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晨枫:来自美国的“高超音速”爱情 中俄会接招吗?

2017-10-18 07:58:53

【文/ 观察者网专栏作者 晨枫】

伊恩•弗莱明在二战中是正宗英国特工,战后开始写小说,第一部作品就是《皇家赌场》,创造了历史上最有名的代号007的虚构间谍詹姆士•邦德,后来成为一系列邦德电影的题材,至今还在继续。

弗莱明的邦德开的跑车是宾利,不是阿斯顿•马丁,手表戴的是百年灵,不是欧米茄,但这些都不重要了。弗莱明的邦德一开始是和“民间”邪恶势力较劲的,但电影版开始于冷战时代,邦德很快就和苏联死磕上了,其中最有名的电影之一就是《来自俄罗斯的爱》。

冷战结束后,邦德有点失落,但还没有失业。今天邦德电影已成鸡肋,但人们像对待恨铁不成钢的老相好一样,依然在期待惊喜。

电影的结局是来自俄罗斯的玫瑰插到了英吉利的老牛粪上……

在《来自俄罗斯的爱》里,邦德与苏联女特工一面明枪暗箭,一面投怀送抱,最后当然是来自俄罗斯的玫瑰插到英吉利的老牛粪上。时间快进到21世纪,世界上到处拿错剧本。英国老特务那里没人投怀送抱了,美利坚倒是猛放电,最近对俄罗斯和中国呼吁:缔结像导弹技术控制协议(简称MTCR)一样的国际公约,限制高超音速武器的扩散。

当来自中国的高超声速弹头以10倍音速划破长空的时候,就轮到美国来抛媚眼了……

美国科迪亚克发射场,试射高超音速导弹时发生爆炸,损失惨重,至今没有恢复类似的试验

美国AHW高超声速导弹试验弹,其发射工具是“北极星”导弹基础上改造来的

世界上没有无缘无故的爱,这句话一点都没错。

高超音速指M5-25之间的速度段,M指马赫数,M1代表音速,M2为两倍音速,以此类推。不管是军用还是民用,速度的好处是显而易见的。高超音速飞行也在很高的高空实现,通常处在大气层边缘。这里空气稀薄,有利于降低飞行阻力。

高超音速飞行在速度上介于普通飞机或导弹与弹道导弹之间,速度高,机动性良好。普通飞机和导弹具有优良的机动性,但速度比高超音速低很多;弹道导弹具有更高的速度,但除了在再入段具有有限的变轨能力,助推段和中途段的机动性几乎可以忽略不计。高超音速飞行器的弹道形状也很特别,在扁平、可任意机动方面接近普通飞机和导弹,与弹道导弹基本呈抛物线的规则形状截然不同;在高度方面,既高于通常飞机的升限和防空导弹的射高,又远远低于弹道导弹的高抛弹道。

就已知技术而言,高超音速飞行只能用火箭发动机或者超燃冲压实现。常规的涡轮类喷气发动机和亚燃冲压发动机的燃烧必须在亚音速进行,因此在超音速飞行时,进气必须减速到亚音速,与燃料混合燃烧膨胀后,以超音速喷出。这个减速-加速过程带来本质阻力,飞行速度越高,影响越严重,最终阻力会超过推力。因此涡轮和亚燃冲压在理论上就不可能达到高超音速。火箭发动机没有喷气发动机的速度限制,只要比冲和燃烧时间足够,可以达到高超音速。

俄罗斯YU-71高超声速飞行器也已经进行了成功的试飞

武器化的高超音速飞行器可分为两大类:高超音速助推-滑翔飞行器(简称HGV)和高超音速巡航导弹(简称HCM)。顾名思义,HGV用火箭发射入近地空间,然后在重力作用下返回大气层,利用空气的浮力反弹回近地空间,然后再次再入,就这样像打水漂一样在大气层边缘跳跃前进,直到抵达目标上空,最后再入,俯冲攻击目标。简化的HGV弹道则只有一次再入,然后在大气层内依靠气动升力滑翔飞行。HGV也可以用喷气发动机升空,然后用各种手段加速,最后用超燃冲压达到高超音速,然后转入滑翔。不过有这功夫,不如直接发展HCM了。HGV还是以火箭助推为主。

