不管是在冷兵器時(shí)代還是熱兵器時(shí)代，速度往往成為衡量武器裝備優(yōu)劣的重要指標(biāo)。高超聲速技術(shù)是21世紀(jì)航空航天技術(shù)發(fā)展的制高點(diǎn)，高超聲速武器的出現(xiàn)，將是人類(lèi)追求武器裝備速度的又一次突破。今天出版的《解放軍報(bào)》"科技前沿"版我們就來(lái)談?wù)勔鹗澜绺鲊?guó)極大關(guān)注的高超聲速武器。

制圖︰陳堯

高超聲速武器讓?xiě)?zhàn)爭(zhēng)進(jìn)入"讀秒"時(shí)代

孫子兵法《九地》篇中寫(xiě)道︰"兵之情主速"。不管是在冷兵器時(shí)代還是熱兵器時(shí)代，速度往往成為衡量武器裝備優(yōu)劣的重要指標(biāo)。從弓箭、火銃到機(jī)槍、導(dǎo)彈，武器裝備的速度提升不斷推動(dòng)戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)的改變。高超聲速武器的出現(xiàn)，將是人類(lèi)追求武器裝備速度的又一次突破。

"天下武功，唯快不破"。古代劍客崇尚出招迅速快捷，以達(dá)到出其不意、攻其不備的效果。高超聲速武器集超聲速、高毀傷、高突防能力等諸多優(yōu)點(diǎn)于一身，它的出現(xiàn)勢(shì)必改變未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)，使航天飛行、武器投送、情報(bào)偵察等戰(zhàn)爭(zhēng)活動(dòng)可以跨越巨大時(shí)空，進(jìn)而大大壓縮戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)程。

"快槍手"如何更快

高超聲速技術(shù)是21世紀(jì)航空航天技術(shù)發(fā)展的制高點(diǎn)，是美國(guó)"第三次抵消戰(zhàn)略"的引領(lǐng)技術(shù)之一。高超聲速武器(通常包括飛機(jī)和導(dǎo)彈)是利用高超聲速技術(shù)，飛行速度超過(guò)5馬赫，通常在臨近空間飛行的新型飛行器。

高超聲速武器要跨越亞音速、音速和超音速三個(gè)飛行階段，突破大氣層到達(dá)空氣稀薄的臨近空間進(jìn)行飛行。為實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行，必須滿足兩個(gè)條件︰首先飛行器飛行速度要超過(guò)5馬赫，其次是要實(shí)現(xiàn)高超聲速巡航。

自人類(lèi)成功突破聲速以來(lái)，70余年間科學(xué)家成功解決了4馬赫以下的氣動(dòng)超聲速飛行技術(shù)。但當(dāng)航速大于5馬赫后，飛行器的實(shí)際氣動(dòng)特性顛覆了人類(lèi)的傳統(tǒng)氣動(dòng)飛行理論，呈現(xiàn)出全新的特性。特別是6-14馬赫可控高超聲速飛行，是公認(rèn)的理論難題。

為了讓"快槍手"更快，技術(shù)上至少需要解決三大難題。首先要突破超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)這一技術(shù)難題。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)全稱超聲速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，它沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，構(gòu)造簡(jiǎn)單、重量輕、推重比大，更適合高空高速飛行，被認(rèn)為是繼螺旋槳和噴氣推進(jìn)之后的"第三次動(dòng)力革命"。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)技術(shù)困難就是飛行器必須達(dá)到一定速度才能啟動(dòng)。因此，對(duì)于高超聲速武器而言，如何實(shí)現(xiàn)助推火箭與超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳結(jié)合便成為一大關(guān)鍵。

