高超声速飞行器武器运用有什么制约因素

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日专家:中美俄印掀起高超声速武器军备竞赛
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资料图:美军AHW大气层边缘高速滑翔系统
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美国媒体报道,中国于1月9日进行了一次高超音速武器试验,这种武器将被用于突破美国的导弹防御系统。据称,这种高超音速飞行器被安装在一种由洲际导弹改造的运载火箭中,其速度高达10马赫。或许因为保密程度相当高,这是中国高超音速武器首次曝光,实际目前在世界上,将高超音速武器推进至实机研究阶段的仅有中国和美国两家。
采用乘波体外形设计的美国HTV-2高超音速滑翔体,再入速度为20倍音速,但此前2次试验均告失败。
美国媒体报道,中国于1月9日进行了一次高超音速武器试验,这种武器将被用于突破美国的导弹防御系统。据不愿透露姓名的美军官员称,五角大楼已经这种高超音速武器命名为WU-14。据称,这种高超音速飞行器被安装在一种由洲际导弹改造的运载火箭中,从地面发射后,与火箭助推器分离,然后再入大气层进行无动力高速滑翔飞行,其速度高达10马赫(也就是音速的10倍)。
这是中国高超音速武器首次曝光,或许因为保密程度相当高,试验之前国内军事论坛上没有丝毫消息。此前唯一能在侧面进行推测的是,国内媒体去年报道了于2012年5月通过验收的JF-12激波风洞,该风洞可复现25-40公里高空、5-9倍声速的高超声速飞行条件。报道称,模拟带发动机工作的高超声速一体化试验需要的测试时间至少是几十毫秒,国外相关风洞大约只能做到30毫秒,而JF12能达到100毫秒试验时间。JF12喷管出口直径可达2.5米,试验舱直径3.5米,都明显优于国外同类风洞。
可见,中国发展高超音速武器是有技术基础的。目前世界上,将高超音速武器推进至实机研究阶段的仅有中国和美国两家。
提到高超音速武器,就有必要了解一下美国国防部先进研究计划局(DARPA)的猎鹰计划。猎鹰计划全称是"兵力运用与从本土发射"(FALCON),这个名称的简明解释是,武器从美国本土发射,可在短时间内打击全球任何一点。与前面提到的中国WU-14高超音速武器一样,猎鹰计划也是将一个高超音速滑翔体(DARPA将其称为通用航空飞行器CAV)装在小型固体运载火箭(SLV)上,SLV将CAV发射到亚轨道后,CAV沿弹道飞行并很快再入大气层,随后在大气层内进行大距离的无动力高超音速滑翔飞行,期间CAV可以进行大范围机动规避反导拦截,最终精确击中数千乃至上万公里外的地面目标。
中美的高超音速武器均采用了运载火箭发射无动力滑翔体的设计。
美国GMD的拦截弹发射,高超音速滑翔体能够规避弹道导弹防御系统。
HTV-2高超音速滑翔体与运载火箭分离的想象图,高速下的姿态控制其最大难题。
猎鹰计划的具体指标是,最初要求CAV能在30-60公里的高高空进行5500公里的超远距离滑翔,并同时能进行最大2200公里的横向机动。进一步要求CAV能达到16700公里的滑翔距离和5500公里的横向机动能力。
猎鹰计划最早于2002年提出,它合并了美国空军及DARPA此前的高超声速武器项目,整个计划有些复杂,并在2004年进行过调整,下面仅介绍进行过实际试验的型号。经过2004年调整后,通用航空飞行器(CAV)被重新名为高超音速技术载具(HTV),唯一进行过实际飞行试验的是洛克希德?马丁公司的HTV-2。
HTV-2采用乘波体外形设计,据称其在高超音速条件下的升阻比高达3-4。可以比较的是,在同等速度条件下,传统宇宙飞船如联盟、神舟的升阻比仅0.2-0.3,阿波罗飞船为0.368;采用三角翼、能在普通跑道降落的航天飞机的升阻比为1。HTV-2在高超音速下的高升阻比是它实现远距离滑翔的最根本基础,同时如何实现在高超音速飞行时保持姿态、机动可控也是最大的设计难点。
HTV-2飞行状态的想象图,它的外壳可耐高温高压,也不怕激光武器照射。
