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高超声速技术助力全球快速打击

本帖最后由 @潇宝贝 于 2019-8-28 09:22 编辑

【知远导读】本文原文刊载于2019年1月15日的俄罗斯“军事评论”网站,作者是尼古拉·安东诺夫。文章介绍了美国、俄罗斯和印度当前的陆基高超声速武器计划进展。作者指出,由于现代化综合防空系统的出现,特别是弹道导弹防御系统的发展,军事强国希望能用高超声速武器来对抗反介入/区域拒止战略及实施地区或全球打击。


刊登部分为节选,如需阅读完整篇幅请登录知远官网http://www.knowfar.org.cn/查询。


技术发达国家的武装力量正在研发陆基高超声速武器,以应对快速发展的威胁和现代化弹道导弹防御系统。


高超声速领域的进步促进了高速武器系统的研发。后者本身也被确定为军队必须沿其方向前进的关键领域,以免落后于技术对手。


最近几十年来在这一技术领域进行了大规模的研发,同时,广泛采用了周期性原则:一个研发周期被作为下一个研发周期的基础。这一进程促进了高超声速武器技术的巨大进步。最近二十年来研制者们主要在弹道导弹和巡航导弹以及有火箭加速器的滑翔弹头领域积极运用高超声速技术,在诸如模拟、风洞试验、头部整流罩构造、智能材料、飞行器再入大气层的动力学和专用软件这些领域中积极地开展工作。陆基高超声速系统目前已经具有很高的准备程度和精度,能攻击很多类型的目标。此外,这些系统能大大削弱敌方现有的反导防御系统。


美国的计划


美国国防部和其他国家机关日益重视研发将能达到2020年代所需发展水平的高超声速武器。五角大楼增加用于高超声速研究的经费和资源可以证明这一点。


美国陆军火箭航天系统局和桑迪亚国家试验室正在联合攻关超前的AHW(Advanced Hypersonic Weapon)高超声速武器系统,目前后者被称作Alternate Re-EntrySystem。该系统用HGV(hypersonic glide vehicle)高超声速滑翔器投送常规弹头。HGV类似于国防部高级计划研究局和美国空军制定的HTV-2(Hypersonic Technology Vehicle-2)构想。不过与HTV-2相比,HGV可以安装在近程运载火箭上,这本身也说明其将被优先前沿部署(在陆地或海上)。HGV的构造(楔形)与HTV-2(圆锥形)不同,装备末段高精度制导系统。


2011年11月AHW火箭首飞并演示了使用火箭加速器的高超声速滑翔技术、热防护技术的完善程度,并检验了测试靶场参数。从夏威夷导弹靶场发射的滑翔器飞行大约3800千米,成功地命中目标。


2014年4月在阿拉斯加发射场进行了第二次试验发射。但发射4秒钟后控制器发出销毁火箭的指令,外部热防护层挂住了运载火箭的操纵装置。2017年10月在太平洋导弹靶场进行了缩小版的下一次试射。缩小版的尺寸与标准的潜射弹道导弹相当。


美国国防部为按AHW计划进行试验发射而在2016财年申请了8600万美元,2017财年申请了1.74亿美元,2018财年申请了1.97亿美元,2019财年申请了2.63亿美元。最后一次申请经费和同时制定的继续进行AHW试验的计划表明,五角大楼明确打算研发并部署使用AHW平台的系统。


2019年计划集中力量生产和试验试飞用运载火箭和高超声速滑翔器;继续研究未来系统,以审查成本、空气动力性能和热性能;进行补充研究,以评估替代方案、可行性和综合方案构想。


美国国防部高级计划研究局与空军正在共同实施HSSW(High Speed Strike Weapon)演示计划。该计划包括两个基本项目:由洛克希德公司和雷声公司负责的TBG(Tactical Boost-Glide)计划,由波音公司牵头的HAWC(Hypersonic Air-breathing Weapon Concept)计划。计划先在空军部署该系统(空中发射),然后在海上使用(垂直发射)。