HCM则像常规巡航导弹一样,可以在地面、舰船、飞机上发射,全程动力飞行,有优良的机动能力,滑翔的作用可以忽略不计。典型HCM的飞行高度在20-30公里范围,比HGV要低,但依然高于常规飞机和导弹。

一般来说,HGV的技术相对简单,射程更远,速度更高;HCM的使用更灵活,弹道更机动多变,但技术难度也更高。

根据卫星照片绘制的中国高超声速无人试验机外形

对比“翼龙”、歼-20和歼-10飞机,可以大概看出该机尺寸

美国X-51A超燃冲压发动机试验平台

美国对高超音速武器非常担心,因为这将是比弹道导弹更大的挑战,已经和即将形成的反弹道导弹能力将无法有效拦截。高超音速武器不仅极大地削弱美国相对中俄这样对等对手的军事优势,一旦扩散,连“二流国家”都有可能严重影响美国在世界热点地区的军事行动自由度。当然,美国寻求高超音速武器军备控制的桌面上的理由是降低军事冲突的不可预测性和不可控性。

高超音速武器的速度不及弹道导弹,高度也更低,为什么在美国已经在从PAC3的末端反导到萨德、宙斯盾的战区反导到GBI的战略反导初步形成完整体系的时候,反而更加担忧了?

反弹道导弹分助推段(也称起飞段)、中途段(简称中段)和再入段(也称末段)。助推段反导最为理想,此时火箭发动机正在全力工作,红外特征最明显,容易捕捉目标。导弹的速度和高度尚在上升中,这是依然较慢、较低,容易拦截。拦截成功的话,导弹还在发射区上空,碎片和核爆影响基本上落在发射国内,对目标国影响最小。但助推段拦截最大的问题是及时在距离导弹发射阵地足够近的地方及时部署拦截平台,这当然是难上加难。在可预见的将来,助推段拦截无法作为导弹防御的主要手段。

中段拦截依然对目标国的影响较小。而且中段飞行中,多弹头载体尚未释放子弹头,拦截效率较高。中段飞行中的弹道导弹基本上按照固定的抛物线弹道飞行,在大气层外要做大幅度机动也很困难,所以只要对来袭导弹的弹道预测足够精确,反导弹的发射准备时间足够短促,中段拦截是可以实现的。中段拦截也是当前反弹道导弹的重点,关键在于早期预警,越早发现导弹发射,确定导弹弹道,反导弹的反应时间就越多。反导弹也不是满世界追踪来袭导弹,而是按照提前量直接飞向计算出来的汇合点,只有在最终接近目标时才进行有限的机动,确保命中。弹道导弹在大气层外要机动很困难,反导弹也有一样的问题。

末段拦截在技术上相对简单,这是防空导弹的延伸,但只有有限的覆盖范围,对付已经释放的多弹头只能分别拦截,击毁的导弹碎片也很可能落在目标国内,造成危害。如果引爆核爆,危害就更大了。即使只有导弹碎片落地,动能依然可以造成很大的危害。据计算,300公斤重的实心物体以M8速度击中地面,向前方锥形内释放的动能相当于2吨TNT的能量。末段拦截成功的话,不应该有那么重、那么大的碎片,但非粉碎性击毁依然可能对地面目标造成难以预计的损害。

