王繼新

目前高超音速武器分為高超音速巡航和助推滑翔兩大類，這兩類飛行器的動(dòng)力為什么都選擇超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)？

王：要達(dá)到6馬赫以上的高超音速飛行，常規(guī)的吸氣式動(dòng)力裝置已經(jīng)難以支持。大家知道，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)使用渦輪壓氣機(jī)壓縮空氣，然后在燃燒室里加注燃料，點(diǎn)火燃燒，從噴管里加速噴出，形成推力。然而在通常條件下，燃燒鋒面的擴(kuò)散速度極限是音速，所以即使在超音速飛行時(shí)，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流和燃燒也是亞音速的。進(jìn)氣道的作用之一就是以盡可能小的損失將進(jìn)氣減速到亞音速，但我們知道噴氣速度必須高于飛行速度，才可能提供推力。隨著速度的提高，這一“減速一加速”過(guò)程的損失越來(lái)越大，所以渦輪類的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)速度難以超過(guò)3馬赫。普通的沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)省卻了渦輪壓氣機(jī)，直接靠進(jìn)氣的動(dòng)壓壓縮空氣，但其空氣燃燒依然是亞音速的。要突破這個(gè)關(guān)口，只有采用超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

目前各國(guó)發(fā)展高超音速技術(shù)主要選用的推進(jìn)系統(tǒng)幾乎都是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)需攜帶占據(jù)很大發(fā)射重量的燃料和氧化劑，因而航程更遠(yuǎn)、結(jié)構(gòu)重量更輕、可攜載荷更重。在高超音速范圍，超音速燃燒（簡(jiǎn)稱超燃）是一種優(yōu)化的循環(huán)過(guò)程，不僅增加了熱力循環(huán)效率，還避免了滯留到亞音速時(shí)所引起的過(guò)高的壓力和溫度，對(duì)結(jié)構(gòu)、材料和質(zhì)量都能帶來(lái)好處。因此超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是高超音速巡航導(dǎo)彈的理想動(dòng)力裝置，也是實(shí)現(xiàn)高超音速飛行的首要技術(shù)。

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的難點(diǎn)在哪里？

王：一是啟動(dòng)難，二是維持難。

剛才講過(guò)高速飛行器上一般都使用沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，例如，美國(guó)著名的“黑鳥(niǎo)”高空高速偵察機(jī)。而沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)必須具備大氣層內(nèi)的高速飛行條件，只有高速氣流在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)急劇減速，才可能使空氣在短時(shí)間內(nèi)壓縮，產(chǎn)生高壓、高溫，引燃燃料，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的推動(dòng)力。像“黑鳥(niǎo)”在起飛時(shí)使用的是普通航空發(fā)動(dòng)機(jī)，在高空到達(dá)一定速度時(shí)啟動(dòng)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。而高超音速巡航飛行如果像“黑鳥(niǎo)”那樣，先用普通航空發(fā)動(dòng)機(jī)完成低速段加速，再用其它類發(fā)動(dòng)機(jī)完成中、高速段加速，則耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，而且發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)也將過(guò)于復(fù)雜。因此，只有在起飛初期直接用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)完成助推段飛行，當(dāng)速度到達(dá)一定值后再啟動(dòng)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。例如，美國(guó)X-51高超音速巡航飛行器就是掛在B-52飛機(jī)上，通過(guò)尾部的ATAMS火箭助推器將X-51加速到超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)速度。從2010年5月開(kāi)始的X-51多次試驗(yàn)飛行中，至少有兩次超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)未能點(diǎn)火，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，占到試驗(yàn)失敗的50%。

