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高超音速武器入门 2.0版

2022-11-18 17:26 作者:冰封之龙  | 我要投稿

最近一段时间,随着美国高超音速武器的试射,高超音速武器的各种论调再次甚嚣尘上。那么,这些形形色色的武器,到底什么才是真的“高超音速武器”?同时,为了实现“高超音速”,又会需要哪些技术呢?今天,我们就来浅析一下这些概念,同时纠正一些常见的谬误。

本文2.0版订正于2022年11月18日。

高超音速武器:为刺穿反导拦截网而诞生

“高超音速武器”是21世纪兴起的一种概念。我们知道,在大气层内飞行的物体,在飞跃音障时会受到明显的阻力,尤其是随着速度提升到音速上下时,会产生很明显的激波阻力。因此,能够跨越音障飞行的武器通常被称为“超音速武器”,如常见的各类弹道导弹,空对空导弹,地对空导弹和反舰导弹等。在跨越音障时,弹体主要需要克服的主要是激波阻力;但随着弹体速度越来越快,达到五倍音速的时候,此时弹体除了需要克服阻力外,另外一个大敌就是表面气动加热,在运载火箭和航天器尤为明显。因此,我们常见的各类导弹和火箭,往往需要尽可能避免在大气层内进行超过5马赫的飞行,以降低自身烧蚀程度。所以传统意义上,弹道导弹都会尽可能减少自己再入大气层的时间,走直线冲向目标。

长征火箭发射后用尽燃料抛下的火箭残骸,外表有明显的气动烧蚀迹象
经典的飞毛腿导弹,采用尖头锥形,这种设计能够有效降低气动发热和气动阻力,增加飞行速度

不过,随着导弹拦截技术的不断发展,走直线突防的思路越来越不好过。如今美国,中国,以色列已经具备对大气层内和地球轨道一定范围内的导弹/卫星的拦截能力,在2007年,中国击落了一枚失效的风云系列卫星,飞行高度达到700公里;2020年,美国和日本发展了标准3 block IIA系列舰载高空反导导弹,具备拦截1000公里飞行高度的中程和中远程弹道导弹的能力。同时,在拦截短程导弹方面,无论是沙特阿拉伯-也门战争,亚美尼亚-阿塞拜疆纳卡战争和乌克兰战争中,各国服役的战术反导拦截弹都有不错的表现,基本上在覆盖区域内都能有效对老旧弹道导弹进行拦截,成功率相比1991年爱国者2拦截飞毛腿导弹有着明显的提高。

标准3发展历程
被击落的圆点U导弹

高超音速武器突防是靠速度吗?No。

很多人有一个误区就是“飞的越快越难以拦截”。但是实际上,单纯的直线飞行拦截并不难,如速度高达第一宇宙速度的近地轨道卫星,现实中使用导弹拦截系统拦截并不困难,甚至难度要低于载人飞船快速交会对接技术(目前中国交会对接是6.5小时,未来可以进一步压缩到2.5小时。PS:2022年11月,我国在天舟五号货运飞船首次实现2.5小时对接成功,创下迄今为止空间站和航天器交会对接世界纪录)。上文中举例的现实中被拦截的弹道导弹,主要就是弹道固定,在对方拦截系统计算出拦截提前量后,发射末端可以精确控制的KKV动能毁伤器,或者直接近距离引爆破片战斗部,即可击毁弹道导弹。

除此之外,老式弹道导弹(如飞毛腿,圆点U等)另一个容易被拦截的原因在于,它们的战斗部末端无法和推进器分离,这使得它末端体积较大,容易被拦截器所命中。因此,高超音速武器的核心突防首先在于“弹头和弹体分离”,降低整体弹头尺寸,然后进行“高速而灵活”的转弯,拉升和水平机动飞行,以求增加敌方测定导弹飞行提前量的困难,使得对方难以在前进航向上发射拦截弹将其截获。这一个使用方式,可以在朝鲜高超音速导弹发射的官方报道可见一斑。

 按照朝鲜相关报道介绍,本次试射检验了多种高超声速导弹技术,包括高超声速滑翔飞行战斗部在多次滑翔跳跃飞行与强横向机动相结合的情况下的操纵性与稳定性。高超声速飞行部在导弹发射后成功分离,战斗部在飞行区间内从初始发射方位角向目标方位角横向机动120公里,准确命中设定为700公里外的目标。

