【金沙澳门官网网址】日本为何要加速发展“高速滑空弹”

  出品:科普中国

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  作者:岳江锋

  AHW项目以前是美国陆军的高超声速武器项目,第二次发射失败后转交给了美国海军。

  参考消息网9月7日报
印度《经济时报》网站9月4日刊登题为《中美竞相研发下一代高超音速导弹》的文章。

  策划:宋雅娟

  美国高超声速武器发展又取得了重要成果。美国海军学院新闻网11月3日报道称,美国海军战略系统项目(SSP)主任特里·本尼迪特海军中将在11月2日宣布,美国海军进行了首次“常规全球快速打击”导弹试射,试飞取得了成功。该飞行器主要基于前期陆军“先进高超声速武器”(AHW)项目方案,并针对潜艇导弹发射管进行了适应性改进。

  文中称,在过去一个月,中美都进行了新型高超音速武器系统的试射。虽然两国的试射均未成功,但它们标志着中美两国之间的军事竞争仍在继续,两国都试图研发数倍于音速的高精确度导弹。

  监制:光明网科普事业部

  高超声速武器被誉为“彻底改变战争规则的工具”,巨大的战术价值和战略价值使之成为各军事大国未来高技术武器发展的重点。目前,中美俄都在积极研制高超声速武器,并取得了令人瞩目的成绩。那么,中美俄高超声速武器发展如何?谁执牛耳?

  中国在8月7日第二次试射WU-14高超音速滑翔飞行器,但没有成功。美国随即于8月25日在阿拉斯加的科迪亚克发射中心试射了先进高超音速武器(AHW),试射也以失败告终。

  据日本媒体报道,日本防卫省决定加快研制“高速滑空弹”,以备进行“岛屿防卫作战”,主要用来打击敌方大型水面舰只。与早先防卫省公布的计划相比,新发展计划要求这种导弹提前到2026财年装备部队。据悉,日本所谓的“高速滑空弹”其实是一种临近空间飞行的助推滑翔武器,具有飞行速度快、突防能力强、打击精度高等诸多作战优势。

  美国:实力雄厚 领跑发展

  高超音速武器能够非常迅速和有效地击中目标。如果能够投入使用,这些武器能够以5倍于音速的速度飞行,射程覆盖几千英里。

  什么是临近空间的助推滑翔武器?

  2016年8月,美国《航空周刊》选出了下一任美国总统必须关注的九大航空航天技术,其中高超声速技术位列榜首,反映了美国对高超声速技术发展的高度重视。

  虽然中美之间这一阶段的高超音速军备竞赛是近期才发生的,但这类武器本身已经以某种形式存在了几十年。

  临近空间又称为亚轨道或空天过渡区,是指距地面20~100 km
的空域,包括了大气平流层、中间层和小部分增温层,具有巨大的潜在军事利用价值。相较于航天空间和航空空间,在临近空间部署的侦查平台具有更高的安全性、更长的驻空时间、更大的有效载荷和更高的分辨率等优势,可有效弥补航天系统过顶速度过快以及航空系统视野局限性大、易遭受攻击等缺陷,能够实现空天地信息的有效衔接和中继。

  高超声速是指飞行速度超过5倍音速,传统的涡轮喷气和涡轮风扇发动机都对此都鞭长莫及,普通的冲压发动机也很难接近5倍音速。要想达到高超声速,现在可行的只有两条路:使用超燃冲压发动机或助推滑翔方式,这正好是DARPA(美国国防部高级研究计划局)2016年9月授予洛·马公司的两项合同涵盖的内容。

  卡内基国际和平基金会资深研究员詹姆斯·阿克顿说:“高超音速武器不是最近才出现的,弹道导弹就是高超音速武器。”

  目前,世界军事强国发展的临近空间武器主要有有动力的吸气式高超声速武器和无动力的助推滑翔武器两大类。尽管有动力的吸气式高超声速飞行器近年来取得了较大的发展,但由于其较助推滑翔高超声速飞行器技术实现难度更大。因此,当前更接近武器实用化的可能还是无动力的助推滑翔武器。早在1938
年,奥地利科学家桑格尔首次提出了临近空间助推滑翔飞行器研究方案。1948
年,中国著名科学家钱学森提出了一种能够实现洲际飞行的火箭助推-滑翔机动概念高速飞行器。两人分别创立了以其名字命名的助推滑翔飞行器弹道,即桑格尔弹道和钱学森弹道。