保持超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定燃燒工作，難度也非常大。由于空氣和燃料的混合和燃燒時(shí)間極短，燃燒控制像騎著自行車來(lái)遙控從身邊極速駛過(guò)的高鐵一樣困難。超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作窗口極其狹窄，錯(cuò)過(guò)一點(diǎn)點(diǎn)，超音速燃燒就不能維持。而且隨著燃燒的持續(xù)，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高，其燃燒環(huán)境也隨之改變，不及時(shí)補(bǔ)償?shù)脑?，也?huì)破壞超音速燃燒的條件。目前美國(guó)最先進(jìn)的X-51A飛行的持續(xù)時(shí)間也只有300秒，離實(shí)用化還差距很遠(yuǎn)。

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用什么燃料？

王：由于燃料在超音速燃燒室中的停留時(shí)間不足1.5毫秒，碳?xì)淙剂系尼専嵝手荒苓_(dá)到85%。此外高超音速推進(jìn)系統(tǒng)由于存在極強(qiáng)的熱負(fù)荷，還需要燃料本身在循環(huán)過(guò)程中對(duì)許多部件承擔(dān)冷卻任務(wù)。由于高超音速巡航導(dǎo)彈的液氫密度太小，要求的容積太大，直接增大導(dǎo)彈的起飛質(zhì)量和飛行阻力，因此需要研制吸熱性好、能量密度高、可貯存的液體燃料、混合燃料和漿狀燃料。目前，美國(guó)研制和選擇了JP-10型航空燃料作為高超音速飛行器燃料。這種純液體碳?xì)淙剂夏茉?～6馬赫的飛行條件下進(jìn)行有效燃燒，已用于多種武器，如“戰(zhàn)斧”導(dǎo)彈。采用JP-10燃料使得發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的熱交換器來(lái)吸收燃料供應(yīng)的所有潛在能量，而且JP-10容易獲得，性能穩(wěn)定，無(wú)需易揮發(fā)、有毒的燃料添加劑，后勤支持更容易。

各國(guó)超燃沖壓技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀如何？

王：20世紀(jì)80年代以來(lái)，美、俄、法、日等國(guó)都開(kāi)展了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的理論研究和試驗(yàn)。美國(guó)的NASA正在進(jìn)行高超音速飛行器試驗(yàn)計(jì)劃，以檢驗(yàn)與機(jī)體一體化的雙模態(tài)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的全部性能，并將要進(jìn)行飛行試驗(yàn)。美空軍在使用碳氧燃料的性能試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)多次完成地面驗(yàn)證試驗(yàn)后，已經(jīng)采用X-51驗(yàn)證飛行器多次實(shí)現(xiàn)空中超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作。美國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局與澳大利亞聯(lián)合研制的高超音速驗(yàn)證器成功進(jìn)行了首次自由飛行試驗(yàn)。

俄羅斯也已經(jīng)完成了采用氫燃料的“冷計(jì)劃”超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的多次飛行試驗(yàn)。1992年與德國(guó)聯(lián)合進(jìn)行了二元燃燒室直連式試驗(yàn)和縮比二元超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)自由射流試驗(yàn)，取得了進(jìn)展。正在進(jìn)行6～14馬赫沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)體結(jié)構(gòu)耐熱性能試驗(yàn)、全動(dòng)力和無(wú)動(dòng)力高超音速飛行動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)等。

法國(guó)在上世紀(jì)90年代初即開(kāi)始開(kāi)發(fā)氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。目前，法國(guó)正在研究碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)、用碳?xì)淙剂虾蜌淙剂系膶挿秶鷽_壓發(fā)動(dòng)機(jī)和用氫燃料的雙模沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)等3種方案。

此外，日本、巴西、印度等都在進(jìn)行超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)。總的看，雙模態(tài)和雙燃燒室方案是目前最有發(fā)展前途的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)方案。