HTV-2的另一设计难点是防热。尽管在30-60公里的高高空,大气密度已非常稀薄,但高超音速滑翔时的摩擦生热仍使HTV-2的表面温度最高超过2000摄氏度,这已超过不锈钢、钛合金等常见航空材料的熔点。所以HTV-2外壳主体采用了碳-碳复合材料。
日,HTV-2进行首次飞行试验。HTV-2搭载在牛头怪4型运载火箭上,在加利福尼亚州的范登堡空军基地发射升空,它以约20倍音速重返大气层展开高超音速滑翔飞行,按计划它要滑翔飞行5741公里,击中西太平洋夸贾林环礁附近的海上靶区,整个飞行全程大约耗时30分钟,末速降低至4倍音速左右。但在试验中,HTV-2仅滑翔飞行139秒就失控坠毁。DARPA调查发现,HTV-2是在再入大气层、拉起滑翔阶段发生偏航,继而滚转,超出飞控系统的控制能力而失事。
日,HTV-2进行了第二次飞行试验,但同样在再入拉起阶段失去了联系。此后直至现在,美国也没恢复HTV-2的飞行试验,应该是有些技术难题仍没有解决。可见,即便是对于航空航天实力超群的美国,要研制再入速度在20倍音速左右的高超音速飞行器也是困难重重。
HTV-2尽管未获成功,但高超音速飞行器显然代表着战略武器的发展方向。实际上,我们可以将HTV-2与牛头怪4火箭这个组合视为一款新型的远程/洲际导弹,牛头怪4火箭本来就改装自因美削减战略武器协议而提前退役的"和平卫士"洲际导弹,HTV-2则是一个可以在大气层内进行远距离滑翔机动的弹头。由于HTV-2在大气层内能够大幅横向机动,目前现役及计划中的反导拦截弹对它都无能为力,甚至代表着未来的激光武器也难以对付HTV-2。因为HTV-2速度快,其外壳因为要承受高温高压而设计得极为坚固,大功率激光武器的短时间照射,也难以将HTV-2烧毁或烧伤。
所以,高超音速飞行器若能成功,在突防能力上将具有颠覆性的效果,可取代现有的洲际导弹或作为头等战略武器使用,这应该也是中国跟随着美国,发展"WU-14"高超音速飞行器的原因。
"一小时全球打击"的"先进高超声速武器(AHW)"的产物:高超音速滑翔体则称为HGB,采用较传统的圆锥体+小翼面布局,指标较HTV-2相对落后。
另外,美国的高超音速飞行器也不是只有猎鹰计划一个项目。美国陆军航天与导弹防御司令部、及美国陆军战略司令部也联合发起了常规快速全球打击(CPGS)项目。这个项目以能够进行"一小时全球打击"的"先进高超声速武器"(AHW)为目标。与FALCON、及中国的WU-14一样,AHW也采用固体火箭搭载高超音速滑翔体的模式,其高超音速滑翔体则称为HGB,运载火箭则是"北极星"潜射中程弹道导弹改装而成的三级固体火箭。但据已知信息,AHW的高超音速滑翔体在外形设计上仍较为传统,是普通的圆锥体+小翼面,其在高超音速条件的升阻比不如HTV-2,技术上落后一代。
AHW的首次试射时间为日,它从夏威夷考艾岛发射升空,大约30分钟后成功击中5000公里外的西太平洋夸贾林环礁附近海上靶区,两地相距大约5000公里。据报道,AHW的HGB重返大气层时的速度为8倍音速,滑翔飞行段大约是3000公里。
AHW的这一指标要比HTV-2低了不少,甚至逊色于中国WU-14的10倍音速。换个角度来说,在高超音速滑翔武器领域,中美两国现在实际能够做到的是处于同一水平,WU-14成功比AHW晚了3年,指标略优。如果WU-14采用的是类似HTV-2的乘波体设计,甚至可以说中国比美国先获得了初步成功。虽然美国通过HTV-2,肯定比中国掌握了更多、更高级的经验,但现在的情况已足够令中国航天人收获自信。
中国拥有世界领先的JF-12高超音速风洞,在这一领域能暂时与美国持平是有技术基础的。
最后需要提及的是,美国军政高层对中国此次高超音速武器试验反应极为紧张。美国众议院军事委员会(House Armed Services Committee)1月13日发表声明,对中国进行的高超音速巡航导弹测试表示出极大的担忧,并称此次导弹试验无助于中美在太平洋地区的和平共存。这是中国去年试射东风41、巨浪2洲际导弹时都没有的情况,极不寻常。
其实对于中国军事、工业方面的成就,外媒究竟是吹捧、还是如实反映,美国国会是一面极佳的镜子。例如,华为公司数年前欲进军美国电信市场,后来因美国国会阻挠而作罢。去年斯诺登事件,美国安局在世界范围内进行网络窃听曝光,美国安局在行动中利用了美国公司掌握全球互联网核心技术的优势。美国国会的议员们对此是心知肚明的,所以他们极力反对中国公司成为美国网络基础设施的供应商,免去"后院起火"的可能。
