊全球》有關內(nèi)容），不難推斷，高超聲速武器時代已經(jīng)離我們越來越近。

矛盾相生相克，但一般是先有矛而后有盾。在軍事領域，高超聲速技術必將被率先應用于進攻。在高超聲速技術領域處于領先地位的國家，會率先研制出高超聲速導彈和空天偵察機，并借此謀求對其他后發(fā)國家的戰(zhàn)略優(yōu)勢。當后發(fā)國家逐漸也掌握了高超聲速技術，研制出相類似的高超聲速打擊武器后，先發(fā)國家就將考慮對這一技術進行反制。到那時，下至對流層上至近地軌道，將真正出現(xiàn)“高邊疆”爭奪。當前軍事航空領域所糾結的有人無人、隱形顯形等問題都不再重要。從普通跑道起飛的空天戰(zhàn)斗機，可以從地面一直加速直至大氣層邊緣，自由進出近地軌道，從容擊落此間任何目標。或許激光武器、微波武器……將作為新的“防空導彈”投入戰(zhàn)場——如果誰都不想引爆核戰(zhàn)的話。

責任編輯：吳佩新