印度高超音速技術(shù)發(fā)展如何？

王：在2007年7月，印度國(guó)防研發(fā)組織就透露印度已開(kāi)始在地面進(jìn)行煤油作燃料的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，目前該機(jī)構(gòu)正與印度高校合作研制高溫鎳鈷合金和碳復(fù)合材料，用于高超音速飛行器的熱防護(hù)。2009年11月，印度理工學(xué)院和印度國(guó)防研發(fā)組織透露正在開(kāi)發(fā)高超音速導(dǎo)彈。這種導(dǎo)彈外形尺寸可以縮小很多，具備以超過(guò)5馬赫打擊5000千米遠(yuǎn)目標(biāo)的能力，還可作為一種低成本反衛(wèi)星手段。印度還希望這種高超音速導(dǎo)彈在投下彈藥后可飛回基地，重復(fù)使用。

2012年10月，印度國(guó)防研發(fā)組織稱印度計(jì)劃在12～18個(gè)月內(nèi)進(jìn)行首次高超音速技術(shù)驗(yàn)證飛行器（HSTDV）飛行試驗(yàn)。HSTDV項(xiàng)目旨在生產(chǎn)一種烴燃料超燃沖壓試驗(yàn)件，飛行速度達(dá)到6-7馬赫，并可進(jìn)行自主制導(dǎo)飛行。HSTDV將為研制高超音速巡航導(dǎo)彈及高速偵察平臺(tái)奠定基礎(chǔ)。據(jù)稱，以煤油為燃料的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)初步地面試驗(yàn)已完成，目前正在進(jìn)行與飛行器的集成工作。雖然研發(fā)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大約10次發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，但尚未突破發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒持續(xù)20秒，20秒是初始飛行試驗(yàn)中所需的運(yùn)行試驗(yàn)。此外，印度科學(xué)家卡拉姆也透露印度正在開(kāi)發(fā)的“布拉莫斯”2導(dǎo)彈為一種全新的高超音速飛行器。可見(jiàn)，印度已全面啟動(dòng)高超音速武器研制計(jì)劃。endprint

請(qǐng)談?wù)劯叱羲亠w行器外形設(shè)計(jì)

王：在飛行器發(fā)展歷史上，飛行器外形設(shè)計(jì)為突破音障發(fā)生了較大的變化，也造就了現(xiàn)代飛機(jī)后掠翼、三角翼的基本模式，特別是對(duì)飛機(jī)機(jī)體和機(jī)翼構(gòu)造的影響非常大。而高超音速飛行器的飛行要跨越亞音速、音速、超音速3個(gè)階段才能進(jìn)入高超音速，飛行速度的范圍非常寬。同時(shí)飛行器要從稠密的大氣層沖向稀薄大氣層，空氣密度變化很大，高超音速飛行器外形設(shè)計(jì)必須適應(yīng)這些變化而穩(wěn)定飛行。由于超高速飛行的數(shù)據(jù)積累非常少，難以預(yù)想的因素很多，難以進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，同時(shí)，目前飛行器設(shè)計(jì)必須采用的風(fēng)洞又很難創(chuàng)造稀薄空氣下的超高速飛行環(huán)境，這就使外形設(shè)計(jì)更困難。

