国外高超声速飞行器及防御体系发展现状.pdf
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1、第 6 卷 第 3 期2023 年 9 月空天防御AIR&SPACE DEFENSEVol.6,No.3Sept.,2023国外高超声速飞行器及防御体系发展现状刘双喜1,刘世俊2,李勇3,闫斌斌4,闫杰1(1.西北工业大学 无人系统技术研究院,陕西 西安710072;2.上海航天设备制造总厂有限公司,上海200245;3.上海机电工程研究所,上海201109;4.西北工业大学 航天学院,陕西 西安710072)摘要:随着作战模式和高超声速相关技术的变革更新,高超声速飞行器应运而生,其将成为未来战争中的重大威胁,势必将引发新的战术战法、军事理论的变革。本文系统性地梳理了各军事大国在高超声速飞行器
2、研究领域的发展历程,介绍了现阶段高超声速飞行器防御体系装备情况,在此基础上从构建全领域信息网络、打造全方位拦截态势、完善全要素指控平台等方面给出了高超声速飞行器防御策略,以期为高超声速飞行器防御体系的建设提供参考依据。关键词:高超声速飞行器;防御作战;协同拦截;临近空间中图分类号:E 92 文献标志码:A 文章编号:2096-4641(2023)03-0039-13Current Developments in Foreign Hypersonic Vehicles and Defense SystemsLIU Shuangxi1,LIU Shijun2,LI Yong3,YAN Binbin
3、4,YAN Jie1(1.Unmanned System Research Institute,Northwestern Polytechnical University,Xi an 710072,Shaanxi,China;2.Shanghai Aerospace Equipment Manufacturer Co.,Ltd,Shanghai 200245,China;3.Shanghai Electro-Mechanical Engineering Institute,Shanghai 201109,China;4.School of Astronautics,Northwestern P
4、olytechnical University,Xi an 710072,Shaanxi,China)Abstract:With the evolution of combat modes and advancements in hypersonic-related technologies,hypersonic vehicles have emerged as the major threat in future warfare.This will inevitably trigger new tactical strategies and military doctrines.This p
5、aper has provided a systematic review of the development of hypersonic vehicles from major military powers and introduced its current stage of equipment for defense systems.Based on the above analysis,this paper proposes three defending strategies against hypersonic vehicles,which includes building
6、a comprehensive information network,creating an all-encompassing interception posture,and improving a full-factor command and control platform.These strategies contribute to the reference for the construction and development of hypersonic vehicle defense systems and are valuable to counter the growi
7、ng threat posed by hypersonic vehicles in future warfare.Keywords:hypersonic vehicles;defensive operations;cooperative interception;near space0引言高超声速飞行器是指能够以高超声速(飞行速度超过5马赫)在临近空间持续飞行且能完成指定任务的飞行器。高超声速飞行器兼具了传统飞行器的各项性能优势1-2,具备优异的作战能力,并于2022年首收稿日期:2022-10-25;修订日期:2023-09-12基金项目:航空科学基金(20200001053005);上海航
8、天科技创新基金(SAST2020-004)作者简介:刘双喜(1995),男,博士研究生,主要研究方向为飞行器制导与控制。通信作者:闫斌斌(1980),男,博士,副教授,主要研究方向为飞行器制导与控制。空天防御第 6 卷次在俄乌冲突实战中亮相。与一般航空器相比,高超声速飞行器受到的阻力更小,飞行速度更快,可在较短时间内攻击数千公里外的目标;与弹道导弹相比,在高速运动状态下,高超声速飞行器仍有可观的动压,可以持续进行大范围的机动3。高超声速飞行器的出现打破了现有空天攻防的平衡,如何有效地防御高超声速飞行器是亟需研究的问题。1高超声速飞行器发展现状随着战争模式的变革和高超声速相关技术的发展,高超声速