THAAD是美国广为使用的高空拦截导弹,如今基本上以每年采购3-5套速度采购

从朝鲜的新闻可知,朝鲜的高超音速武器具备射程700公里情况下,完成水平机动120公里的能力。而现实中,美国爱国者3防空导弹对于弹道导弹目标有效拦截半径仅有20公里,THAAD也只有120公里,在这样的情况下,一款具备在30000-40000米高空以5马赫完成120公里机动的导弹,很容易就能绕过爱国者3乃至于萨德导弹的防空半径,击中被它保卫的区域。就算是导弹打击目标在拦截导弹的有效范围内,也可以通过进行大角度的S型机动和俯仰机动,从而加大对方计算拦截点的难度,并诱骗对手提前发射拦截弹,使得对方浪费更多弹药。

在这样情况下,拦截方想要拦截敌方高超音速武器,除了暂无法使用的定向能武器外,就只剩下“以高超音速对抗高超音速”和加高防空密度的两个手段。前者需要将己方高超音速导弹送入和对方来袭目标同一飞行平面,然后也通过高超音速控制系统试图迎头或侧向拦截对手,实现难度极大,而后者需要以防空导弹铺满所有的区域,那么显然成本要巨额提高,任何国家都难以负担高超音速武器的拦截导弹数量的沉重经济压力。这就是当代高超音速武器真正的威慑力。

并非所有的超越五马赫飞行的武器都是高超音速武器


前文已经提到,高超音速武器是指不仅能够以5马赫速度或者更高速度飞行,而且还可以在空中做出规避拦截的机动动作的导弹,那么这就意味着,在此之前诞生的弹道导弹都不是高超音速武器——尽管相当一部分再入速度相当快,如洲际导弹,末端速度会轻松突破25马赫,但是它在弹头分离后,只能沿着固定弹道飞向固定的对手,不能如图如今的高超音速武器做出复杂的高空平飞,大角度水平机动等规避动作,所以它不是高超音速武器。。

那么,高超音速武器是如何超越了弹道导弹,实现在大气层的平飞呢?答案是利用弹体再入时产生的空气动力升力效应。

教科书中产生激波的流动插图,高超音速武器就是第四种情况:超音速气流绕钝头物体流动

我们知道,任何在流体中行驶的物体,流体通过物体表面时,都会对其产生力的效应,研究这种效应的科学就是流体力学。高超音速武器,顾名思义是在空气中做高超音速飞行的武器,其和气流产生的效应主要以激波效应为主。在忽略重力情况下,一个钝头物体若在大气中超音速平飞,那么它产生的激波是上下对称的,力量相互抵消;但在通过控制系统,让这个物体以一定气动攻角(攻角为气流和行动方向的夹角,也叫迎角)在大气层中飞行,那么上下表面的激波就不会对称,在良好的计算下,就可使得下表面的激波对弹体的升力大于上表面激波对于弹体的压力,从而对弹体产生整体向上的升力效应,这样弹体就可以在空中“飘行”。当这个升力效果越明显(体现为更大的升力系数)时,整个弹体能够“飘”的距离也就更远,能够做机动的空间也就更大,突防性能也就越好,而如果升力大于了弹体的重力,这种飞行体甚至可以在空中如同正常的巡航导弹一样稳定平飞,飞行距离会进一步延长。而我们常说的“双锥体”“乘波体”等弹头设计,都是以提升它整体的升力系数为出发点的。

高超音速武器的隔热和控制手段

通常来说,导弹再入的速度与其最大飞行高度密切相关,根据能量守恒定律,当导弹飞得越高时,在从数百乃至数千公里的高度再入大气层,储存的重力势能就会还原为巨大的动能赋予弹头。所以一般的洲际导弹弹头都非常尖锐——为了降低再入阻力和降低表面温度。

LGM-118和平卫士弹头再入的延时摄影
和平卫士导弹的分导弹头再入飞行器(MIRV)和上面尖锐弹头的W87核战斗部

不过,导弹再入速度过快,虽然有利于降低敌方的预警时间,但是也导致过快的导弹下落途中难以改变自己的飞行轨道。尤其是对于需要精准打击敌方的点目标(如发射井)和机动目标(航母)的导弹,末端需要开启合成孔径雷达或者使用数据链接收卫星传输的信号,并使用弹载控制系统实现轨迹调整,这就要求导弹的控制系统能够在高速气流冲刷下调整姿态。一般来说,导弹再入通常使用质心偏移调整配合气动升力控制、RCS喷气推力和最传统的气动舵面实施导弹控制,前两者适合于再入速度高达20马赫以上的洲际导弹和飞船返回舱,而后者则适合低于20马赫的弹道导弹。