高超音速飛行器為克服熱障，需要精心設(shè)計(jì)飛行軌道和氣動(dòng)外形，使其在不影響或少影響飛行器性能的情況下，盡可能降低進(jìn)入飛行器的氣動(dòng)加熱率（熱流）。不同類型和用途的再入航天器，其飛行軌道和氣動(dòng)外形有很大不同。彈道導(dǎo)彈彈頭要求以最快的速度命中目標(biāo)，于是采用小鈍頭細(xì)長(zhǎng)形氣動(dòng)外形（尖頭外形不行，因?yàn)椴还苡檬裁床牧现圃於紝⒑芸毂粺g）以減小阻力和速度損失，并采用與地平面很大夾角（再入角）的飛行軌道以縮短再入航程。但這樣一來(lái)，它們就要承受最嚴(yán)酷的短時(shí)間高熱流氣動(dòng)加熱。而返回式衛(wèi)星或宇宙飛船，返回時(shí)間長(zhǎng)短不是其主要性能指標(biāo)，于是采用小再入角、緩慢減速的軌道以及大鈍頭體的飛行器外形以降低加熱率（加熱率與頭部曲率半徑的平方根成反比），從而形成低熱流長(zhǎng)時(shí)間的氣動(dòng)加熱環(huán)境。當(dāng)然，這樣做的另一考慮是，不使飛行器的過(guò)載超過(guò)宇航員所能承受的程度（一般認(rèn)為不應(yīng)超過(guò)5g）。而高超音速飛行器既要滿足下滑時(shí)快速加速，又要滿足滑翔巡航中的氣動(dòng)可控性，還要克服氣動(dòng)加熱問(wèn)題。X-51A采用的乘波體是一種較有前途的設(shè)計(jì)。它在高空中不用機(jī)翼而是用機(jī)體本身形成升力。其通過(guò)高速運(yùn)動(dòng)壓縮飛行器前的空氣，在飛行器前端會(huì)產(chǎn)生激波現(xiàn)象，這種激波不僅是阻力的源泉，也是飛行器在激波的鋒面背后產(chǎn)生升力的載體，就像高速?zèng)_浪板的運(yùn)動(dòng)與漂浮一樣，這就是乘波體。乘波體在大氣層內(nèi)靠壓縮升力和激波升力飛行，可以較好地解決阻力與升力的問(wèn)題，也可以協(xié)調(diào)飛行器一體化設(shè)計(jì)問(wèn)題。

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請(qǐng)談?wù)剬?duì)高超音速武器如何防御。

王：高超音速武器的軍事優(yōu)勢(shì)都是相對(duì)于其它類型武器和過(guò)去的防御技術(shù)而言的。它也存在著其固有的缺陷，這成為未來(lái)對(duì)其防御的基礎(chǔ)。

高超音速武器的缺陷之一是信號(hào)特征明顯。高超音速巡航導(dǎo)彈根本做不到隱身，原因有兩個(gè)方面。

一是巡航高度很高。由于空氣對(duì)導(dǎo)彈的阻力或說(shuō)能量消耗與空氣密度成正比，為使導(dǎo)彈飛得遠(yuǎn)，巡航高度通常選擇在中高空發(fā)射和巡航飛行，而這個(gè)高度是最易被敵方預(yù)警雷達(dá)或預(yù)警機(jī)發(fā)現(xiàn)的。例如，目前主要用于探測(cè)彈道導(dǎo)彈的X波段相控陣?yán)走_(dá)即使在地面，對(duì)于X-51這樣飛行高度為40千米的高超音速巡航導(dǎo)彈，理論上的探測(cè)距離可達(dá)到近800千米，這可留給地面攔截武器足夠的反應(yīng)時(shí)間。

二是雷達(dá)和紅外信號(hào)特征明顯。2～3馬赫超音速方案的雷達(dá)散射截面通常為亞音速方案的10倍以上，在3-5微米的短波長(zhǎng)紅外區(qū)內(nèi)，其紅外信號(hào)特征通常為亞音速方案的20～50倍。高超音速巡航導(dǎo)彈的雷達(dá)和紅外信號(hào)特征更是隨著速度的增高顯著增加，這更會(huì)過(guò)早暴露飛行航跡。

高超音速武器的缺陷之二是飛行機(jī)動(dòng)性差。當(dāng)導(dǎo)彈以機(jī)動(dòng)飛行避開(kāi)敵方的迎頭攔截和電子干擾時(shí)，由于導(dǎo)彈的轉(zhuǎn)彎半徑與飛行馬赫數(shù)的平方成正比，因此高超音速飛行時(shí)其法向過(guò)載將大幅增高，導(dǎo)彈機(jī)動(dòng)過(guò)載大的情況下阻力會(huì)急劇增加，不僅影響了射程，而且對(duì)彈體強(qiáng)度提出了很高要求。