兰德公司报告配图,高超声速弹头与可机动再入载具弹道对比

高超声速滑翔战斗部与弹道导弹机动能力对比

从弹道特性来说,HGV在助推段和弹道导弹相同,但没有到达中段就分离了,弹头进入高超音速滑翔阶段,巡航高度在40-100公里之间。分离高度和姿态由射程要求决定,射程包括前向和侧向,侧向可达上千公里。换句话说,HGV可以向目标大角度包抄攻击,这样的指东打西能力是弹道导弹难以做到的。HGV也可以在远近方向大幅度调整命中点,不管是在滑翔初段还是末段,只要在射程之内,可以在任一点俯冲攻击,全然不受抛物线弹道的限制。比较之下,弹道导弹只能向目标方向发射,即使是机动再入弹头,弹道的主体依然是抛物线弹道,在远近上还有一定的调整命中点的能力,在侧向只有有限的机动能力。HGV的迂回攻击能力极大地降低了高度依赖来袭导弹弹道特性的传统导弹防御的有效性。

高超声速战斗部命中目标的动能曲线图,500千克战斗部在以8马赫命中时的能量相当于3000公斤TNT当量

传统导弹防御体系的第一环是预警,这主要由红外预警卫星构成,从空间凝视地面,在第一时间捕捉导弹发射时尾焰的强大红外特征,并根据弹道推算全弹道和命中点(对机动再入弹头则是命中区域),同时启动拦截准备。在导弹进入地基或者海基的雷达或者红外的视界之后,精确测定实际弹道并校正先前的弹道计算,然后才谈得上下令发射和实际拦截。但HGV使得弹道计算和以此为基础的中段拦截变得徒劳。

进入高超音速滑翔后,HGV由于蒙皮气动加热而具有显著红外特征,但依然比发射时的火箭尾焰要弱得多,给天基跟踪带来困难。地基雷达或者红外受到地球曲率的影响,只有等到HGV进入直视视界后才可能捕捉到,大大缩小了探测窗口,缩短了反应时间,提高了拦截难度。对于缺乏天基预警能力的国家来说,HGV在实际上是无法预警的,因为地基探测手段很可能无法提供有意义的预警时间。

由于地球曲率影响,高超声速滑翔器只有在接近目标到很近的距离才会被地面雷达发现

常规的防空导弹适合在稠密大气中使用。如果来袭导弹采用固定弹道,也可延伸到高层大气。但较难用于拦截在高层大气机动飞行的高超音速导弹。现在还不存在有能力拦截高超音速导弹的反导弹,全新研制将比反弹道导弹的难度显著增加。

激光武器在理论上可以避开很多反导弹的技术困难,但在实用上并不乐观。高能激光具有能量集中、传播速度大、命中精度高、转移火力快、抗电磁干扰、能多次重复使用的特点,作战效费比高。高能激光主要通过直接加热来造成破坏,需要保证激光束在同一点上稳定照射足够长的时间,才能积聚足够的能量,技术难度很高。高超音速导弹为了承受气动加热产生的高温,本身就在耐热方面下足功夫,在客观上起到“热装甲”的作用,削弱高能激光的效果。另外,高能激光受到气象条件的影响较大,还可能由于激光加热大气而造成光束抖晃、折射。激光武器的功率越高,大气影响越严重。其他粒子束武器也有类似的问题,尽管机制不同。

HCM的航迹比HGV更加不定。HGV除了初始弹道与弹道导弹相近,发射场也只有有限的选择。HCM则不然,不仅无法预测最可能的发射场,也不可能从发射时的指向确定目标,预警和拦截更加困难。另外,HCM的发射方式非常灵活,进一步增加了拦截的困难。不过典型HCM的射程在1000多公里级,更远射程所需要的超燃冲压在可预见的将来还难以实现。

高超音速武器的扩散化确实有可能造成更多的不稳定。由于高超音速武器的难以拦截甚至难以预警,尤其是只有地面预警能力的话,一些国家可能被迫采用接警即射的做法,避免自己的核能力被对方先发制人打掉;甚至在出现危机预兆的时候就先发制人,进一步提高“核盲动”的危险。这样的危险在今天通过弹道导弹同样存在,但正在发展的导弹防御能力使得人们有冷静应对的可能。高超音速武器重新启动了弹道导弹时代的危险循环。

对于美国这样的干涉主义强权来说,高超音速武器流入“二流国家”的话,可能造成对方已经拥有对美国有效威慑的不当错觉,反而增加与美国的冲突危险,引发不由自主的危险互动。高超音速武器也可能引发“二流国家”之间的冲突,但最终迫使大国卷入。