  2016年9月中下旬,美国国防高级研究计划局(DARPA)连续授予洛·马公司研制高超声速武器的合同,其中9月19日DARPA授予洛·马公司1.47亿美元的合同,为战术助推滑翔项目研制验证原型机,9月23日DARPA又授予洛·马公司1.71亿美元的合同,开始高超声速吸气式武器概念的演示验证导弹研制。美国在高超声速领域的频繁动作进一步加剧了高超声速领域的军备竞赛。

  不过,中美目前试射的高超音速武器属于一个名为“火箭助推滑翔武器”的不同类别。

  从基本原理上讲,两者都是利用助推火箭先使飞行器获得初速度,使其进入外太空,达到最高点,然后下降进入大气层。进入大气层后,通过气动升力效果在靠近大气层的边缘进行滑翔。钱学森提出的是一种平稳滑翔概念的弹道,桑格尔提出的则是一种跳跃滑翔弹道。

  目前,美国战术级的高超声速武器主要是高超声速打击武器(HSSW)项目,它可细分为吸气式和助推滑翔两项内容,即战术助推滑翔(TBG)和高超声速吸气武器(HAWC)。TBG是美国空军HTV-2项目失败的产物,HTV-2两次飞行试验失败后,美国空军决定将研究重点转向难度较低的战术高超声速武器,从而诞生了TBG项目。综合各方面报道,TBG的目标是研发一种能够在10分钟内飞行超过1852千米的武器,可以看作HTV-2降低指标的产物,最终目标是发展一种现有成熟机载和舰载平台上的发射的高超声速助推滑翔导弹。

  阿克顿说,火箭助推滑翔武器“由大型火箭发射,就像弹道导弹一样,不过随后它们不是沿弧线到达大气层上方,而是沿着一条轨道尽可能快地重新进入大气层,然后滑翔至目标”。

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  HAWC则源自X-51A项目的部分技术。X-51A虽然没有实现6马赫的飞行速度目标,但却有效的加速到5.1马赫,发动机工作了240秒,证明了基于碳氢燃料的超燃冲压发动机的可行性。DARPA透露,HAWC作为X-51A的后续项目将更为高效。据悉,HAWC的目标是研制一种速度5~6倍因素,射程约1000千米的高超声速吸气式巡航导弹。按照计划TBG和HAWC都进入了攻坚阶段,有望在2019年开始飞行演示试验,它们衍生而出的廉价高超声速武器很可能形成出战略威慑效果。

  火箭助推滑翔武器能够在一条令导弹防御系统难以拦截它们的轨道上飞行。这些导弹防御系统是为对付传统弹道导弹的高弧线而设计的。火箭助推滑翔武器飞行速度快,而且飞行角度平,其速度和轨道让现有的导弹防御技术无能为力。

  桑格尔弹道和钱学森弹道的区别 (图片来自网络)

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  在中美最近两次失败试射之前,两国都有过成功试射火箭助推滑翔系统的记录。中国在1月份试射WU-14,取得成功。卡内基国际和平基金会的中国问题专家洛拉·萨尔曼说,那次成功是“中国向更远程、更强大的报复性和潜在的先发制人的能力迈进的一个迹象”。

  目前哪些国家在发展高超音速滑翔武器?

  HTV-2项目发展并不顺利,两次飞行试验都以失败告终。

  萨尔曼说,美国担心的是,中国可能最终把火箭助推滑翔武器用作核投放系统。如果美国没有同时研发这种能力,那么这有可能给予中国对全球大部分地区实施率先核打击的假定能力。

  临近空间飞行器是在临近空间区域内飞行并完成攻击、侦察、通信、预警和导航等特定任务的飞行器。近年来,临近空间武器受到诸多军事国家的广泛关注。目前包括美国、俄罗斯、印度、日本、德国等国在助推滑翔飞行器研究和试验等方面已经取得了重大的成就。尤其是以美国、俄罗斯居于领先地位,已进行了多种型号的飞行试验。