除了動(dòng)力問(wèn)題需要解決外，高超聲速武器還需解決氣動(dòng)布局和"氣動(dòng)熱"兩大難題。在高超聲速飛行時(shí)，傳統(tǒng)的空氣動(dòng)力理論受到挑戰(zhàn)，飛行器的升力主要來(lái)自高超聲速飛行時(shí)前緣附體激波壓力差，這一全新的飛行設(shè)計(jì)理論還需要大量的飛行試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。另外，高超聲速飛行產(chǎn)生的強(qiáng)烈激波干擾會(huì)使飛行器附近氣體分解和電離，氣動(dòng)加熱會(huì)使飛行器表面產(chǎn)生極高的溫度。當(dāng)航速達(dá)到6馬赫以上時(shí)，飛行器表面溫度將達(dá)到500至1000攝氏度，這就需要長(zhǎng)壽命、耐高溫、抗腐蝕、高強(qiáng)度的新型材料技術(shù)應(yīng)用于高超聲速武器之中。

一招制敵源于"打水漂"般的跳躍飛行

與現(xiàn)役武器裝備相比，高超聲速武器最明顯的優(yōu)勢(shì)就是快。按照6-8馬赫的巡航速度計(jì)算，高超聲速武器的飛行速度是亞音速武器的10倍。與美軍"戰(zhàn)斧"式巡航導(dǎo)彈相比，其打擊1000公里外的目標(biāo)需飛行一個(gè)多小時(shí)，而高超聲速武器的飛行速度可以達(dá)到5馬赫至25馬赫，可以在8分鐘內(nèi)飛行1000多公里，基本具備近似實(shí)時(shí)的攻擊能力。

除了速度快，高超聲速武器一個(gè)最大特點(diǎn)是打擊范圍廣。隨著高超聲速技術(shù)的不斷突破，地域上實(shí)現(xiàn)全球快速打擊，空域上實(shí)現(xiàn)空天融合的目標(biāo)已近在咫尺。20-60千米高空走廊是高超聲速武器長(zhǎng)時(shí)間、遠(yuǎn)距離飛行的理想空間，通過(guò)在這一稠密大氣層上方"打水漂"般的跳躍飛行，高超聲速武器在2小時(shí)內(nèi)可以到達(dá)全球任何地點(diǎn)，迅速打擊數(shù)千或上萬(wàn)千米以外的各類(lèi)軍事目標(biāo)。

物理學(xué)動(dòng)能定理告訴我們，一個(gè)物體的動(dòng)能與質(zhì)量成正比，與速度的平方也成正比。當(dāng)飛行器或者導(dǎo)彈達(dá)到高超聲速，帶來(lái)的一個(gè)結(jié)果就是武器的動(dòng)能將成指數(shù)級(jí)倍增，從而極大提高戰(zhàn)斗部的毀傷效能?，F(xiàn)有巡航導(dǎo)彈只有使用動(dòng)能戰(zhàn)斗部才能提高毀傷效果，而高超聲速巡航導(dǎo)彈的巨大動(dòng)能可明顯提高對(duì)加固目標(biāo)的毀傷效果。如果攜帶侵徹彈頭，高超聲速武器對(duì)鋼筋混凝土的侵徹深度可達(dá)十幾米，特別適合打擊深埋于地下的指揮中心等堅(jiān)固目標(biāo)。

高超聲速武器還具有突防能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)理論計(jì)算，空中目標(biāo)的突防概率與自身的飛行速度基本呈線性關(guān)系，當(dāng)飛行速度從0.9馬赫提高到3馬赫時(shí)，突防概率可提高54%以上，當(dāng)飛行速度從0.9馬赫提高到5馬赫時(shí)，突防概率可提高100%以上。高超聲速武器的飛行速度都在5馬赫以上，現(xiàn)有的雷達(dá)預(yù)警和防空系統(tǒng)很難對(duì)這樣的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)捕捉、跟蹤和瞄準(zhǔn)。另外，高超聲速飛行器雷達(dá)反射截面積小，屬于隱形目標(biāo)，可以很好地規(guī)避現(xiàn)役防空預(yù)警系統(tǒng)。