俄罗斯高超声速滑翔研究装置

在高超音速邻域,世界上的第一梯队很明确,那就是美国、俄罗斯和中国。长期以来,美国的X-51代表了超燃冲压的最高成就,TBG则代表了美国在HGV方面的努力。洛克希德的臭鼬工厂将在2020年试飞F-22大小的高超音速研究机,作为SR-72高速飞机的预研,采用涡轮与超然冲压的组合循环发动机(简称TBCC)。埃罗捷特-洛克达因也获得DARPA的TBCC研究合同,要求达到M5以上的速度。俄罗斯的HGV 已经达到实战水平,“亚尔斯M”和“撒尔马特”洲际导弹可搭载Yu-71高超音速滑翔弹头,其扁平机动弹道号称可以打破美国导弹防御体系。据报道,中国已经至少7次成功实验了WU-14,这是HGV弹头。较少提到的是DF-21C反舰弹道导弹,这也属于HGV。中国还在2017年3月的厦门举行的高超音速国际学术会议上出乎意料地打破了保密的传统,公开了大量超燃冲压和其他高超音速研究方面的成就,很多已经达到准实用化的程度。美国国内普遍认为,中国和俄罗斯在高超音速武器化方面已经领先于美国。

印度的“布拉莫斯2”高超声速巡航导弹模型,这模型上就可以看出印度对高超声速飞行的研究还停留在很初步的阶段

第二梯队包括澳大利亚、法国、欧盟、日本、印度。澳大利亚的昆士兰大学与美国军方紧密合作,在超燃冲压研究方面居世界前列,但澳大利亚并没有独立的高超音速研究项目。法国当然是欧盟的一部分,但法国与俄罗斯联合研发的超燃冲压技术独立于欧盟之外,法国的独立研发则缺乏进展。印度的高超音速研究也围绕与俄罗斯的合作,这是“布拉莫斯”超音速反舰导弹的继续,但M4-5的速度级略低于通常定义的高超音速,所以也有人把这定义为深超音速(high supersonic)而不是高超音速(hypersonic)。除了象征性的技术转移和合作生产,印度不仅缺乏高超音速的核心技术,也缺乏自主研发能力。欧盟的高超音速研究并未应为英国脱欧而停止,比较特别的是,这以欧盟-日本联合研究为特点,重点是并无近期应用前景的高超音速客机。总的来说,第二梯队的高超音速研究高度依赖于第一梯队,而相对独立的欧盟-日本的研究则缺乏进展。

第三梯队包括巴西、加拿大、以色列、伊朗、新加坡、韩国、巴基斯坦等,但大多局限于大学和科研机构的纯学术研究,理论水平都有限,实用水平更加差强人意。

英法在高超声速技术的研究集中在民用飞行器上,这基本上来说也就表明他们自己对研制成功的信心也就停留在嘴上

想象中的空客高超声速客机

显然,第二梯队和第三梯队都离实用化有可观的距离,但缺乏反扩散措施的制约的话,即使不至于得到第一梯队的技术援助直接跨越实用化门槛,也可能直接得到成品化的高超音速武器系统。一般认为,关上高超音速武器扩散的大门只有10年时间了。

显然,任何高超音速武器军备控制首先要在美国、俄罗斯和中国之间取得一致,但即使达成了三边协议,高超音速武器的防扩散依然很困难,原因有很多:

1.科学不是巫术,世界上已经有很多大学、机构、公司投入了高超音速方面的研究,学术研究是无法禁止的

2.已经存在大量的、公开的高超音速的学术研究成果,这也是不可能再保密的

3.高超音速在本质上是可以军民两用的,民用高超音速研究和国际合作是无法禁止的

4.民用高超音速技术合作不一定可以直接转为军用,但毕竟大大降低了“圈外国家”军用高超音速的准入门槛

5.自主的军用高超音速研究也是无法禁止的,未加入协议的国家如法国和印度也可能成为扩散的来源

在内容方面,防止高超音速武器扩散的条约也费思量。禁止高超音速武器是不现实的,核武器和导弹武器就是前车之鉴。已经拥有待禁武器的国家算圈内人,要将尚不拥有待禁武器的门槛国家永远挡在圈外,后者必然要求可观的“赎买金”。在核扩散方面,有禁止核扩散条约(简称NPT);在导弹技术禁止扩散方面,有导弹技术控制机制(简称MTCR)。NPT成员有权要求得到和平利用原子能方面的技术合作,MTCR成员有权要求得到和平开发空间方面的技术合作。

有一个思路是像禁止核试验条约一样,禁止高超音速武器试验。这样,至少在理论上,所有国家都将成为“圈外人”。但在美国、俄罗斯、中国都已经在武器化的门槛的时刻,要求三国禁止高超音速武器试验和武器化几乎是不可能的。

在三国之间促进互信也不解决问题,即使三国之间同意互相通报高超音速武器试验和接受对研究、试验设施的互相核查,依然对防止高超音速武器扩散没有直接作用。

任何美国、俄罗斯和中国之间高超音速武器防扩散协议说白了就是美国说服俄罗斯和中国加入协议,但高超音速武器防扩散确实对俄罗斯和中国也是有利的。如果日本获得高超音速武器,以东京为圆心,1000公里半径还对中国(除图们江出海口附近一小块地方)没有多大威胁,2000公里半径内将覆盖中国东北大部和北京到上海的东部沿海,3000公里半径内则覆盖西安到广州以东的大部分经济发达地区。对于印度来说,以新德里为圆心,1000公里半径只对西藏部分地区有威胁,2000公里半径内将覆盖南疆、青海、川西到云南的西部地区,3000公里半径则可以覆盖西安到南宁以西的半个中国。对于俄罗斯来说,如果波兰获得高超音速武器,以华沙为圆心的话,1000公里半径还只覆盖波罗的海、白俄罗斯到乌克兰的边境地区,2000公里则把科拉半岛、莫斯科到高加索的俄罗斯最发达地区差不多一网打尽了,3000公里半径则延伸到乌拉尔到中亚,除了远东和部分西西伯利亚,俄罗斯连后方都不保了。以各个首都为圆心只是便于讨论而已,实际部署的机动余地很大,比如日本在冲绳部署1000公里射程的高超音速武器的话,从大连到上海的弧形都将在射程之内。

日本JAXA想象中的高超声速客机

高超音速武器防扩散的最有希望的途径是加固技术壁垒,利用高超音速的技术难度,从技术禁运入手,阻止扩散。

首先是热防护难关。气动生热与速度、空气密度、飞行器直径和飞行时间有关。弹道导弹再入也有热防护问题,但典型弹道导弹有至少80%的时间在大气层外,除去在助推段的时间,真正有热防护问题的只有几十秒时间。再入弹头多用大直径的钝头,可以用激波导热降低气动生热问题。

HGV与弹道导弹相反,尤其是再入后一直在大气层内滑翔的HGV,至少有80%的时间在大气层内飞行,有的HGV甚至在大气层内释放,全程在大气层内飞行。HCM则肯定是全程在大气层内飞行的。HGV和HCM的速度或许不及再入弹头,但飞行时间要长得多,短则几分钟,长则几十分钟。在气动外形上,HGV和HCM也不宜用钝头。钝头产生激波是用阻力换热防护。再入弹头无所谓阻力问题,但HGV和HCM就要考虑阻力问题了,通常采用更加扁平、尖锐的外形,热应力大大集中,加上长得多的飞行时间,热防护挑战要严峻得多。