质心机构原理如下:导弹自身质心和飞行矢量中心线并不始终保持相同,当飞行时需要调整导弹姿态时,则通过较重的质量滑块的位移调整导弹质心位置,使得飞行阻力力矩相对质心产生杠杆效应,让弹体在空气阻力作用下完成偏航控制,同时借助弹体变更飞行角度后,与空气接触产生的激波形状发生改变,从而实现弹体更大角度的角度调整,速度越快,空气密度越大,调整越明显,但不适合速度不够快的导弹。
载人飞船再入时和洲际导弹再入速度相仿,此时通常使用质心调整来微调自身落点,让最终溅落区控制在较小的范围,这种通过质心和气动升力的手段也叫作升力式再入,相对的俯冲角更大的被称为弹道式再入,后者速度更快,但精度较低,仅适合于紧急返回地球。
在确认落区后,神舟返回舱会抛弃剩余的RCS姿态控制器的燃料避免毒害地面

为了降低阻力和降低表面发热,很长一段时间,弹道导弹都是采用尖锥型弹头,这种弹头产生的激波阻力很小,而且可以只在尖头承受较高的气动加热,但在高超音速升力体的理论逐步完善后,科学家发现,在弹体升力系数提高的情况下,气动舵面能够更好的控制导弹的末端精度。所以,1980年代后,随着末端精确打击概念的普及,设计师为了有效使用弹翼控制高速再入的弹头,发明了一种全新的弹头构型替换掉了传统的尖锥型弹头,这就是大名鼎鼎的“双锥体弹头”。

双锥体弹头的优势

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双锥体弹头发展史
潘兴2导弹是世界上最早利用双锥体和升力体的导弹,并采用弹翼控制和RCS控制的组合,发射再入速度在12马赫左右,此时用RCS完成姿态调整,弹头对准地面形成一定攻角,产生升力效应,在减速到5马赫同时赋予弹体更好的末端控制效果。在接近目标上空时,弹体转为垂直俯冲,此时启动导引头对地面进行合成孔径成像并对比预存数据,操控弹翼,完成末端目标搜索和最后的轨迹修正。
东风15B整体构型接近潘兴2,但射程近得多,速度也慢得多,所以末端无需减速动作就可以使用气动舵面调整末端轨迹
得益于更好的设计,DF-26再入速度可以达到18马赫,而且无需进一步减速即可使用弹头的控制系统实现末端轨迹调整和打击

双锥体弹头有很多好处。

第一,相比单椎体来说,它的整体气动性能更为优良。单锥体飞行器飞行时,压心不断后移,使得“飞行稳定性”增强,这使得它有利于对抗偏航,但不利于机动;而双锥体高速时压心向前移动,属于静不稳定,有利于气动舵面进行控制(这点同样在第三代,第四代战斗机抛弃静稳定设计转为静不稳定设计得以体现),而且双锥体的配平攻角大,有利于最大升力系数提升,对于双锥体的机动性来说更有利。

第二,它改变了弹头的流场,前锥较为粗钝,气流通过时产生膨胀效应,产生的超音速激波角度扩大,有效避免激波破坏后部的气动翼面,同时有效降低整体阻力,提高了升阻比,使得弹体减速更慢,飞行距离得以延长,控制性能也得到改善;

双锥体可以有效地把激波角度拉大并远离弹头

第三,由于前部头锥较钝,产生的发热也明显较高,使得发热量主要集中在弹体前部尖端,比较好节约隔热层重量和覆盖面积;

双锥体弹头可以有效把高温区域约束在尖端

所以,双锥体弹头对于传统单锥体弹头,具有本质上的性能提高,1990年代后设计的各国主要导弹都采用了双锥体设计。不过,虽然世界上有如此多的双锥体弹头,但其中绝大部分(如东风15,潘兴2等)只是利用双锥体换来更好的末端控制效果,而非利用它的升力效应实现高超音速武器所独有的“可高空水平平飞”“复杂性规避机动”,因此双锥体并非是“高超音速武器”的必备特征,只是目前常用的设计构型。