  虽然HTV-2项目已经折戟沉沙,但美国也没有放弃战略级高超声速武器的发展,美国陆军的先进高超声速武器(AHW)是一种使用战略靶标系统作为发射工具,以双锥体外形弹头进行高超声速滑翔的试验项目。AHW已经进行了一次成功试验,在半个小时内飞行了3700千米抵达夸贾林环礁的里根靶场。AHW第二次试验中助推火箭爆炸,爆炸甚至殃及发射工位,不过美军还在规划更多的AHW飞行试验,2017~
2021财年可能为它申请最高达10亿美元的预算,以进行更多的飞行试验。

  2011年,美国成功试射了AHW。在那次试射中,AHW在不到半小时内飞行了2300英里

  美国在冷战时期进行了大量助推-滑翔技术的研究。但直到2003年,美国空军和国防部联合提出了“从本土实施武力发送与应用”技术验证计划,即“猎鹰”(Falcon)计划。在“猎鹰”计划框架下,美军开发了HTV-1、HTV-2和HTV-3X等多种高超音速技术验证机,并利用HTV-2在太平洋上空进行了航程7700千米、高度在大气层边缘、速度达20倍音速的飞行试验。“猎鹰”计划在美军内部形成了强大的“示范”效应,美国陆军、海军、国防高级研究计划局(DARPA)纷纷另起炉灶,研究适合本军种的临近空间助推滑翔飞行器。

  简而言之,依靠过去的技术积累,加上近年来大力发展新高超声速武器技术,美国在高超声速武器领域仍然占据着领跑的地位。

  美国最近在阿拉斯加的试射失败原因尚不明确,而且显然严重损坏了发射设施。

  苏联在高超音速技术上也做了大量研究工作,俄罗斯继承了苏联的衣钵,在高超音速领域具有很强的研发能力。苏联解体后,俄罗斯便启动了以“4202项目”,开展了代号为YU-70、YU-71的高超音速助推滑翔飞行器研制及试验,并以此为基础发展了“先锋”高超音速助推滑翔导弹。“先锋”高超音速助推滑翔导弹最大速度超过马赫数20,可携带常规或核战斗部,射程达到洲际以上,采用陆基发射,是一型以高超音速滑翔飞行器为弹头、以洲际弹道导弹为助推器的战略级高超音速导弹。据报道,“先锋”高超音速滑翔弹头在飞行过程中能够进行机动,对反导系统具有很强的突防能力。

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  除中国和美国,俄罗斯和印度也在研发高超音速武器。

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  准备挂载到B-52轰炸机的上的X-51A飞行器。

  【延伸阅读】

  美国HTV-2飞行试验概念图(图片来自网络)

  俄罗斯:兴趣盎然 成果不少

  高超音速导弹可破美反导系统

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  俄罗斯继承了苏联的衣钵,在高超声速领域具有很强的研制试验能力。美国更看重高超声速武器用于战术打击,而俄罗斯对高超声速武器用于战略打击更有兴趣。苏联解体后,俄罗斯启动了高超声速助推滑翔弹头技术的研制,其中最核心的项目就是4202项目。这个项目使用SS-19洲际导弹作为发射工具,发射一种高超声速的有翼滑翔再入飞行器,其技术上至少可以追溯到苏联应对美国星球大战的时代,当时苏联机械制造科研生产联合体研制了YU-70再入滑翔飞行器,用于突破美国的导弹防御系统。

  2014-02-07 11:17:00

  俄罗斯YU-71飞行试验概念图 (来自网络)

  面对美国导弹防御系统的威胁,俄罗斯开始已在此基础上研制新的飞行器——YU-71。YU-70和YU-71已经进行了多次试飞,但试验过程也并不顺利(不是高超声速飞行器失踪,就是没有正常分离),直到2016年4月19日YU-71发射试验才首次获得成功。这次成功堪称俄罗斯助推滑翔技术发展的强心剂。按照发展规划,YU-71如果未来研发顺利的话,2020年后YU-71可能装备到萨尔玛特等重型液体洲际导弹上,通过高超声速滑翔机动能力,显著提高俄罗斯核弹头穿透美国反导系统的能力,增强俄罗斯核打击力量的威慑效果。

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  日本“高速滑空弹”技术原理及其挑战如何?

