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临近空间高超声速飞行器发展现状及其防御问题分析

2016-11-28梁晓庚+田宏亮

航空兵器 2016年4期
关键词:防空关键技术发展现状

梁晓庚+田宏亮

摘要: 临近空间高超声速武器对未来空天安全构成重大威胁, 因此其防御武器的研究是当前防空技术研究领域的热点。 介绍了当前军事强国在临近空间高超声速飞行器研究领域的发展状况, 重点分析了美军的临近空间高超声速飞行器的发展思路和正在进行的项目。 在系统归纳当前临近空间高超声速武器的发展现状和作战特点的基础上, 提出了对防空系统的顶层能力需求, 可为未来防空体系需求研究提供参考。

关键词: 临近空间; 高超声速飞行器; 发展现状; 防空; 关键技术

中图分类号: V271.4文献标识码: A文章编号: 1673-5048(2016)04-0003-08

Abstract: Near space hypersonic weapon will be the significant threat for space security in the future, so the study of antihypersonic weapon in near space is hot issue in the research field of air defense technology. The development status of worlds powerful nations in the research field of near space hypersonic vehicle are presented.The key analysis is aimed at the idea of U.S. about the development of near space hypersonic vehicle and its items which is in progress.Based on the development status and operational characteristic of near space hypersonic vehicle, the demand for the top level of the air defense system is proposed, which can provide reference for the reasearch of furture air defense system.

Key words: near space; hypersonic vehicle; development status; air defense; key technology

0引言

近年来, 情报信息、 指挥控制、 火力打击等各种作战手段在临近空间逐步发展, 使得由空到天过渡和结合的临近空间成为未来作战的重要领域。 根据推进系统发动机分类, 高超声速飞行器主要分为两大类: 一类基于火箭发动机, 另一类基于吸气式发动机。 前者目前技术已较为成熟, 后者从总体上看还处于关键技术攻关和演示验证阶段, 其中美国在这方面的研究处于世界领先地位[1]。 本文针对临近空间高超声速飞行器发展现状及其防御问题开展分析。

1国外临近空间高超声速飞行器发展现状1.1美国临近空间高超声速飞行器发展现状

高超声速飞行器是美国最为重视的未来飞行器种类之一。 [2]20世纪50年代中期, 超声速燃烧试验的成功以及超燃冲压发动机概念的提出带来了高超声速飞行器发展的第一个高峰。[3] 1986年, 在超燃技术取得进展后美国开始国家空天飞机计划(NASP), 从此高超声速飞行器发展进入了一个新的研究高潮。

2001年, NASA和美国国防部联合提出了“国家航空航天倡议” (NAI), 建议美国发展吸气式高超声速飞行器, 分为三个步骤:前期重点发展高超声速巡航导弹; 中期重点发展高超声速轰炸机; 远期发展重复使用的航天运载器。 2008年2月, 美国国防部向国会递交了《国防部高超声速计划路线图》, 目的是为美军提供未来的先进作战能力, 即打击/持久作战能力、 空中优势/防御能力、 快速进入空间能力[3]。

航空兵器2016年第4期梁晓庚等: 临近空间高超声速飞行器发展现状及其防御问题分析美国在临近空间领域开展了大量的关键技术演示验证试验, 不断解决实用化过程中出现的问题, 其典型的临近空间高超声速飞行器如表1所示。

1.1.1X-51A计划

X-51A是2003年美国空军研究实验室(AFRL)与美国国防高级研究计划局(DARPA)联合主持研制的一类乘波体飞行器, 基于HyTech计划中的PTE/GDE-1和GDE-2发动机, 普惠公司制造了X-51A试飞器的动力装置, 如图1所示。

2010年5月26日, X-51A进行了第一次飞行试验, 由于遥测信号丢失, 终止飞行, 超燃冲压发动机工作了143 s; 2011年6月13日, X-51A进行了第二次飞行试验, 由于超燃冲压发动机的进气道无法正常启动, 飞行试验被迫提前终止; 2012年8月14日, X-51A进行了第三次飞行试验, 超燃冲压发动机无法点火, 试验失败; 2013年5月1日, 美国空军X-51A乘波者试验项目最后一次飞行试验获得突破性进展, 6 min飞越了426 km。 当飞行速度马赫数超过4.8, X-51A与固体火箭脱离, 并成功完成了一个平缓的180°滚转机动, 随后点燃双模态冲压发动机。 经过240 s, 燃料耗尽, 最大飞行速度马赫数为5.1, 然后又滑行几分钟。 美国空军称:“首次在世界上取得超燃冲压发动机长时间持续超声速燃烧的成功, 首次取得了最接近应用的重大突破, 是具有里程碑意义的技术发展。” 本次试验比前三次的结果虽好, 但并未达到预期目标。 X-51A的飞行试验原定目标是飞行速度马赫数达到6~6.5, 发动机工作时间达到300 s, 而目前的速度用固体火箭发动机或亚燃冲压发动机就可以达到类似结果[4]。