美众议院军事委员会这次对中国高超音速武器如此紧张,他们应该也同样看到这种武器的革命性意义,以及中国在这一领域对美国的紧追甚至暂时领先。
高超音速飞行器若能成功,在突防能力上将具有颠覆性的效果,可取代现有的洲际导弹的地位。这应该也是中国跟随着美国发展高超音速飞行器的原因。美国军政高层对中国高超音速武器如此紧张,他们应该也同样看到这种武器的革命性意义,以及中国在这一领域对美国的紧追甚至暂时领先。
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出品:腾讯网军事频道
作者:杜松涛
本期责编:关志宁
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中国高超声速武器发展早有报道 某些国家勿担心
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48小时点击排行“驭波”高超声速武器让反导系统成“睁眼瞎”_凤凰军事
“驭波”高超声速武器让反导系统成“睁眼瞎”
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新闻背景 据《今日俄罗斯》网站报道,俄罗斯军工部门已经启动了&锆石&高超音速导弹首次陆上试射的准备工作,但未透露具体的进度和服役时间。作为目前俄罗斯国防工业最秘密的武器之一,&
新闻背景 据《今日俄罗斯》网站报道,俄罗斯军工部门已经启动了&锆石&高超音速导弹首次陆上试射的准备工作,但未透露具体的进度和服役时间。作为目前俄罗斯国防工业最秘密的武器之一,&锆石&高超音速巡航导弹设计飞行速度达到5倍-6倍音速,承担全球实时侦察、快速部署和远程精确打击任务,计划配备于俄海军第五代哈斯基级多用途核潜艇。 高超音速导弹又被称为&驭波武器&,这是因其在飞行过程中利用大气激波提供升力,飞行方式就好比&打水漂&,飞行轨迹复杂且极难判断。由于飞行轨迹与瞬时所处位置的大气层密度息息相关,敌方的空天防御系统很难进行识别判断。未来,可以做到&发现即摧毁&的高超音速导弹,将成为全球范围内改变战场态势的重要战略武器。 空天飞行远程毁伤效能显著在美国大片《变形金刚2》中,为了对金字塔顶的&大力神&予以致命一击,美军在战舰的前甲板上发射了高超音速炮弹。如今,这一科幻大片里的场景正在变成现实。 高超音速导弹是指飞行速度达到或超过5倍音速(约每小时6000公里)的快速攻击型导弹。目前,美国航天局进一步按速度分为高超音速导弹和极高超音速导弹,飞行速度在10马赫以上的被称为极高超音速。高超音速导弹的优势不仅仅是快速,它还能以高速持续飞行较长距离。2014年美国空军研制的超燃冲压飞行器X-51A&波行者&高超音速无人机,就以5倍多音速连续飞行了3分钟,创造了高超音速飞行时间的世界纪录。 借助于这一高速高航程飞行能力,美国空军正在实现数分钟内在全球范围内实施军事打击的战略目标。 作为一款全球瞬时打击武器,目前美国更是提出了将该类武器主要用于打击毁伤&高价值目标&。敌方国家的领导集团、战略指挥中枢、空天飞行器发射平台以及核武器发射基地和国民经济领域的重要设施等,都将作为高超音速导弹的优先打击对象。这些高价值目标一旦遭到毁伤,将对敌对国家整体作战实力产生较大影响,从而直接改变战争格局甚至决定战争胜负。 除了突防能力强,高超音速导弹攻击的威力也相当巨大。一枚1.5千克的高超音速导弹撞击的动能,就足以使一座桥梁坍塌。目前美国军方更是对高超音速导弹的侵蚀攻击力提出了明确要求,对钢筋混凝土要达到钻深6米-11米。 动力革命各国竞相参与研制 能作为战略武器使用的远程洲际导弹虽然可以打遍全球,但攻击成本较高。依托舰载、艇载发射的短程战术导弹同样需要付出较高代价。因此,为实现&一小时打遍全球&的目标,美国等国正在加速发展成本低廉、速度快、射程远的新型高超音速武器。 作为下一代飞行技术,以高超音速导弹为代表的高速飞行装置对速度要求极高,因此需要采用不同于普通航空发动机的新型冲压发动机,这一发动机技术的研发也被称为&第三次动力革命&。