航母杀手【韦德国际1946英国】,陆海空三军均可

作者:韦德国际1946

  出品:科普中国军事科技前沿

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高超声速技术是21世纪航空航天技术发展一个新的制高点,高超声速飞行器是指飞行速度超过5倍声速的飞行器,大家熟知的洲际弹道导弹、载人飞船、航天飞机等的最大速度可达20余倍声速,都属于高超声速飞行器。除了洲际弹道导弹等传统的高超声速飞行器之外,近年来在国际上有三类高超声速飞行器备受关注。近些年来,世界主要军事强国根据本国技术实力和研发特点制定出各自的发展计划,力图在未来高超声速战争中抢占先机。

  作者:兰顺正(察哈尔学会研究员)

▲“凌云”飞行器的模型,其体型看起来不算大

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  监制:光明网科普事业部

在不久之前举行的国内某展会上,首次公开展示了一款我国国产的临近空间高超声速通用试飞平台—“凌云”的模型,而从这个曝光的外观上来看,该武器平台采用了有别于之前我们所知道的国内正在开发的临近空间助推滑翔高超声速导弹,其主要采用了超燃冲压发动机以此达到高超声速的目的,而这就是俗称的吸气式高超声速飞行器,那什么是超燃冲压发动机?,采用了这种方式的“凌云”又有着怎样的特点?其的背后又说明了哪些事呢?今天我们就来简单说说。