1.1.2Hyper-X计划

单级入轨的空天飞机(NASP)计划失败后, NASA继续执行了一项规模较小的飞行演示验证(Hyper-X)计划。 Hyper-X计划验证用于高超声速飞机与可重复使用的天地往返系统的超燃冲压发动机技术与一体化设计技术。 Hyper-X的第一个无人高超声速验证机是X-43A, 如图2所示, 用于验证小型氢燃料超燃冲压发动机。

2001年6月2日, X-43A第一次试飞由于飞马座助推火箭出现故障导致失败; 2004年3月27日, X-43A第二次试飞取得了成功, 超燃冲压发动机在27 km高空实现超声速燃烧10 s, 飞行速度马赫数达到7; 2004年11月15日, X-43A第三次试飞试验成功, 在35 km高空实现飞行速度马赫数9.8[5-6]。

X-43A的飞行试验虽然成功, 但其飞行速度是固定不变的(马赫数7或10)。 由于其技术水平仍与实现空天飞机的距离甚大, NASA放弃了后续以空天飞机为目标的X-43B, X-43C等计划。

1.1.3Falcon计划

2003年, 美国制定了“从本土实施武力发送与应用”技术验证计划, 即猎鹰(Falcon)计划。 猎鹰计划初期目标是研制一次性小型运载火箭(SLV)和通用气动飞行器(CAV)。 之后, CAV改名为高超声速技术飞行器(HTV)。 HTV重点在高空验证高超声速空气动力学、 长时间高超声速飞行下的制导、 导航与控制技术等。 洛克希德·马丁公司的臭鼬团队研制的飞行器HTV-2, 进行了两次飞行试验。 而HTV-1和HTV-3相继被撤销。 Falcon计划发展路线图如图3所示。

在Falcon计划框架内, 于2010年4月, 进行了HTV-2(猎鹰)高超声速飞行器首次试验, 发射9 min后, 与地面控制站失去联系, 试验失败。 2011年8月, HTV-2升空半小时后与地面失去联系, 第二次试飞失败。

美国DARPA已经决定不再进行HTV-2的第三次试验, 并于2012年7月发布招标综合高超声速(IH)计划, 计划首次进行“高超声速滑翔飞行器(HGV)”飞行试验, 计划还将进一步进行全尺寸的Hypersonic-X飞行器试验。 在2014财年IH的经费支持被停止。

1.1.4ArcLight计划

2010年7月, DARPA与海军联合, 启动了弧光(ArcLight)项目, 旨在演示验证无动力高超声速滑翔技术, 设计、 制造能够对远程、 时间敏感目标进行快速打击的助推-滑翔式高超声速导弹, 并进行了相关试验。 该项目的实施, 将增强美国海军利用常规武器应对战术、 远距离、 时间敏感目标的能力。[7] 其助推器在现有标准-3导弹基础上改进而来, 并发展一种新的高超声速滑翔器, 如图4所示。

1.1.5陆军的高超声速计划

2011年11月17日, 美国陆军航天与导弹防御司令部和陆军战略司令部进行了“先进高超声速武器”(AHW)的首次飞行试验, 飞行3 900 km最终击中里根试验场的目标[8]。 2014年8月25日, 第二次试验由于导弹发射后不久出现故障, 被主动引爆炸毁。 根据简氏数据库资料, AHW飞行器利用三级推进火箭发射, 助推系统和高超声速滑翔(HGB)采用带有小翼的锥形设计, 见图5, 其质量约18 t, 战斗部约400 kg, 长度小于10 m, 具有在35 min内完成6 000 km射程的飞行性能, 精度小于10 m[9]。 尽管第二次飞行试验失败, 美国政府仍然坚持AHW项目, 美国国防部2015财年对AHW项目的实际经费超过7 000万美元, 并计划2017年和2019年再进行两次试验。