  俄罗斯同样对战术级别的高超声速武器技术发展非常关注。事实上,俄罗斯在超燃发动机领域曾经是领头羊,俄罗斯的“冷”(Kholod)系统是世界上第一个实现正推力和加速度的超燃冲压发动机试验飞行器,正是它的竞争促使美国启动了X-43A等一系列超燃冲压飞行器项目。俄罗斯还有GLL-AP-02这样的高超声速飞行器,它可以看作俄罗斯版的X-51A,将在未来几年内进行飞行试验,并为高超声速导弹奠定基础。

 

  据日本官方公布的资料显示,高速滑空弹是一种高超声速滑翔武器,使用高性能火箭发动机助推到高超声速,在敌方防空导弹射高之上进行高速滑翔,中段通过GPS/INS制导飞向目标区域,末段高速俯冲攻击“敌舰”。从作战构想看,高速滑空弹具有飞行速度快、突防能力强、打击精度高等诸多作战优势。但就日本现实状况来看,研发这种武器尚面临一系列重大技术挑战。

  除此之外,俄罗斯还在研制3K-22“锆石”(Zircon)高超声速导弹系统。2016年3月,“锆石”进行了首次试射,据称这是一种速度5倍音速以上的导弹,计划到2018年装备在俄罗斯海军的巡洋舰上,它可能是GLL-AP-02的实用型号,关系类似于美国的HAWC和X-51A。俄罗斯还和印度联合开展了布拉莫斯II项目,它也是一种使用双模超燃冲压发动机的导弹,从航展外形上看类似于GLL-AP-02,很可能是“锆石”导弹的外销版。

  2013年5月1日,美国空军B-52H型轰炸机挂载X-51A型“乘波者”高超音速飞行器从加利福尼亚州爱德华兹空军基地升空。新华社/路透

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  《国际先驱导报》特约撰稿 宋忠平 发自北京

  日本高速滑空弹作战构想图(来自网络)

  俄罗斯希望通过高超声速武器增强现役洲际的突防能力,图为发射的SS-19洲际导弹。

  美国国防部情报称,今年1月9日,中国军方在本国领空首次成功进行了高超音速航天飞行器的飞行试验。美国匿名消息人士向《华盛顿自由灯塔报》透露称,五角大楼对中国这种高超音速飞行器起的代号为WU-14。美国国防部官方发言人普尔中校证实了发现相关试验的事实。

  首先是热防护技术。高速滑空弹的速度很高,即使在大气稀薄的高空,气动加热也相当厉害,日本要成功研制高速滑空弹,必须得突破超高速飞行中的热防护技术。考虑到日本进行过多次再入返回试验,以及日本在材料科学上的积累,突破这项技术的问题不大。

  中国:迎头追赶 进步不小

  1月15日,中国国防部发言人就外媒报道中国高超音速飞行器试验作出回应并表示,中国在境内按计划进行的科研试验是正常的,不针对任何国家和特定目标。国防部的此次回应实际上已经证实了中国这次高超音速飞行器试验。

  其次是风洞及飞行试验技术。高速滑空弹设计需要大量风洞试验和实际飞行试验的检验,日本的高速风洞倒是有一些,但是长期以来日本始终没有装备和研制过弹道导弹,更别说研制再入机动弹头,实际飞行试验可以说是一张白纸。要在短短的几年内完成研制,光是确定高速滑空弹的气动外形就是一个“拦路虎”。

  美苏在上世纪60年代开始再入机动弹头研究的时候,中国还没有实用的中远程导弹,中国冲压发动机尤其是超燃冲压发动机的研制也较晚,因此,中国是高超声速领域属于后来者。不过我国最近十年来在高超声速技术上取得了不小的进步,美国《航空周刊》介绍九大空天技术时专门提到高超声速领域中俄正在赶上。

  客观讲,中国进行高超音速飞行器试验没有什么值得大惊小怪,美国和俄罗斯等强国早在上世纪就开始了相关高超音速飞行器试验。从技术原理上讲,高超音速飞行器也并不是新鲜事物,钱学森教授早在上世纪40年代末就提出了这种“助推—滑翔式弹道”,国外有人称之为“钱学森弹道”。简单理解就是一种“弹道式巡航导弹”的概念,利用弹道导弹将飞行器打到地球的亚轨道,然后飞行器启动自身超燃冲压发动机贴着大气层上沿机动飞行,直至精确攻击目标为止。

