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走向星辰大海的預演!關於我國高超音速飛行器,你不知道的那些事

根據媒體報道,我國在8月3日由西北某靶場成功進行了乘波體超高聲速飛行器星空-2飛行試驗。該飛行器由中國航天科技集團有限公司第十一研究院歷時三年研製,是國內首款乘波體氣動布局的高超聲速飛行器。星空-2被搭載在某型東風導彈上送入預定高度,與助推彈體分離後進行自主飛行,實現了在臨近空間超高聲速巡航飛行,成功完成各項試驗數據採集後飛行器按照預定彈道進入落區。

新聞中星空-2號起飛鏡頭

我國乘波體高超聲速飛行器星空-2被官媒報道後,有外媒酸溜溜地發表評論稱,中國此次試驗儘管表明在新型戰略武器研製道路上取得了令人瞠目的成績,但想運用這款武器,那是要過上末世生存遊戲了。其中的酸楚,隔著太平洋都能聞到,搞得好像中國不顧世界和平,積極主動地搞軍備競賽。然而,這款高超聲速飛行器的意義可不僅限于軍事領域,也是我國空間應用開發、未來人類踏上宇宙征途的關鍵技術。

曝光的星空-2彈體,貌不驚人的卡車拉著貌不驚人的火箭

眾所周知,近年來美國為了維持自身的全球霸權,加快了全球反導部署,而我國採用的是最低限度核威懾,核武庫相對於動輒數千枚的美俄來說是十分有限的,一旦美國完成多層次、系統化的全球反導攔截體系,將極大地削弱我國戰略核威懾能力。尤其我國是世界上唯一承諾不首先使用和不對無核國家使用核武器的國家,二次核反擊能力如果被層層反導攔截網削弱,從而使我國處於及其危險的境地。而此次高調又毫無遮掩地報道乘波體高超聲速飛行器星空-2試驗成功,也是對美國在韓國部署「薩德」反導攔截系統的一種強烈回應。

那麼,什麼是乘波體高超聲速飛行器呢?

我國航天、導彈之父錢學森於20世紀40年代末提出的「助推——滑翔式彈道」,也被成為錢學森彈道。

首先,乘波體是一種外形呈流線狀,前緣具有附體激波的飛行器,與傳統氣動布局的飛機導彈相比,乘波氣動布局的飛行器具有極高的升阻比,在高超聲速飛行時升阻比達到最大,以吸氣式發動機或以組合推進發動機為動力,實現在大氣層和跨大氣層中以超過5倍音速的速度遠程巡航飛行。由於採用乘波體布局的飛行器能夠在大氣層邊緣採用「助推——滑翔式彈道」,實現打水漂一般滑越飛行,到達預定載入點後再進入大氣層進行跨大氣層飛行,無法預測的多變彈道,加之5倍音速以上的巡航飛行能力,現有任何反導攔截系統都無法對其實施有效攔截。

高超聲速飛行器本質上就是一種戰鬥部載具,既可以搭載各類型常規戰鬥部也可以搭載核戰鬥部,可以由像我國此次發射試驗的星空-2一樣利用彈道導彈為投送工具在地面由發射車發射到預定高度後與助推彈體分離,然後自主巡航飛向目標,也可以像美國的X-51A型高超音速飛行器由B-52H戰略轟炸機攜帶到預定高度後投射。

傳統彈道導彈搭載的核彈頭只擁有有限機動變軌的能力而沒有自主巡航飛行的能力

簡而言之,按照射程分為由大型彈道導彈投射工具實現地面發射車、戰略核潛艇、固定發射井等方式發射的中遠程、洲際高超聲速飛行器。由戰鬥機、轟炸機、水面艦艇、潛艇等平台攜帶的通用型號是用於防區外打擊的中近程高超聲速飛行器。當飛行器搭載常規戰鬥部時,可以對全球任意地點的高價值戰術目標實施斬首打擊。美軍當年對基地組織重要頭目實施精確斬首時,由於發射戰斧式巡航導彈程序複雜耗時長,採用亞音速飛行的戰斧導彈到達預定目標上空後,目標人物往往已經從容轉移。

美國反導攔截示意圖

如果是超高聲速飛行器,按照美軍的計劃,可以在一小時內打擊全球任意目標,實現發現高價值目標發現即可遂行摧毀,加之無法被現有防空武器攔截的超強突防能力,也成為外科手術式打擊的重要手段。如果飛行器搭載的是核戰鬥部,那麼,全球核力量格局就將重新洗牌,因為它是一款無法被現有技術攔截的載具,任何戰略反導攔截體系都將失效。