針對(duì)這些缺陷，國(guó)外已開(kāi)始開(kāi)發(fā)對(duì)高超音速武器的防御技術(shù)。在2008年3月，俄空軍30中央科學(xué)研究所所長(zhǎng)巴雷科就透露，該所正在改進(jìn)米格-31以滿足打擊高超音速飛行器的要求。巴雷科指出，改造后的米格-31將配備遠(yuǎn)距空空彈。其打擊隱身飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈及高超音速飛行器的能力大體能提高50%至4倍。此外，印度國(guó)防研究與發(fā)展組織發(fā)言人薩拉斯瓦特在2010年3月也透露，印度已開(kāi)始研制新型遠(yuǎn)程雷達(dá)和高超音速攔截導(dǎo)彈，以加強(qiáng)反導(dǎo)攔截網(wǎng)的空中攔截能力。

什么武器適宜攔截高超音速武器？

王：目前尚未有國(guó)家建立高超音速飛行器攔截體系。從目前防空與反導(dǎo)武器看，防空系統(tǒng)主要攔截飛行高度小于20千米的航空器，世界上所有攔截航空器的地空導(dǎo)彈的最大高界均小于30千米。而高超音速巡航導(dǎo)彈和彈道導(dǎo)彈的飛行高度和飛行速度更接近，這就給反彈道導(dǎo)彈目標(biāo)攔截器攔截高超音速巡航導(dǎo)彈帶來(lái)了可能，但高超音速巡航導(dǎo)彈最大機(jī)動(dòng)過(guò)載遠(yuǎn)大于彈道導(dǎo)彈目標(biāo)，這又給反彈道導(dǎo)彈攔截器攔截高超音速巡航導(dǎo)彈帶來(lái)了挑戰(zhàn)。總的未說(shuō)，反彈道導(dǎo)彈攔截系統(tǒng)無(wú)論是配套的探測(cè)系統(tǒng)能力，還是攔截導(dǎo)彈的飛行高度和速度，都更接近攔截高超音速武器的要求，因此可以以反彈道導(dǎo)彈攔截系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展高超音速武器攔截武器系統(tǒng)。

現(xiàn)有反導(dǎo)攔截武器能否應(yīng)對(duì)？

王：經(jīng)過(guò)改造是可能實(shí)現(xiàn)攔截的。我們以美軍主力的陸基THAAD和海基SM-3反導(dǎo)系統(tǒng)為例來(lái)看其是否可實(shí)現(xiàn)攔截。對(duì)THAAD而言，要攔截X-51這樣的目標(biāo)存在兩個(gè)缺陷：攔截高度下限過(guò)高和末制導(dǎo)方式。X-51在25-40千米的高度范圍內(nèi)飛行，而SM-3的攔截高度下限在80千米以上，THAAI）的攔截高度下限在60千米以上，針對(duì)此高度以下至20千米高度以上的空域還是防御空白。攔截彈采用高拋彈道時(shí)會(huì)高于40千米，如果末制導(dǎo)只采用紅外系統(tǒng)，向下探測(cè)X-51之類的目標(biāo)時(shí)，復(fù)雜的地面紅外背景輻射會(huì)給目標(biāo)探測(cè)帶來(lái)極大困難，不利于捕捉并碰撞目標(biāo)，因此應(yīng)采用多模末制導(dǎo)方式。對(duì)于攔截速度，由于X-51的巡航速度可能達(dá)到6-9馬赫，所以攔截彈的速度不應(yīng)低于6馬赫，攔截距離不應(yīng)小于200千米。SM-3的情。況類似于THAAD。可以看出，攔截彈需改進(jìn)攔截高度到20-45千米，調(diào)整攔截速度大于6馬赫，調(diào)整攔截距離為大于200千米。這些指標(biāo)對(duì)于THAAD和SM-3攔截導(dǎo)彈都可通過(guò)技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)。endprint