  最后是高性能固体火箭发动机技术。高速滑空弹所用的初始助推火箭不仅要求发动机比冲高、结构质量轻,还要使用多脉冲技术,满足高速助推和高效滑翔的需求,日本在固体火箭发动机上积累深厚,“标准-3”Block
IIA拦截弹的发动机部分就有日本的技术,只不过多脉冲固体火箭发动机对日本还是第一次,最终能否攻克这一技术还存在不确定性。

  在助推滑翔飞行器方面,根据美国《华盛顿自由灯塔报》此前报道,中国在过去几年里先后进行了多次WU-14高超声速飞行器试验。报道称WU-14自东部某基地向西发射,据称它是类似HTV-2或AHW的先进高超声速飞行器,其作用主要用于作为洲际导弹弹头,以高超声速滑翔方式突破美国反导系统。目前中国官方对此从未发表信息,但《华盛顿自由灯塔报》称全部飞行试验都获得了成功。中国还研制了一系列使用双锥体外形和气动舵面控制的再入机动弹头,广泛装备在解放军现役各种弹道导弹上,增强突防能力的同时也提高了命中精度。

  如同在大气层上“打水漂”

  目前,中国还在研制各种冲压发动机,该技术可以用于研制吸气式高超声速武器。公开资料显示,2006年,高超声速飞行器科技工程列入国家中长期科技规划(2006~2020年)》,成为其中的重大专项之一。根据《科技日报》2016年3月12日对中国航天科技集团公司六院院长谭永华院长的采访报道,中国上一代冲压发动机速度不到3倍音速,而现在研制成功的新型冲压发动机速度可达4.5倍音速,未来正在研制7到10倍音速的冲压发动机。可以期待,2020年前后,中国5倍音速以上的高超声速冲压发动机也将进行飞行试验,并为研制战术吸气式高超声速导弹奠定基础。

  这里定义的高超音速是指速度大于5倍音速,也就是时速在6000公里,如果是10倍音速,则时速高达12000公里,这个速度对于武器来讲可实现“全球快速打击系统”,也就是美军一直倡导的“一小时打遍全球”。也只有“快”才能不贻误战机,才能在对手发起攻击前“以快制胜”。

  美军1998年提出的高超音速飞行器设计方案,使用火箭组合循环发动机推进。从普通跑道起飞,发动机加速到10马赫飞行,当爬升到40公里高度时关闭发动机,飞机依靠惯性滑行到60公里的高度开始机动飞行。在这个高度区间,地球大气层的压力、密度随高度增加而迅速衰减,在距离地面60公里高度,已接近真空状态。因此,在30-60公里的高空“走廊”是高超音速飞行器长时间远距离飞行的理想空间,在这个“走廊”短暂启动发动机,推动飞行器再次爬升、回落、再爬升,如此周而复始,每两分多钟进行一次“跳跃”,每一跳约450公里,这样在两小时内可以到达全球任何地点。

  这种在稠密大气层上方如“打水漂”般跳跃飞行的方式,不仅节省燃料,而且大大减轻高超音速飞行的气动加热。飞行器可利用其高升阻比气动外形进行大范围滑翔机动,规避拦截火力,并在适合位置释放出携带的弹药,对目标进行精确打击。这种“弹道式巡航导弹”与纯粹的弹道导弹相比,其最大优势就是飞行弹道、落点难以预测,拦截武器系统的传感器即使探测到发射也难以连续跟踪,难以获得精确飞行弹道数据。同时,现如今已经部署的“基于导弹打导弹原理”的反导系统的拦截能力恰恰对这种飞行器大部分飞行时间和轨道显得无能为力,因而高超音速武器系统对于现有反导系统有非常高的突防概率。

  总结一下就不难发现,高超音速飞行器最主要的特点就是两点,一是极快速度,二是高机动性,这两点无疑都是现有反导系统的“克星”。

  反导系统能预警但无法拦截

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