1.1.6HSSW计划

2012年, 美国艾格林空军基地的空军研究实验室(AFRL)发布了“高速打击武器(HSSW)验证”项目的公告。 2014年3月发布的《美国空军2015财年科学与技术》报告披露, 空军将在X-51A的基础上通过分阶段投资发展高超声速技术, 近期将围绕高生存能力和时敏打击能力发展, 远期将发展跨区域情报、 监视与侦查(ISR)和打击平台, 工作重点就是HSSW项目。[10] 美空军通过与DARPA联合支持HSSW项目, 旨在发展高超声速巡航导弹技术, 并将并行开展两套综合技术验证:一是吸气式导弹战技术相关验证; 二是通过助推-滑翔式导弹项目发展并验证快速远程打击能力。 吸气式导弹HAWC项目, 由DARPA和美国空军联合实施, 对高效、 低成本空射型高超声速巡航导弹的关键技术进行飞行演示验证, 以实现快速远程打击能力, 2014~2015 财年DARPA为HAWC项目分别拨款1 500万元和2 500万元(空军预算投入不详); “战术助推-滑翔”(TBG)项目由DARPA提出, 为射程1 852 km的空射型助推-滑翔导弹, 2014~2015 财年DARPA为TBG项目分别拨款2 800万元和1 500万元(空军预算投入不详)。 两种HSSW项目如图6所示。

HSSW项目计划分为3个阶段, 共计74个月。 第一阶段进行初始技术验证武器系统设计、 零部件测试及建模仿真; 第二阶段进行最终技术验证武器系统设计、 零部件测试以及建模和仿真; 第三阶段进行制造及装配、 技术验证武器系统测试及建模仿真。

另外, 2013年, 美国洛克希德·马丁公司披露了其秘密进行的SR-72高超声速无人侦察机的研制工程[11], 但军方未对SR -72做出任何表态。 SR -72如图7所示。

未来将分两个阶段实施SR-72的研制和试验工作。[12]

第一阶段: 2018年研制一架完全自由选择的有人驾驶飞行研究机(FRV), 2023年实现首飞。 FRV长约18.3 m, 尺寸与F-22相当, 配备单台全尺寸发动机, 能够以马赫数6的速度飞行数分钟。

第二阶段: 研制实用型SR-72高超声速飞机, 2030年投入使用。 SR-72尺寸和航程都与SR-71接近, 长约30.5 m, 航程约4 800 km, 但是飞行速度是SR-71的2倍。

美国临近空间高超声速计划发展历程见图8。 按照发展路线图, 美军将于2015年前完成高速武器系统概念设计、 作战概念研究工作; 2016财年后, 高超声速武器系统主要关键技术成熟度可达到6级; 预计2020年前后正式装备部队, 形成区域打击和快速远程打击能力。

1.2俄罗斯临近空间高超声速飞行器发展现状

俄罗斯临近空间高超声速飞行器计划方案都采用了技术成熟的飞机和导弹作为发射平台或者改造成为实验飞行器, 成本低廉, 技术风险小[13-14]。

1.2.1冷计划

20世纪80, 90年代, 冷计划由俄罗斯巴拉诺夫中央航空发动机研究院和如科夫斯基中央发动机研究院等单位共同实施。 试飞器为轴对称形状, 系统构成包括氢燃料亚燃/超燃冲压发动机、 燃料监控/测量系统、 遥控系统等。 飞行器总质量为595 kg, 长为4.3 m, 最大直径为750 mm。 1991~1998年期间, 该计划共进行了5次验证性飞行试验, 由SA-5地空导弹发射。 5次试验的成功之处包括:(1) 实现了亚声速燃烧向超声速燃烧的转变; (2) 飞行速度马赫数最高达6.5; (3) 获得了马赫数3.5~6.45的飞行速度和高动压条件下有关亚声速燃烧和超声速燃烧的飞行试验数据。

1.2.2针-31计划

针-31计划的试飞器由C-300A防空导弹系统的48H6导弹改型而来, 试验由米格-31战斗机发射。 在其前弹体外侧, 对称安装2台试验用超燃冲压发动机(双模态发动机, 马赫数5~6), 后弹体部分为助推器, 前后弹体可以分离。

1.2.3IGLA计划

IGLA计划由俄罗斯中央航空发动机研究院和中央空气动力研究院共同发展。 IGLA试飞器为升力体布局, 机体下方配置3台二维三模态再生致冷超燃冲压发动机。 2001年和2004年都曾进行试验, 试验中都使用白杨/镰刀(SS-25)导弹作为助推器, 如图9所示。

1.2.4彩虹-D2计划

彩虹-D2计划由俄罗斯彩虹设计局和巴拉诺夫中央航空发动机研究院共同开展。 该高超声速飞行器是用长为11.3 m、 直径为0.9 m、 翼展为3.6 m的AS-4空地导弹改装的, 发动机长为6 m, 飞行速度马赫数为2.5~6.5, 射程为570 km, 飞行高度为15~30 km, 最大飞行时间为70 s。