尽管美国国防部在高超声速研究领域的主要目标是空射武器,但DARPA于2017年在OperationalFires项目框架内开始研制和演示包括了TBG技术的陆基高超声速系统。


在2019年的预算申请中,五角大楼需要用5000万美元研发和演示能使高超声速滑翔巡航器突破敌方防空系统并迅速而精确地摧毁首要目标的陆基系统。项目的目标是:研发能将各种战斗部投送不同距离的超前的运载工具;研发能嵌入现有地面基础设施的兼容性陆基发射平台;具备快速部署和重新部署所需的特别性能。


在2019年的预算申请中,DARPA为TBG计划申请1.795亿美元。TBG的目标(与HAWC一样)是使滑翔器在末段的滑翔速度达到马赫数5以上,这种滑翔器的耐热性和机动性应该非常高,飞行高度近61000米,战斗部重约115千克。根据TBG和HAWC计划还在研发战斗部和制导系统。


早些时候美国空军和DARPA已经开始在CPGS(ConventionalPrompt Global Strike)项目框架内实施FALCON(Force Application and Launch from CONtinental United States)联合计划。该计划的目标是研发一种能在1-2小时内将弹头投送至全球任何地点的系统,该系统包括类似于弹道导弹的投送工具和进入大气层所需的高超声速滑翔器(CAV,即common aerovehicle)。CAV高机动性滑翔器采用三角形翼身融合体,没有推进器,可以高超声速在大气层中飞行。


洛克希德-马丁公司与DARPA曾于2003-2011年制定了HTV-2高超声速飞行器的初步构想。从范登堡空军基地发射的“牛头怪IV”轻型火箭是HTV-2飞行器的投送工具。在HTV-2于2010年进行的首飞中获得的数据显示了在提高空气动力性能、高温材料、热防护系统、自主飞行安全系统、长时间高超声速飞行所需的制导、导航和控制系统方面的进步。不过,该计划已被关闭,目前所有力量集中于AHW项目。


五角大楼希望这些研究计划将为各种高超声速武器开辟道路,并计划在以继续为该领域的项目拨款为目的而制定的路线图框架内加强其高超声速研发工作。


2018年4月国防部副部长宣布,他接到了完成“80%的计划”的命令,即在2023年前进行评估试验,试验的目标是在下一个十年具备高超声速能力。实现增效作用也是五角大楼在高超声速项目中的优先任务之一,因为在各种计划中研发的组成部分往往功能接近。“尽管从海上、空中或地面平台发射火箭的过程大相径庭,仍然需要努力最大限度地使其组成部分通用化。”


俄罗斯的成就


俄罗斯的高超声速火箭研发计划雄心勃勃,国家的大力支持在很大程度上对其起了促进作用。2018年3月1日总统向联邦会议发表的年度国情咨文证实了这一点。普京总统在国情咨文中介绍了多种新武器系统,包括未来的“前卫”战略导弹系统。


普京把包括“前卫”系统在内的这些武器系统说成是对美国部署全球反导防御系统的应对措施。他说,“尽管俄罗斯联邦深为担忧,但美国仍在继续有计划地实施自己的反导防御系统计划”,而俄罗斯的回应是提高自己战略力量摧毁潜在敌人防御系统的能力(尽管目前美国的反导防御系统甚至未必能拦截俄罗斯现有1550枚核弹头的一部分)。


“前卫”系统大概由4202项目进一步发展而来,后者曾被改为JU-71高超声速制导战斗部研发项目。普京说,它可以在巡航段或滑翔段保持马赫数20的飞行速度,并“在接近目标过程中进行剧烈机动,比如侧向机动(而且达数千公里)。所有这些令任何防空和反导防御武器都对它束手无策”。