高超声速武器全球快速打击示意图

  在5月份的全国科技活动周暨北京科技周活动主场的军民融合展会上,国产“凌云”临近空间高超声速通用试飞平台公开亮相,这意味着中国的高超声速飞行器技术又进了一步。

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“兵之情主速”。战争史表明,速度是衡量武器装备性能的一项关键指标,也是撬动胜利之门的重要支点。高超声速技术的出现,必将开启战争新时代—— 高超声速作战:搅动未来战场的狂飙 ■柳森 “天下武功,唯快不破。”从本土发射,可以突破敌方拦截系统、在一小时内打击全球任何目标;从机场起飞,不到两小时就能降落在世界任何一个机场。随着近年来高超声速飞行器关键技术的不断突破,这些科幻小说中的场景将在不远的将来成为现实。 先进的技术支撑—— 高超声速技术验证稳步推进 高超声速技术是21世纪航空航天技术发展一个新的制高点,高超声速飞行器是指飞行速度超过5倍声速的飞行器,大家熟知的洲际弹道导弹、载人飞船、航天飞机等的最大速度可达20余倍声速,都属于高超声速飞行器。除了洲际弹道导弹等传统的高超声速飞行器之外,近年来在国际上有三类高超声速飞行器备受关注。 临近空间吸气式巡航飞行器。以超燃冲压发动机为动力、可在临近空间高超声速巡航的一类飞行器。超燃冲压发动机全称为超声速燃烧冲压发动机,被认为是继螺旋桨和喷气推进之后的飞行器“第三次动力革命”。与采用涡轮增压的航空发动机不同,超燃冲压发动机利用进气道激波实现高速气流减速与增压,因此没有转动部件、构造相对简单。与火箭发动机相比不需携带氧化剂,重量轻,推重比大,适合高空高速飞行。美国研发的X-43、X-51系列已经实现5倍声速以上短时飞行。 临近空间助推滑翔飞行器。用火箭助推,然后在大气层内高超声速远距离滑翔的飞行器,可用于远程快速打击。为了实现高超声速远距离滑翔,至今人们共提出过两种方案,分别是滑翔-跳跃“桑格尔弹道”和助推-再入“钱学森弹道”。由美国研发的HTV系列是这一类飞行器的典型代表。HTV-2设计最大射程16668千米,横向机动距离5556千米,最大飞行速度达到20马赫,可一小时内实现全球到达。 小型跨大气层空间机动飞行器。能快速发射到地球近地轨道、可以长期驻留轨道并执行指定任务、结束任务后自动返回地面的小型无人高超声速飞行器,其在轨和返回地球的速度超过20马赫,被认为是未来太空战斗机的雏形。这种飞行器类似迷你版的航天飞机。采用小型、无人、可重复使用的设计方案,力图解决航天飞机的高成本和高风险问题。美国研制的X-37B是第一架此类飞行器,其最近一次在轨试验长达718天,在轨时间总长达2085天。 积极的武器规划—— 高超声速项目研发群雄逐鹿 近些年来,世界主要军事强国根据本国技术实力和研发特点制定出各自的发展计划,力图在未来高超声速战争中抢占先机。 美国已经开展多个高超声速项目研究。目前正在实施的三类新型高超声速飞行器研制计划包括:吸气式高超声速巡航飞行器——高超声速吸气式武器概念,助推滑翔式飞行器——战术助推滑翔导弹,以及小型跨大气层空间机动飞行器——X-37B。在X-51A和HTV-2技术基础上,美国空军于2014年启动了对应的高超声速吸气式武器概念两个后续项目。与此同时,美国陆军继续积极推进始于2006年的先进高超声速武器计划。这些后续项目的目标是研制高超声速打击武器样机,并在相关的战术环境中完成演示验证飞行试验。X-37B则可作为通用的武器平台,可从空间对陆海空目标实施实时监视或精确打击,可对卫星、宇宙飞船甚至太空站实施破坏和捕获,能够衍生出多种作战能力。 俄罗斯的高超声速技术是在原苏联技术基础上发展起来的。苏联时期就已经研制出3.5马赫以上的远程超声速反舰导弹。1996年后,俄罗斯重启第二代超燃冲压发动机计划,先后推出了GLL-8和GLL-VK等高超声速飞行器项目。一种为助推滑翔高超声速试验飞行器。俄罗斯于2014年5月20日进行了一次SS-25“白杨-M”洲际弹道导弹的试射,内容就包括一型先进弹头的测试。一种为机载方式发射高超声速试验飞行器。今年4月18日,俄罗斯成功试验了飞行速度8马赫的“锆石”高超声速反舰导弹。 法国、德国、印度、日本等国也不甘示弱,相继推出不同的高超声速飞行器项目。如印度正致力于研发马赫数5~7的“布拉莫斯-2”高超声速巡航导弹和“AVATAR”跨大气层高超声速飞行器。 独特的技战优势—— 高超声速作战颠覆传统规则 高超声速武器集超高速、高毁伤、高突防能力等诸多优点于一身,将大幅拓展战场空间、提升突防与打击能力,已成为大国之间空天军事竞争的又一战略制高点,具备改变“战争游戏规则”的潜力,对传统的防御手段、作战模式、抗击方法都有着颠覆性的影响。 速度快,能够快速打击。与现役武器装备相比,高超声速武器最明显的优势就是快。高超声速飞行器具有5马赫至25马赫的飞行速度,作为打击平台,可在约一小时内攻击全球任何角落的目标;作为运输平台,可在短时间内将有效载荷运送至全球各地,甚至近地轨道。高超声速飞行器基本具备发现即摧毁的实时攻击能力,能够实施瞬时空天打击,有效打击全球范围内现有武器难以对付的“时间敏感”目标,把战争带到“读秒”时代。 突防强,能够颠覆防空。随着高超声速武器的开发应用,传统的防空作战将被空天防御作战所代替。由于高超声速飞行器弹道低、速度高,现有的雷达预警和防空系统很难对这样的目标进行实时捕捉跟踪和瞄准摧毁。根据理论计算,以目前传统防空武器系统为参考坐标,空中目标的突防概率随自身飞行速度增加而提高,当飞行速度从3马赫提高到7马赫时,其被拦截的概率可成倍下降,这将使传统防空体系面临“清零”危险,对抗优势的天平将向具备高超声速突防能力的一方倾斜。 机理新,能够强力毁伤。物理学动能定理告诉我们,一个物体的动能与质量成正比,与速度的平方也成正比。当飞行器或者导弹达到高超声速,带来的一个结果就是武器的动能将成指数级倍增,从而极大提高战斗部的毁伤效能。一枚1.5千克的高超声速导弹动能战斗部撞击动能就足以使一座桥梁坍塌。如果携带侵彻弹头,高超声速武器对钢筋混凝土的侵彻深度可达十几米,能够打击深埋于地下的指挥中心等坚固目标。 载荷多,能够承担多元任务。高超声速飞行器具有传统飞机和导弹无可比拟的优势,至少可担负两类作战任务:一是战区直至全球范围的远程快速精确打击以及战略战术侦察与投送。二是空间优势作战,包括快速往返空间、驻留空间、控制空间等。 效用佳,能够慑战并用。以高超声速飞行器为核心的空天突袭武器,具有先发制人的战略优势,将极有可能构成新的战略威慑能力。宏观上将影响战略力量对比,进而影响其战略意图和决心;微观上将影响作战对手的力量布局,导致作战力量部署的被迫调整。而且作为常规快速打击系统,还可避免核武使用的政治风险和高门槛,提高了威慑的可信度,又具有实战价值。 多元的技术难题—— 高超声速武器发展任重道远 自人类成功突破声速以来,70余年间科学家成功解决了3马赫以下的大气层内长时间飞行技术问题。但当航速大于5马赫后,飞行器将面临复杂的气动力、气动加热、材料结构与热防护、气动物理、推进、控制等诸多科学问题和工程难关。所以,尽管“1小时全球打击”的构想十分诱人,但要实现这一目标还必须攻克这些难题。 一是高超声速吸气式推进技术。要实现超燃冲压发动机的推阻平衡、获得净推力,必须让火焰在高速气流中持续稳定高效燃烧,其难度如同在龙卷风中点燃一根火柴。 二是高超声速飞行器气动外形布局设计。为保证远程、快速和大范围机动能力,高超声速飞行器必须在具备高升阻比的同时,兼顾飞行稳定性和操纵性,其外形布局设计难度极大。 三是高超声速飞行器的防热技术。高超声速飞行条件下,气流被压缩并与飞行器表面剧烈摩擦,导致气流温度超过数千摄氏度,飞行器表面被严重加热,例如HTV-2飞行过程中表面最高温度接近2000℃,需研制轻质、耐高温的防热材料和结构才能实现长时间飞行。 四是高超声速飞行器导航与控制。高温还将导致空气离解和电离,在飞行器外部形成等离子体鞘套,干扰甚至阻断无线电信号的传输,进而严重影响飞行器的导航与控制。 只有彻底解决了这些技术问题,高超声速飞行器才能真正成为“杀手锏”武器。