美國陸基中段反導攔截彈

由於高超聲速飛行器搭載戰鬥部以後具有超遠距離巡航、防區外發射、短時間全球部署和到達、高空高速的特點,更重要的是現有任何一種攔截武器系統都無法實施有效攔截,自上個世紀八十年代以來一直是世界各軍事科技強國爭相投入研究的一種飛行器。科技實力雄厚的美國先後研製出了X-15、X-23、X-24、X-30到X-43等等各型號的X系列超高聲速飛行器,僅從1985年提出計划到1994年短短的10年之間,美國就進行了包括乘波體和超燃衝壓發動機試驗在內的近3200次試驗,掌握了超燃衝壓發動機的研製技術,為實際飛行器全程飛行試驗提供了可靠的技術基礎。尤其是2001年美國NASA和國防部聯合提出研製的X-43A飛行器,除了第一次失敗,第二次飛行實現了7倍音速巡航,第三次在高空實現驚人的9.8馬赫高超音速巡航飛行,從此美國正式由前期的技術摸索轉入實際裝備應用開發中。

美國由B-52轟炸機掛載的X-43A高超聲速飛行器

2001年以後,美國海空陸三軍各自提出了利用超燃衝壓發動機為動力的高超聲速打擊武器,儘管提出計劃的軍種不同,但為了實現通用化,試驗飛行器都採用一體化設計。2006年美國國防部提出分別由空軍和海軍獨立研製的高超聲速發動機作為下一代全球打擊武器動力系統的一部分,並在同年成立聯合辦公室加強高超聲速技術的聯合研究,同時協調國防部和NASA加快打擊平台的研製開發。

在X-43A基礎上研製的X-51A高超聲速驗證機朝著實戰化又邁進了一步

其中最引人注目的就是由波音公司研製的X-51A高超聲速驗證機,從2010年到2012年間共進行了三次試驗,儘管要麼沒飛完全程要麼失敗墜海,獲取多次失敗教訓後2013年的第四次也是按計劃的最後一次試驗取得了突破。由B-52H轟炸機左側機翼掛載X-51A飛行到5萬英尺高度後投送,下墜26秒後固體助推火箭發動機點火工作,使得速度提高到4.8倍音速,隨後固體火箭助推器與X-51A分離,吸氣式超燃衝壓發動機把速度提高到了5.1倍音速並且實現6分鐘的全程巡航飛行425千米。X-51A攜帶的烴類燃料只能夠讓吸氣式超燃衝壓發動機工作240秒(4分鐘),此次成功試驗也是至今為止最長的吸氣式高超音速飛行記錄。

X-51A就是乘波體飛行器,綽號「馭波者」

美國冷戰時期的對手蘇聯已經解體,但繼承了絕大多數蘇聯家業的俄羅斯儘管由於解體後的混亂以及經濟衰退導致各種先進技術開發受到衝擊,為了能使自己軍事力量根基的核威懾能力不受削弱,高超聲速技術研究一直處於世界領先地位。1997年的莫斯科航展上,俄羅斯公開展示「彩虹」高超聲速試驗飛行器,它是在AS-4防空導彈基礎上改裝而來,射程可達570千米,最大速度為6倍音速。除此之外俄羅斯還擁有多款試驗飛行器,取得過6.5倍音速下超遠距離巡航飛行,比美國X-51A的5.1倍音速還要高。

Kh-90

蘇俄在高超音速飛行器領域也小有成就,除此之外,後來居上的法國、德國、印度、澳大利亞、英國陸續取得了重大技術突破,進行了大量地面和飛行試驗。

3M25A

甚至是被限制擁有彈道導彈技術的日本在八九十年代隨著航天技術發展成熟也竭力發展高超聲速飛行器,在2002年超燃衝壓發動機第一次取得了有效推力,不久後又在試驗中取得了當時世界上最高的有效推力。儘管相比較美俄,日本的最大速度一直處於較低狀態,為了能夠實現空天運輸計劃,其有效推力卻不斷刷新。

為什麼包括限制彈道導彈開發的日本在內,幾乎這個世界上所有經濟科技強國都相繼投入巨資開發高超聲速飛行器?