俄罗斯临近空间高超声速计划发展历程, 如图10所示。

1.3其他国家临近空间高超声速飞行器发展现状

法国国防部1992年就开始实施一项耗资3.8亿美元的吸气式高超声速推进技术研究计划(PREPHA)。 目前已成功研制了马赫数为7.5的超燃冲压发动机, 开展的临近空间高超声速项目主要是Promethee导弹计划和LEA计划。

德国的高超声速导弹(HFK)于2002年2月进行了一次低空飞行试验, 导弹达到了马赫数6.61的飞行速度; 于2003年8月进行了第二阶段飞行试验, 速度达到马赫数7以上, 这次试验是HFK计划的最后一次试验。 德国航天局(DLR)进行的“高超声速尖锐前缘飞行试验”(SHEFEX)计划中, SHEFEX 1飞行试验于2005年10月27日获得成功; 2012年6月22日, SHEFEX 2获得成功[15]。 SHEFEX 2飞行器如图11所示。

法国和德国临近空间高超声速计划发展历程如图12~13所示。

此外, 英国、 印度、 澳大利亚、 日本和韩国等国都开展了自己的超高声速计划。[15]

2临近空间高超声速飞行器防御探讨

临近空间飞行器根据功能分类, 可分为三类平台: 全球快速到达的高超声速临近空间飞行器; 快速打击时敏目标的高超声速临近空间飞行器; 以快速进出空间为背景的高超声速临近空间飞行器[16]。

针对反入驻和庞大的后勤保障等制约因素, 美国通过了《美国空军转型飞行计划》, 计划提出了“从本土运用和投送军事力量”实施全球精确打击的武器系统发展思路和计划。 美国猎鹰(Falcon)计划为此类飞行器项目, 但美国已停止了对该计划的经费支持。

以远程(非全球到达)助推滑翔飞行器为代表的无动力滑翔类高超声速飞行器越过高超声速动力等关键技术瓶颈, 重点突破气动外形、 热防护等关键技术, 是有望早日实现工程化的发展途径。 目前美国财政支持的高超声速飞行器计划主要为此类飞行器项目, 具体有: 美国陆空军的 “战术助推-滑翔”(TBG)项目、 美国陆军的AHW项目、 美国海军的弧光(ArcLight)项目等。 另外, 基于超燃冲压发动机推进系统的HAWC项目目前也得到了美国财政支持。 美关岛地区至北京直线距离按3 700 km计算, 平均飞行速度马赫数为6的高超声速巡航导弹仅需飞行34 min, 大大缩短中国防空反导体系的防御反应时间和重要目标的机动规避时间。 因此美国财政目前正在支持研究的高超声速飞行器如果在第一岛链和第二岛链部署, 通过陆基、 空基和海基发射, 可对中国构成直接威胁, 是需要重点研究的防御目标。

2.1临近空间高超声速武器作战特点分析

高超声速飞行器目前主要由航空飞行器或地(海)基火箭搭载, 达到一定高度后从航空平台起飞或火箭平台弹射, 助推段固体火箭发动机工作, 使飞行速度升到一定马赫数, 之后助推火箭脱离[3], 超燃冲压发动机点火, 趋于临近空间时, 进入无动力巡航飞行, 具体飞行示意图如图14所示。

图14高超声速飞行器飞行示意图

临近空间高超声速武器作为一种“改变战争规则”的新型武器, 对未来国家空天安全形成重大威胁。 临近空间高超声速武器典型的攻击目标如下:打击核心通信、 指挥枢纽; 打击战略机动弹道导弹武器系统; 打击大型水面舰艇。 总之, 高超声速武器“速度隐身”, 弹道不确定, 突防能力强, 主要用于对作战体系内关键节点进行点打击, 达到使敌方作战体系失效的目的, 从而实现以战术手段打击敌方的战略要点, 摧毁或削弱敌方的战略攻击和防御能力。

2.2临近空间高超声速飞行器防御技术分析

临近空间防御和相关机载武器系统还处于概念探索的阶段, 虽然部分相关技术具有一定的基础, 但还达不到技术应用的水平。 现有武器装备也不具有临近空间高超声速目标防御的能力。 就目前的武器系统技术水平来说主要还存在以下问题:

(1) 现有的武器系统在高度上大多难以企及, 防空武器及其平台的最高作战高度多处在20~25 km以下, 而临近空间高超声速目标均处在25 km以上;