真正想要使用双锥体外形实现高超音速武器,不仅要在弹头设计方面更加精确的计算流场和激波特性,还要配合更加完善的制导系统,这一点如同硕士和博士毕业论文的难度差距。

双锥体和乘波体——两种有效的高超音速武器外形设计

朝鲜火星8高超音速武器采用了双锥体弹头
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东风-17采用乘波体设计
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AGM-183的乘波体可分离弹头

根据历史发展规律,弹道导弹首先是从远距离面杀伤核弹头投射器(1950-1980携带核弹头的远程导弹)发展为高精度打击固定目标的机动弹头投射器(1980-2010),再到利用弹头升力体效应实现高超音速机动,有效规避拦截导弹。因此,由于历史的发展惯性和较多的理论积累,在双锥体机动弹头基础上改良高超音速弹头,就成了一种很有效率的发展方向,如今很多高超音速弹头都是这样发展而来的。不过,双锥体毕竟外形过于简单,升力系数较低,因此如今高超音速武器的领跑者开始转向更有价值的乘波体技术。

乘波体也是一种很早被提出的设计。早在上世纪60年代,美国设计三马赫飞行器的时候,就意识到高速飞行器本身的激波就是有效的升力来源,此时若能够有效使用激波升力,就可以缩小机身的正面投影,从而改善飞机气动阻力等一系列问题,所以XB-70飞机采用了末端可以向下折叠的机翼设计,以充分利用三马赫下强有力的激波升力,这被认为是载人飞机上首次运用乘波体相关概念的尝试。到21世纪后,随着对高超音速飞行器的需求增多,乘波体再次被大家广为研究。

XB-70的向下翻转机翼
不同速度下乘波体设计草图
乘波体飞行器(搭配超燃冲压发动机)的设计

相比于改进型双锥体弹头,乘波体看起来更像是一架“纸飞机”,它复杂的表面增加了空气的浸润面积,也有效改变了激波的产生点和产生方向,这样的表面设计比起简单的双锥体,更适合在高超音速下维持较高的升力系数,同时在弹头进行复杂机动时,更不容易产生气动分离(即类似于飞机的失速效应),从而能让飞行器以更好的可控姿态滑翔更远距离,做出更为复杂的动作,因此目前先进的高超音速武器都向着乘波体发展。不过,乘波体也有代价:由于它外形比较复杂,弹头内有效空间比起双锥体大幅缩小,在相同的弹体尺寸限制下,乘波体弹头更大更重,有效载荷更少,杀伤力也会下降很多;而且由于气动加热面积大,整体成本显著高于双锥体弹头。

高超音速的动力选择

高超音速飞行器需要很高的推力才能达到5马赫或更高的初速度,并维持一段时间。所以,所有的高超音速飞行器都少不了强大的助推火箭。一般来说,上文列举的高超音速武器其实都是“滑翔战斗部”,它们无一例外都是由火箭加速到指定速度和高度释放,然后凭借双锥体或乘波体气动布局,在控制系统下保持飞翔。而除此之外,能够在5马赫以上速度工作的发动机显然会进一步延长射程,这也是如今高超音速武器真正的发展方向。

能够保证在五马赫以上飞行的发动机有很多,如最早的自带氧化剂的火箭引擎,也有如今热门的超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机、旋转爆轰发动机等等。但迄今为止,唯一在公开试飞中维持了二百秒级运转的只有美国X-51A飞行器的超燃冲压发动机。

X-51A是唯一目前已知完成了长距离公开试飞的超燃冲压发动机飞行器
超燃柴油机基本结构:发动机外形(通常和飞行器一同设计)产生的斜激波大多被隔离在进气道之外,然后进入发动机的气体在特殊设计的内表面多次反射激波形成有效压缩,在燃烧室内达到工作温度并点燃燃料维持飞行。整个发动机无任何运转部件。

超燃冲压发动机本身也可以看做一个特殊设计的飞行器,它和乘波体一样靠着激波运转,只不过它将激波之间的反射压缩作为自己燃烧室工作压力的来源,取代了涡轮发动机的压气机结构,使得它无需任何的旋转部件就可顺利工作。不过,由于激波工作难以稳定,加上高超音速气流来流急剧减速产生的高温高压特性(根据理想气体方程式,在气体压缩时产生内能),对于材料的要求极端苛刻,而且内部结构设计非常复杂,燃烧也难以稳定,这就是迄今未能产生真正采用超燃冲压发动机的实战导弹的核心原因。