“前卫”系统实际上是在等离子体层中飞行,亦即它像“陨石”或“火球”一样飞向目标。滑翔器表面温度可达“摄氏2000度”。


普京的国情咨文用视频展示了作为简化高超声速火箭(能机动并突破防空与反导防御系统)的“前卫”系统的构想。总统称,视频中所展示的滑翔器不是最终系统的真实演示。不过专家认为,视频中的滑翔器是完全可以实现、具有“前卫”系统的战术技术性能的系统方案。再加上考虑到众所周知的JU-71项目的试验历史,可以说俄罗斯正坚定地在研发和量产高超声速滑翔器的方向上前进。


视频中所展示的滑翔器很可能采用楔形翼身融合体——一般被定义为“乘波飞行器”。视频演示了其从运载火箭上脱离及之后机动至目标的过程,可以看到有4个舵面,其中2个在机身上面,另外2个是机身减速板,全都布置在滑翔器后部。


“前卫”系统可能与“萨尔马特”新型重型多级洲际弹道导弹一起发射。不过普京在国情咨文中称,“它与现有的各系统兼容”,这说明,在最近的将来“前卫”滑翔器的运载工具很可能是UR-100NUTTKh改进型导弹。“萨尔马特”导弹11000千米的估计射程加上JU-71制导战斗部9900千米的射程,最大杀伤距离超过2万千米。


俄罗斯目前在高超声速系统领域的研发始于2001年,当时进行了携带滑翔器的UR-100N(北约称作SS-19“匕首”)洲际弹道导弹的试验。2011年9月28日进行了装有JU-71战斗部的4202项目导弹的第一次发射。俄罗斯工程师基于JU-71/4202项目还研制了一种高超声速飞行器,(包括JU-74第二个试验样品),2016年从位于奥伦堡的靶场发射,命中了位于堪察加库拉靶场的目标。2018年12月26日“前卫”系统进行了最近一次成功发射,飞行速度达到马赫数27左右。


印度的发展


印度国防研究与发展组织攻关陆基高超声速系统已有10多年。目前推进最顺利的项目是“舒亚”(Shourya或Shaurya)导弹。其他两个计划——“布拉莫斯II(K)”和HSTDV(HypersonicTechnology Demonstrating Vehicle)——目前遇到了一些困难。


面对面战术导弹的研发始于90年代。据报道,这种导弹的典型作战半径为700千米(尽管可能会增加),圆概率误差为20-30米。导弹可从安装在4×4机动发射装置的发射容器中发射,或从地面固定平台或发射井中发射。


用发射容器发射的两级导弹借助于气体发生器发射,后者通过高速燃烧发射物质产生足以使导弹高速飞出容器的高压。第一级支持飞行60-90秒钟到第二级开始工作,然后抛投小型烟火信号装置(也作为俯仰和摆头发动机使用)。


高能材料试验室和先进系统试验室研发的气体发生器和发动机能把导弹加速至马赫数7。所有发动机和级使用专门研制的固体燃料,后者能使飞行器达到高超声速。导弹重量为6.5吨,可携带重量近1吨的普通爆破战斗部或当量为17000吨的核弹头。


2004年开始在昌德浦靶场进行“舒亚”导弹的地面试验,下一次试验于2008年11月进行。在这些试验中速度达到马赫数5,射程为300千米。


2011的9月采用最终配置的“舒亚”导弹从发射井进行发射试验。据报道,原型采用了更好的导航和制导系统,其组成包括印度国防研究与发展组织研发的环形激光陀螺仪和加速度表。导弹主要依靠为提高机动性和精确度而研发的陀螺仪。导弹飞行速度达到马赫数7.5,低空飞行700千米,同时弹体表面温度达到700摄氏度。


国防部于2016年8月在昌德浦进行了最后一次试验发射。飞行高度达到4万米,飞行700千米,飞行速度仍然是马赫数7.5。在发射药的作用下,导弹沿弹道轨迹飞行50千米,然后转入高超声速巡航飞行。在与目标遭遇前完成最后机动。


印度在2018年印度国际陆海军防务展(DefExpo 2018)上宣布,将对“舒亚”导弹的下一个样品进行一些修整,以增加射程。预计巴拉特动力有限公司将进行批量生产。不过该公司代表说,他们没有接到来自印度国防研究与发展组织的任何生产指令,并指出,导弹至今还在修整之中。但印度国防研究与发展组织对有关修整的信息严格保密。