研發(fā)提速進(jìn)入群雄爭(zhēng)霸時(shí)代

高超聲速武器的巨大優(yōu)勢(shì)和潛力已經(jīng)引起世界各國(guó)的極大關(guān)注，各國(guó)紛紛根據(jù)本國(guó)技術(shù)實(shí)力和研發(fā)特點(diǎn)制定出各自的發(fā)展計(jì)劃，力圖在未來(lái)高超聲速戰(zhàn)爭(zhēng)中搶占一席之地。早在20世紀(jì)50年代，美、蘇等大國(guó)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行高超聲速武器試驗(yàn)。迄今為止，美國(guó)已經(jīng)開(kāi)展多個(gè)高超聲速項(xiàng)目研究，無(wú)疑是這個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊。俄羅斯、法國(guó)、德國(guó)、印度等國(guó)也不甘示弱，相繼推出不同的高超聲速武器項(xiàng)目。依據(jù)技術(shù)原理和飛行樣式的不同，這些項(xiàng)目可分為三種類(lèi)型。

一是吸氣式高超聲速巡航飛行器，典型代表是美國(guó)"乘波者"X-51A，俄羅斯"彩虹-D2"飛行試驗(yàn)器。這種吸氣式高超聲速飛行器通常以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，可由飛機(jī)、艦艇等平臺(tái)發(fā)射，飛行速度3-10馬赫，飛行距離幾百至幾千千米，可實(shí)現(xiàn)臨近空間高超聲速巡航。

X-51A由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)主導(dǎo)研發(fā)，目前已進(jìn)行了4次飛行試驗(yàn)，前3次因技術(shù)原因失敗。第四次試驗(yàn)中，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作210秒，飛行距離426千米，最大速度5.1馬赫，試驗(yàn)獲得成功。雖然X-51A的試驗(yàn)成功率不足50%，但這種超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)技術(shù)為高速巡航導(dǎo)彈的研發(fā)提供了更大可能性。

俄羅斯的高超聲速武器技術(shù)是在原蘇聯(lián)的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，先后開(kāi)展了"冷""彩虹-D2"和"針"等高超聲速武器研制。"彩虹-D2"飛行器采用機(jī)載發(fā)射方式，由圖-160M、米格-31等飛機(jī)在15-20千米的高度加速到2馬赫以上，然后與載機(jī)分離，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作，開(kāi)始高超聲速巡航飛行。

二是高超聲速助推滑翔導(dǎo)彈，典型代表是美國(guó)的"FALCON"計(jì)劃和"常規(guī)打擊導(dǎo)彈"計(jì)劃。這種導(dǎo)彈把火箭助推與高超聲速滑翔技術(shù)相結(jié)合，其彈道與傳統(tǒng)洲際導(dǎo)彈完全不同，具有極高突防能力，可用于全球常規(guī)快速打擊。

HTV-2是"FALCON"計(jì)劃的子計(jì)劃，為無(wú)動(dòng)力再入滑翔高超聲速飛行器，設(shè)計(jì)時(shí)速可達(dá)20馬赫以上。HTV-2先后在2010年和2012年進(jìn)行兩次試飛，雖因遙測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)中斷和防熱材料剝蝕速率超出設(shè)計(jì)指標(biāo)等原因宣告失敗，但采集到了超過(guò)9分鐘的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

三是小型空天飛機(jī)，典型代表是美國(guó)的X-37B。這種飛行器具有適應(yīng)在稀薄大氣層飛行的高升阻比氣動(dòng)布局，能夠依靠很高的再入速度，在臨近空間作高超聲速遠(yuǎn)距離滑翔甚至跳躍式的機(jī)動(dòng)飛行，最大飛行速度可達(dá)20馬赫，飛行高度在30-100千米。

X-37B由"宇宙神-5"運(yùn)載火箭發(fā)射入軌，已完成四次軌道試驗(yàn)，目前仍在軌飛行。X-37B飛行試驗(yàn)充分驗(yàn)證了其長(zhǎng)期在軌飛行、軌道機(jī)動(dòng)、自主返回等方面的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是未來(lái)太空戰(zhàn)斗機(jī)的雛形。

隨著高超聲速武器的不斷涌現(xiàn)，我們有理由相信，戰(zhàn)爭(zhēng)的"讀秒"時(shí)代已不再遙遠(yuǎn)。