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▲超燃冲压发动机的原理

  “凌云”临近空间高超声速通用试飞平台(图片来自网络)

超燃冲压发动机简单来说就是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机,其特点就是可以在飞行中获取氧气,因此其可以无需携带氧化剂,这样一来,就可以节省发动机的重量,也就是说在消耗相同质量推进剂的情况下,其本身可以产生大于传动火箭发动机4倍多的推力,故而其具有结构简单、重量轻、推重比大等特点。而采用了这种发动机的飞行器,就是上文说到的吸气式高超声速飞行器,这当中就包括了吸气式高超声速飞机、吸气式高超声速导弹等,这种飞行器的飞行速度可以达到5-6马赫以上,能够在临近空间进行飞行,且具有射程远、速度快,突防能力强的特点,因此备受世界各国的高度关注,甚至不遗余力进行相关方面的研发。但是为何这样一种发动机或者说采用了这种发动机的吸气式高超声速飞行器目前没办法大规模应用呢?理由很简单,因为这种超燃冲压发动机“太难搞定了”,其主要困难就在于吸气式高超声速飞行器在进行高超声速飞行时,其发动机在工作状态下吸入的气流速度都是在5-6马赫的高超声速以上,而要在这中速度下的气流中添加燃料并点火成功且保持较长时间的燃烧难度无疑是等同于在“18级飓风中点燃一根火把并保持它燃烧一段时间”,且如果采取一般冲压发动机的办法,即把气流减速增压,就会导致在5马赫速度以上时,气流减速增压所带来的高压强高温度会超过发动机材料承受极限,导致整个发动机烧毁,由此可见,其开发难度极大,故而目前在世界上,只有少数几个国家对于这种飞行器或者导弹的研发进入了一个样机测试阶段,比如此前美国的X-51A飞行器就曾在18.3KM的空中以5.1马赫的速度飞行了210秒,距离达到了426KM,但这个距离实际使用还存在一定距离。

  航空“新星”唯快不破

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  高超声速飞行器是飞行速度超过5马赫的飞机、导弹、炮弹等有翼或无翼飞行器的总称。由于蕴含巨大的军事和经济价值,所以高超声速飞行器已成为当今世界各军事大国纷纷投资的领域,成为21世纪航空航天事业发展的一个主要方向。

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  美国快鹰高超音速巡航导弹(图片来自网络)

▲陆基发射的“凌云”,由于吸气式高超声速飞行器无法在相对静止或低速状态下直接点火,因此需要一个助推火箭将其发射到一定速度和高度才行(由空基发射时,助推火箭的体积可以适当缩小,无须像陆基/海基发射时那么大,以保证战机的外挂/内挂)

  高超声速飞行器大致可分为两个种类:

而此次曝光的我国“凌云”,很明显,其就是作为未来我国军民两用吸气式高超声速飞行器的一个原理样机试飞平台,而从该飞行器的外观上看,其头部的四个进气道采用了独特的“X”形布局,很明显这样做可以较好的改善导弹的机动性能,且该弹的进气道采用“三面预压的亚燃----超燃一体化设计”,并与弹身融为一体,这样做的好处就是可以压缩整个飞行器体积,使其可以适用于多种平台发射,包括陆基、海基、空基等。而与此前说到的类似DF17这样的助推滑翔高超声速导弹相比,“凌云”的优势主要在于其可以“一弹多平台”,且由于助推滑翔高超声速导弹的弹头是无动力的,因此在弹道选择和规划上没有有动力的吸气式高超声速导弹来得灵活多变。

  第一类为吸气式高超声速飞行器,这类飞行器依靠自身高性能动力推进系统就可实现大气层内数倍音速的飞行器。超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机是这类高超声速飞行器的关键技术。

  第二类高超声速飞行器又被称为助推滑翔高超声速飞行器。目前助推滑翔高超声速飞行器大多采用技术上可行的火箭助推获得速度完成进入太空,达到最高点后下降进入大气层,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,最终抵达目标上空。

  高超声速飞行器一旦武器化,其首要特点就是一个“快”字。这类武器的飞行速度设计指标都在5马赫以上,因此能在很短的时间内抵达地球上的任何一点,迅速打击数千或上万公里外的各类军事目标。同时这类武器则可在瞬间跨越遥远的距离,使对方拦截兵器没有足够的反应时间和实施拦截的飞行速度,有利于突破对方防空火力拦截,达到出其不意的攻击效果。另外高超声速武器不但拥有精度,而且借助高速飞行获取巨大动能,通过直接碰撞杀伤目标,其产生的巨大破坏力适合打击加固和深埋目标。

  “东风—征服”名扬海外

  这些年来中国在第二类高超声速技术领域的发展引人瞩目,如2014年1月14日由美国华盛顿自由灯塔报首先向外界披露,中国于2014年1月9日首次测试的一种高超音速滑翔载具,2014年1月15日,中国国防部证实了这一消息。

  美国军方将这项高超音速滑翔式导弹载具试验对象命名为WU-14。WU指的是中国山西省五寨导弹基地,14为该型号首试年份,既2014年,中国国内也有舆论将其称为“DF—ZF”(即“东风—征服”的首字母)。外媒称,在随后的近3年时间里,中国已对该超高声速滑翔载具进行了7次测试,其中6次被认为成功。

  “凌云”高超声速飞行器厉害在哪

  一直以来,中国的第一类高超声速技术显得有些默默无闻,在国际上这类飞行器知名的主要有美国的X-51、俄罗斯的“锆石”等。而本次的“凌云”可谓是帮助中国补齐了这块短板。

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  “凌云”头部进气道特写,从这里可以看到它采用了弹头进气布局(图片来自网络)

  从相关图片可以看到“凌云”高超声飞行器弹头布置有X形四进气道,所以应该是采用的超燃冲压发动机。超燃冲压发动机是指燃料在超声速气流中进行燃烧的冲压发动机。所谓冲压,就是利用飞行器飞行时的迎面气流的压力,使其进入发动机后自然压缩。当飞行速度小于5倍声速时,冲压发动机吸入的空气被压缩后,气流速度会下降到低于声速;但飞行速度再增加,压缩后的气流速度将高于声速。也就是说,燃料必须在高于声速的气流中燃烧,即所谓“超声速燃烧”。由于超燃冲压发动机可以在攀升过程中从大气里获取氧气,因此可以放弃携带氧化剂,节省重量,就意味着在消耗相同质量推进剂的条件下,超燃冲压发动机能够产生4倍于火箭的推力。

  可问题在于,超燃冲压发动机的研制同样是障碍重重。首先,流过超燃冲压发动机的空气只有几毫秒的通过时间,要想在这样短的时间内完成压缩,并使燃料与空气迅速、均匀、稳定、高效地掺混、点火并燃烧,技术上十分困难,如同“在十二级大风中点燃一根火柴”。其次,超燃冲压发动机需要克服的另一大难题是材料。由于发动机工作时具有极高的热负荷,因此需要使用最高性能的耐高温复合材料。虽然有消息称“凌云”飞行器在数年前就已在社交媒体露过面,但此次官方正式公布无疑是向世人宣布中国的超燃冲压发动机技术已经趋于成熟,这为中国自己的高超声速巡航飞行器打下了坚实的基础。

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