印度与俄罗斯正在联合企业布拉莫斯航空航天有限公司框架内联合研发“布拉莫斯II(K)”高超声速导弹。印度国防研究与发展组织正在研制高超声速冲压式空气喷气发动机,其地面试验已经顺利完成。


印度在俄罗斯的帮助下正在研发能使导弹达到高超声速的专用火箭燃料。关于该项目的更详细的信息目前不得而知,但公司代表称,他们暂时处于初步设计阶段,因此“布拉莫斯II”导弹投入使用需时不少于10年。


尽管传统的“布拉莫斯”超声速导弹表现很好,但在“布拉莫斯II”导弹项目框架内,印度技术研究院、印度科学研究院和布拉莫斯航空航天公司在材料学领域正在进行大量研究,因为材料需要承受高压和高超声速造成的高气动载荷及热载荷。


布拉莫斯航空航天公司执行经理苏迪尔·米什拉称,“布拉莫斯II”导弹与俄罗斯“锆石”导弹使用同样的发动机和推进技术,而制导和导航系统、软件、弹体及控制系统由印度研制。


计划使导弹的作战半径达到450千米,飞行速度为马赫数7。射程初步确定为290千米,因为俄罗斯签署了《导弹技术控制措施》文件,但同样签署了该文件的印度,目前正试图增加其导弹射程。预计导弹可从空中、地面、水面或水下平台上发射。印度国防研究与发展组织计划投资2.5亿美元用于试验能在海平面上进行高超声速飞行(马赫数5.56)的导弹。


同时,印度HSTDV项目(其冲压式发动机用于演示独立长时间飞行)在构造方面遇到了困难。然而国防研究与发展试验室在继续致力于完善冲压式空气喷气发动机技术。根据已经宣布的性能判断,借助于固体燃料起飞发动机,HSTDV在3万米高空可以马赫数6的速度飞行20秒钟。2005年完成了有弹体和发动机固定装置的基本构造设计。大部分空气动力试验是由国家航空航天试验室(NAL)进行的。


缩小版的HSTDV在国家航空航天试验室进行了进气(空气)和排气(废气)试验。为了获得高超声速样品,还进行了多次较大超声速的风洞测试。


国防研究与发展试验室进行了与研究材料,整合电气与机械部件,冲压式发动机相关的工作。2010年在专业会议上公开展示了第一个基本样品,2011年在印度国际航展上公开亮相。根据进度表,计划2016年制成真正的原型。但由于没有必要的技术,高超声速研究领域拨款不足及生产场地没有准备好,该项目的进度延后了。


然而空气动力性能、推进装备和冲压式发动机的性能经过了仔细分析和计算,因而预计全尺寸空气喷气发动机可产生6千牛的推力,从而可以发射卫星、核弹头和其他远程弹道/非弹道导弹。八角形弹体重量为1吨,装备巡航安定面和后操纵舵。


印度国防研究与发展组织的另一个试验室——末段弹道学试验室——在试验像发动机燃料室这样的重要技术。前者希望建成一个用于试验HSTDV系统的高超声速风洞,但遇到资金短缺的问题。


由于现代化综合防空系统的出现,军事强国的武装力量希望能用高超声速武器对抗反介入/区域拒止战略及实施地区或全球打击。2000年代末,一些国家的国防计划特别重视作为最佳全球打击武器的高超声速武器。因为这个原因以及地缘政治竞争日益激烈,军队力图尽可能地增加用于此类技术的经费和资源。


在包括在敌防空火力圈外使用的系统在内的陆基高超声速武器方面,用于地对地和地对空武器的标准的发射系统和机动发射装置,以及用于进行中程和洲际打击的地下发射井是最佳的低风险方案。(知远战略与防务研究所 蓝山/编译自:俄罗斯“军事评论”网站2019年1月15日)

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