6-8马赫下燃烧室温度可达2700-3100K
在飞行速度达到12马赫时,超燃冲压发动机仅自身气动压缩就可达到5000K的温度,远远超过当代最耐热的材料容忍上限

另外一种有效的手段就是直接使用火箭发动机。

无侦8无人机采用液体火箭发动机

中国在2019年展出了世界首款高超音速无人侦察机——无侦8,并在珠海航展以实物在地面向公众展出,它也是距1970年代美国D-21无人机后,再一次出现在世界舞台上的超越3马赫的高空高速无人侦察机,不同在于,无侦8采用了液体火箭发动机,并且配备了起落架,这使得它回避了高难度的超燃冲压发动机路线,并且可以飞行的速度进一步提升,在使用完毕后,还可以利用起落架返回机场降落,完成可重复使用。

高超音速武器的末制导难点——黑障区和表面发热

高超音速武器往往会受到类似“黑障区”的困扰

高超音速武器作为能够以五马赫甚至更高速度飞行的武器,它也会面临飞船返回舱一样从太空返回时与稠密大气层摩擦产生的“黑障区”问题。在摩擦和激波阻力产生高温之下,弹体表面会形成浓厚的等离子体鞘,由于等离子体是优良的导体,会屏蔽内外的无线电通讯,在这个阶段,弹体内的信号是无法直接从弹体发射到地面上的。同时,由于高温冲击,表面温度会非常高,使得红外传感器也会被自身的热信号覆盖,无法有效探测地面。因此,很长一段时间,高超音速武器通常只能利用自身的惯性制导和位于太空的卫星制导(因为弹体等离子鞘只在弹头,尾部是通讯畅通的),这也是1980年潘兴2导弹要减速到5马赫以内,才能使用合成孔径雷达的关键原因。

高超音速武器光学制导系统外形很可能和YJ-21E前端光学窗口类似

不过,得益于超级计算机仿真和高超音速风洞的协助,我国国防科技大学团队,于近年研究出了高超音速武器光学制导系统。它的原理是利用气膜冷却法,在精确测量高超音速武器尖锥流场和温度分布的前提下,在尖锥位置预留多个冷气喷射口,在导弹末端进入光学制导有效范围后,启动液氮喷气系统,对光学窗口进行气膜冷却,再启动光学红外成像系统,这样就可以避免高超音速武器不再在末端成为“盲人”,而能够有效的飞向移动中的目标,这一点在高超音速武器打击行驶中目标时格外重要。

高超音速武器不会替代传统弹道导弹、巡航导弹

最后一个问题,就是“在未来高超音速武器普及下,现在流行的传统弹道导弹和巡航导弹会不会失去市场”。这显然是否定的。

在高强度战争情况下,低成本的远程制导火箭弹和传统弹道导弹、巡航导弹仍然是主力产品

我们知道,大规模战争下,不仅考验一个国家武器的先进程度,更考验一个国家战时的武器生产速度。高超音速武器就像高精度狙击枪发射的高性能狙击子弹,能够远距离打中车辆观察窗,地堡瞭望口这样的小目标,将敌方VIP人物远距离击毙,但是其高昂的价格,较长的生产时间,都不利于它形成普通子弹那样的持续性压制火力。而远程火箭弹,制导炸弹,短程巡航导弹,短程弹道导弹以其低廉的价格,较低的生产要求,可以保证战时三位数乃至四位数的生产速度,能够有效的在实战中满足对于大部分敌方纵深目标的打击压制,将宝贵的高超音速武器节约出来专门打击敌方导弹拦截系统和指挥机构等核心设施。

结语 高超音速武器是“改变游戏规则”的强大战力

经过上面的论述,我们会发现,高超音速武器是结合了当前气动理论,制导系统,材料科技的尖端技术产生的换代性武器。相比传统弹道导弹,它的突防能力更强,末端机动性更好,更有利于对敌方拥有较高反导能力保护的机动目标展开“斩首行动“。在高超音速武器服役后,传统的反导理论也将面临大敌,需要投入更高成本才能有效对抗高超音速武器。因此,高超音速武器武器无论在战术打击层面,还是在战略破除反导系统围困方面,都有着不可替代的价值,需要我们高度重视发展。

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