高温环境还对光电视窗、雷达罩是严峻的考验,高热产生的飞行器周围的等离子体还会影响通信和导航,这和飞船再入时的黑障是一个道理。

在飞控方面,高超音速的气动应力和热应力也使得飞行器结构发生扭曲和变形,扁平、尖锐结构尤其容易受此影响,迫使飞控系统必须对结构形变自适应。也就是说,控制律必须对不断变化的飞行器动态特性实时辨识、实时补偿。如果采用热蚀材料在挥发中散热以达到热防护,飞控还必须对表面的形状、尺寸甚至平整度的改变进行自适应补偿,在M5以上的超高速条件下,细微的气动外形变化都带来很大的气动特性变化,传统的固定控制律无法做到及时、精确的补偿,容易造成失控。

HCM的超燃冲压推进是世界性的前沿课题,需要用火箭和亚燃冲压加速到M4.8,然后转入超燃冲压,进一步加速到M6以上。超燃冲压的燃烧控制相当于在爆炸气浪中点火。燃烧室内达到特高温,燃烧之间在毫秒级,碳氢燃料必须降解到简单分子(如甲烷、乙烷、氢)才能可靠燃烧。这降解过程是吸热的,正好用来为燃烧室降温。但为了控制降解过程,需要在燃料管路和燃烧室壁面涂覆催化剂。速度达到M8以上后,只有液氢才能可靠燃烧,并有效降温,但液氢的储运和使用又是一大堆问题。

高超音速飞行器的设计还在摸索阶段,现有理论很不完善,实验手段更是有限。高超音速风洞不仅尺寸小、速度低,还有工作时间段的局限,通常是秒级甚至亚秒级。自由飞试验以火箭助推为主,在试验时间、速度稳定性等方面都很局限。超级计算机徒有计算速度,但缺乏实验数据校验的话,计算结果是非常不可靠的。

俄罗斯在莫斯科航展上展示的高超声速验证机,不过现在看俄罗斯的几个高超声速飞行器多在5马赫左右,基本处于高超声速的下限边缘

高超音速研究还需要强大的经济实力支撑,这也不是很多国家能轻易做到的,除非能得到第一梯队的技术支援而抄近路。

由于技术和经济壁垒,技术禁运可以有效地高超音速武器的扩散。美国提议分级禁运清单,一级禁运清单覆盖军用高超音速技术,针对M5以上、300公里以上的武器,包括:

1.完整的HGV

2.完整的HCM

3.HGV和HCM的弹头技术(保险、引信、释放等)

M5是高超音速的入门速度,300公里是MTCR的门槛射程。M5以下的速度虽高,但技术门槛在M5,难度跃变式上升。300公里是国际上普遍接受的进攻性武器射程门槛,用于高超音速武器防扩散正好方便。应该注意的是,射程规定对HCM更有用,对HGV不大好办,因为HGV的射程由释放速度、高度和航迹角决定,实际上无法限制。如果纳入MTCR框架的话,HGV不能归并到再入弹头里,因为HGV可能全程在大气层内,算作再入弹头就可以避开限制了。另一个问题是弹头重量,MTCR规定500公斤以上的弹头,但无弹头的HGV和HCM可以用动能造成毁伤,必须堵上这个漏洞。

二级禁运清单针对双重用途技术,同样以M5为界,包括:

1.超燃冲压

2.专用碳氢燃料

3.耐高温材料和热防护

4.传感器、导航、通信、制导

5.飞行控制

6.设计工具(包括高超音速飞行测试数据)

7.地面仿真和测试设施

这些条款要整合进MTCR并不难,甚至可算是自然扩充,问题是中国不是MTCR签署国,现在也无意加入MTCR,尽管中国承诺遵守MTCR的规定。所以单纯把高超音速武器防扩散加入MTCR是不够的。俄罗斯是签署国,但是在叶利钦时代签署的。要是放在现在的美俄政治气氛下,普京是否有意合作,签署加入,就难说了。同理,要扩充MTCR不是美国说了算的,要签约国都同意,俄罗斯未必会自动同意。要是高超音速武器防扩散协议独立在MTCR之外,那还有与MTCR理清关系要的问题,还有法国、印度这样的第二梯队国家如何约束的问题。

美利坚在秀爱情,中俄会接这个绣球吗?这是一个问题。

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晨枫

晨枫

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