在高超音速导弹研制领域,美国仍保持着明显优势,美国空军已经投入3亿美元用来研制超燃冲压飞行技术。 目前,美、俄两国的高超音速导弹研发处于世界顶尖状态,而法国、德国、印度、日本等国也正在加快高超音速导弹的研制。 美国&猎鹰计划&中正在发展的通用航空飞行器,采用了无动力和微动力滑翔技术,可以实现5500公里的滑翔距离和2200公里的横向机动能力。美国X-37B空天飞机无论是发射、运行成本还是重复使用率都优于航天飞机,展现出巨大的价格优势。 除高超音速导弹外,美国国防部高级研究计划局主导的&高超音速吸气式武器概念&和&战术助推滑翔系统&等项目也在进行此类高速导弹的研制,并计划于2018年或2019年进行测试。目前美国已经进行了数项与高超音速武器有关的测试项目,并计划于2020年前列装可在数分钟内穿越美国的高超音速导弹。预计第一种列装的高超音速导弹将携带小型传统弹头,用于在安全距离内攻击目标以进行空天防御。 俄罗斯和印度正集中全力研制高超音速巡航导弹,目前研发的&布拉莫斯&超音速巡航导弹飞行速度可达到3马赫,成为世界上飞行速度最快的巡航导弹。两国还在合作研制&布拉莫斯-2&高超音速巡航导弹,并计划于2017年进行发射。此外,俄罗斯已宣布开发出新型高超音速导弹燃料。
美国公司研发部门公布的SR-72高超音速战机效果图,报道称,其速度将达音速的6倍,样机有望于2018年首度亮相。 难以拦截或将改变战争形态 目前世界各国都难以做到对高超音速导弹进行有效拦截。由于高超音速导弹多飞行在6万米的高空,除&标准-3&导弹可以对大气层外目标进行有效攻击外,其他地空导弹的最大射高都在3万米左右,无法对飞行中的高超音速导弹进行打击。 高超音速导弹在起飞阶段只有短短90秒,末制导阶段攻击速度可以达到6马赫甚至十几马赫,即使在此时拥有了导弹预警能力,地空导弹也难以完成发射准备。如俄罗斯C-400地空导弹从接到作战命令到进入发射状态,最短也需要5分钟。 至于高超音速导弹最后的极速攻击,发射拦截的地空导弹也基本无力招架。美国计划在今年试飞新型HX高超音速飞行器,攻击速度可以达到20倍音速。如果此时再进行机动变轨,或使用多弹头技术,目前的导弹防御系统基本上成为&睁眼瞎&,根本无力进行拦截。 可以预见,随着高超音速武器技术的不断试验完善,其必将以快速部署、远程精确打击和极强的战略毁伤效果,成为未来战争尤其是一体化空天防御战争的重要&主导者&,也将是战争规则的&改变者&。 延伸阅读未来空天防御的重大威胁 高超音速导弹飞行高度高、打击速度快、突防能力强,简直&防不胜防&。高超音速武器被军事专家称之为继螺旋桨、喷气推进器之后航空史上的第三次革命性成果。因而在美国空军的&全球快速打击计划&中,高超音速导弹成为优先研发的重点项目。高超音速导弹也势必凭借这些优势,成为未来各国空天防御的重大现实威胁。 在航空领域,以M(马赫)为单位来表示音速,M=1即为音速的1倍;M=2即为音速的2倍。二战中,一些活塞式战斗机在加速俯冲速度达到M=0.9时,就曾强烈感受到了音障,并且导致有的飞机因此而失事。当喷气式飞机出现后,飞机速度不断提高,能否突破音障就成为航空领域关注的重点。美国于1944年开始了超音速研究,1953年,试飞员道格拉斯驾驶着&流星烟火&号飞机,在喷气发动机和火箭的双重推力下,首次以音速2倍以上的速度飞行。实践证明,只要突破M=1,就不会再有音障存在。 通过研究试验,采用向后倾斜的机翼,可以延缓或消除音障现象的出现,并减少飞行的阻力,有利于提高飞行速度,于是就出现了亚音速和超音速飞机。F-100超佩刀是美国空军第一种正式服役的可在平飞中达到超音速的战斗机。2004年,美军率先推出X-43试验飞行器,第二次试飞即突破7倍音速,一举刷新大气层内飞行速度的纪录。 高超音速导弹将承担全球实时侦察、快速部署和远程精确打击任务,并可以在未来空天战场作为低成本反卫星手段的先进武器装备。目前,各国竞相研发高超音速导弹,这必将对未来战争方式产生深刻变革。(国防科技大学张乃千)
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