因為除了在軍事戰略威懾、戰術打擊上代表未來高超聲速導彈、飛行平台打擊武器發展方向,甚至是代表一個國家開發利用外空間能力的重要標誌,在民用領域的航空航天上有著非凡的意義。簡而言之,高超聲速飛行器就是一種航空和航天、軍事和民用技術開發的綜合體。

俄羅斯最新的高超音速導彈3M22鋯石

3M22巡航導彈

高超聲速飛行器按照動力裝置不同分為火箭發動機推進高超聲速飛行器和吸氣式超燃衝壓發動機推進高超聲速飛行器,由於火箭發動機的局限性,90年代以後美俄已經停止採用火箭發動機為主推進系統,而是僅僅當作一級助推器。步入新世紀以後,隨著技術突破,超燃衝壓發動機成為唯一可實現的技術,分為吸氣式運載器和高超聲速巡航飛行器。前者也被成為空天飛機,主要用於入軌任務,而後者到達預定高度再入後主要是在大氣層內飛行,執行巡航飛行任務的飛行器,可用於高超聲速戰鬥機、轟炸機等平台的開發。

在民用航天領域,自從美國的太空梭由於預算嚴重超支、風險巨大而提前退役之後,現在世界上載人航天仍舊採用的是一次性使用的飛船。可重複使用的運載火箭以美國SpaceX公司開發的獵鷹系列運載火箭為代表已經在實用化的道路上不斷取得突破。而中國在2017年全球航天探索大會上表示,可重複使用的運載火箭關鍵技術「垂直起降」和「傘降」已經完成部分實驗取得關鍵技術成果,目標火箭將在2020年前後首飛,並在2030完成所有試驗開發進入實用階段。

就未來而言,人類離開地球進入深空只是時間問題,然而可重複使用的運載火箭結合飛船只能在前期探索階段有著可觀的效費比,但要想搭載更多的載荷實現重複使用並邁入深空,空天飛機是必然要開發也是唯一可實現的載具。

國家空天飛機項目中其設想的「東方快車」號

事實上,美國早在上個世紀80年代就提出了國家空天飛機項目,當時提出「星球大戰」計劃的美國總統羅納德·里根表示,「東方快車」號能夠在美國機場起飛,以25倍音速的高超聲速巡航飛行前往地球軌道,或者2個小時之內到達日本東京。新世紀以後剛剛在吸氣式超燃衝壓發動機上取得突破的美國便迫不及待地提出了三步走戰略:前期開發高超聲速巡航導彈(即X-51A為代表的試驗飛行器);中期發展可全球達到的高超聲速飛機;遠期發展廉價、快速、可重複使用的空天飛機。

美國的X-37B更像是大型太空梭的迷你版

值得注意的是,曾經一度引起廣泛關注的X-37B儘管能夠由運載火箭發射並載入大氣層後滑翔水平降落到跑道上,是美國放棄大型太空梭之後的再次嘗試。X-37B本質上就是太空梭,即無法自主完成起飛,也無法在大氣層內自主飛行,更無法在太空自主飛行。中國與之對應的是早已試驗飛行多年並已經逐漸浮出水面的「神龍」試驗飛行器,有意思的是,載人飛船叫「神舟」。

早些年曝光出來由H-6掛載飛行試驗的「神龍」跨大氣層飛行器已經成績斐然

中國此次成功試驗的星空-2就是未來航空航天科技樹上的「三級車」,飛船為「一級車」,太空梭為二級,只有前三級車都滿技能,才能點出空天飛機來。除非有天頂星人突然降臨送給地球人逆天技術,要不然為了實現星辰大海的夢想,也為了全人類的生存發展,廉價、快速、可重複使用的空天飛機是我們基於現有科學技術,在可預見的未來能夠實現深空開發應用的唯一載具,也是人類未來取締民航客機、運載火箭,實現空地間運輸飛行的唯一交通工具。

在星空-2試驗之前,央視集中報道了我國空天飛機已經開始研製,並在2030年首飛

毫不誇張的說,中國星空-2高超聲速飛行器的試驗飛行成功等同於阿姆斯特朗在月球上邁出的第一步,其重要意義不言而喻,官方毫無遮蓋地集中報道,其中的奧妙,只要有「紅岸基地」情節的中國軍迷和科幻迷們都能深深體會到。對於我們來說,「嫦娥奔月」就在眼前,而更遼闊的深空才是我們仰望的焦點啊。

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