(2) 预警和反应时间不足, 目前还不具备针对临近空间高超声速目标的有效快速预警体系, 即使具有特定射高的战术导弹武器系统, 其反应能力也明显不足;

(3) 射程和精度存在矛盾, 为弥补反应时间的不足, 增加武器攻击射程是有效手段之一, 但具有远射程的武器系统不具有攻击高速机动目标的精度, 而具有精确杀伤能力的导弹武器通常不具有远程攻击的能力;

(4) 对高超声速目标的精确制导毁伤技术还不成熟, 目前还没有可供借鉴的在临近空间内针对高超声速机动目标的精确毁伤技术, 需要在反导拦截技术的基础上进行更有针对性的技术改进研究。

基于机载武器的临近空间高超声速飞行器防御系统主要包括预警探测系统、 机载探测系统、 拦截武器、 指挥决策中心等; 其中预警指挥通讯系统包括预警探测系统、 综合指挥与信息处理中心。 反临作战过程中需要各个组成部分及各个环节有机配合、 协调一致, 在时间上相互衔接, 在任务上环环相扣, 才能最终实现有效拦截。

(1) 构建高效合理的探测网络[17]。 对于临近空间高速飞行目标, 理论上防御系统的探测预警能力须达到800~1000 km, 才能赢得必要的防御作战反应时间。[18] 因此预警探测需要通过合理部署地基、 海基、 空基、 临基和天基探测器, 综合红外、 雷达、 定向能等多模式的探测技术, 构成防空、 防临近、 防天区域内的全方位、 大纵深预警探测网, 需要具备大空域远距离快速预警、 大空域远距离目标探测、 地基雷达低仰角复杂环境下快速检测、 超高速机动目标精确跟踪等能力, 其主要特点为适应大气密度变化强烈的临近空间复杂环境下大空域、 远距离、 低仰角、 高精度探测能力。[19]

(2) 构建高速信息处理中心。 预警信息处理要与预警探测系统的能力要求相匹配。 由于预警探测距离远、 空间覆盖区域大, 因此探测到的目标数目多、 类别杂, 对信息处理的要求高。 主要体现在: 一是信息处理批次多; 二是信息容量大, 信息处理与目标分选困难; 三是要实现目标识别和威胁预判难度较大, 或将是系统的瓶颈之一。 预警信息传输需要解决预警探测系统、 指挥决策系统、 作战单元之间的互联互通问题, 实现实时、 准确、 高可靠、 保密的目的。

(3) 建立高性能的指挥控制系统[19]。 对于部署的多种探测和拦截装置, 需要高性能指挥控制中心实时调配和控制以发挥最大作用。 指挥控制系统需要有较高的自动化水平, 利用高性能计算机、 网络化技术、 智能技术提高连通性、 协调性和自主决策能力, 合理规划部署天基、 空基、 地基和海基结合的防空武器拦截系统, 灵活根据需要, 自动组网, 形成特定战场态势图, 在网络化情报和信息支援下, 实现对临近空间飞行器的全程拦截打击, 形成战略、 战役、 战术行动的一体化指挥、 拦截网。

(4) 研发高精度快响应空/临基拦截弹。 美国NCADE等项目设计时以中近程助推段/上升段的弹道导弹为主要目标, 与弹道导弹助推段相比, 临近空间高空高速飞行器在飞行高度30 km左右、 飞行速度马赫数4~8时均小于弹道导弹关机点(约100 km), 因此在射程和速度能力上, 拦截助推段弹道导弹的武器也可对高空高速临近空间飞行器进行截击。 空基拦截系统具有灵活性、 研发成本低、 部署方便、 远程拦截和快速响应等优势。 因此基于现有空空导弹进行改进, 实现机载导弹在临近空间具有协同作战、 高精度快响应制导控制、 远程高精度自寻的和高效毁伤等能力, 是一个低风险、 高效益的防御临近空间高超声速目标的技术途径。

3结论

由空到天过渡和结合的临近空间在未来的制空、 制天权争夺中具有核心的战略地位。 当前, 各军事强国都在临近空间高超声速飞行器研究领域不断取得新的进展, 临近空间逐步成为各国争夺的重要战场。 各类临近空间高超声速武器必将逐步走向战场, 将给空天安全带来新的威胁。 为有效应对挑战, 应沿着非对称发展原则的思路, 开展临近空间高超声速目标防御武器系统研究。 机载拦截导弹研制既有利于完善中国的临近空间防御体系, 又可为临近空间高速飞行器目标防御武器系统的研制提供技术支撑, 是一个低风险、 高效益的可行途径。

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