9、飞行器在军事和商业领域的应用潜力越来越明显4-5,成为抢占空中和空间战略优势的利器。各军事大国逐渐意识到了高超声速飞行器在未来空天攻防对抗中所能发挥的重要军事价值,纷纷加入到高超声速飞行器的研制竞赛中。1.1美国1949年2月24日,美国“Bumper研究计划”中研制的一款多级V-2火箭在白沙试验场发射升空,最大飞行速度达6.7马赫,创造了人类历史上第一个高超声速飞行器,首次实现真正意义上的高超声速飞行6。随后,美国就开启了X系列技术验证机的研究规划,相继取得了丰硕成果,为其在高超声速飞行器研究领域打下了牢固的基础7。图1为美国X系列技术验证机的发展历程。从研究时间来看,美国针对高超声速飞行器
10、的研究可大致分为4个阶段。第1阶段为20世纪五六十年代,该阶段主要开展高超声速飞行器相关的基础理论研究,为后续各类型高超声速飞行器的试验验证提供技术保障;第2阶段为20世纪七八十年代,该阶段主要开展助推滑翔-再入式高超声速飞行器相关的技术研究;第3阶段为20世纪八九十年代,该阶段主要开展与吸气式高超声速飞行器相关的基础理论研究;第4阶段为21世纪至今,多种不同型号的高超声速飞行器研究都取得了丰硕成果。从研究对象来看,美国主要围绕空间轨道机动飞行器(空天飞机)、助推滑翔-再入式飞行器和吸气式高超声速飞行器开展相关研究8。1.1.1空间轨道机动飞行器空间轨道机动飞行器(图2)是一类以火箭发动机为自
11、身动力,同时拥有进入近地运行轨道和再入大气层滑翔能力的飞行器,主要开展空天往返运载工作。为了推动吸气式发动机技术的研究,1954 年 7 月 19日,由美国国家航空航天局(National Aeronautics and 图1美国X系列技术验证机的发展历程Fig.1Development history of the X-series technology validation aircraft in the United States 40第 3 期刘双喜,等:国外高超声速飞行器及防御体系发展现状Space Administration,NASA)牵头,美国空军、海军和各地区航空公司一同合作
12、开启X-15飞行器设备研究计划,旨在验证冲压作用发动机在48马赫飞行时的推力性能变化,并收集在高速飞行条件下对气动力、材料、飞行控制技术和人的生理情况产生的影响。在随后10年的研究中,X-15飞行器创造了6.72马赫飞行速度和108 km飞行高度的记录9,它的飞行试验几乎涵盖了高超声速相关技术的所有研究领域,并且为美国后来各项太空飞行计划和航天飞机的发展提供了极其宝贵的试验数据10。1957年10月24日,美国空军开展X-20飞行器研究计划,该飞行器首先以洲际弹道导弹的速度飞行到目标所在区域,然后像普通飞机一样滑翔到地面,它计划用于多种军事任务,包含高空侦察、太空救援、卫星保护等。然而,受制于
13、高额的经费预算和令人怀疑的实用性,X-20飞行器研究规划在1963年12月10日被迫取消。现阶段,X-37B飞行器是美国空间轨道机动飞行器研究领域中的最新研究成果。该飞行器是美国继航天飞机之后,研制的第2种可以重复使用的航天器11,具备强大的轨道机动、变轨等能力,可以在1 h内对全球任何目标实施快速打击,现有防御系统很难威胁到它。截至2017年5月,X-37B飞行器共成功进行4次飞行试验,累计在轨飞行2 087天,并成功返回大气层11。上述各飞行器外形如图2所示。1.1.2助推滑翔-再入式飞行器助推滑翔-再入式飞行器通过火箭助推器将飞行器推进至大气层外,并飞行至最高点,等到助推器分离后,飞行器
14、依靠气动升力,在靠近大气层边缘进行滑翔飞行,最终抵达目标上空。该种飞行器可以规避当前防御体系的中段拦截过程,很难被陆基预警雷达探测到,是目前最接近实际应用的高超声速飞行器。美 国 空 军 和 国 防 高 级 研 究 计 划 局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)推行的“猎鹰”研究计划曾经名声大噪。在“猎鹰”计划下,美军设计了HTV-2飞行器。该飞行器气动布局兼具了乘波体气动构型与升力体气动构型两者的优点13-14,飞行过程如图3所示。由于该飞行器的滑翔飞行时间较长,在2 h内可以飞行近1.7万km,相当于地球周长的一半,因此需要展开
15、热防护、气动和控制的综合优化设计,其难度远超过普通的再入飞行器,在研制过程中困难重重。2010年4月和2011年8月,HTV-2飞行器先后两次飞行试验都以失败告终,导致“猎鹰”研究计划也随之“流产”15。图2美国典型空间轨道机动飞行器Fig.2Typical space orbital maneuvering vehicles in the United States 41空天防御第 6 卷随后,美国确立以陆军的“先进高超声速武器”(Advanced Hypersonic Weapon,AHW)研究计划为主要的高超声速飞行器技术发展方向,大力推进高超声速助推滑翔技术。如图4所示,AHW研究计划
16、于2003年启动,并在2011年11月18日完成了首次飞行试验,属于美军联合发展的“常规快速全球打击”(Conventional Prompt Global Strike,CPGS)研究计划的关键组成部分,旨在丰富对中近程目标的快速打击能力。该飞行器一共采用了三级推进系统,第一级和第二级采用“北极星-A3”发动机,这两级发动机能够将其飞行速度助推到10马赫;第三级采用“S1-A”发动机,能将其最大飞行速度助推到14马赫。由于不需要进行变轨操作,因此,该飞行器在进入大气层后将直接对目标完成致命一击。AHW飞行器能够在35 min的飞行时间里飞行 6 000 km,精度圆概率误差小于10 m16。
17、2018年10月,在AHW的研究基础上,美国国防部提出发展“通用型高超声速滑翔体”(Common Hypersonic Glide Body,CHGB)研究计划,未来形成陆、海、空基助推滑翔高超声速导弹。在国防部层面,美国国防部和各军种签署“高超声速助推滑翔技术开发及总体目标”备忘录,计划建立“常规快速打击通用高超声速滑翔体”(CPGS-CHGB)董事会,由美国陆军高层担任主席,负责协调、管理通用型高超声速滑翔体的开发,并在其牵引下,统筹发展各军种 CPGS项目。1.1.3吸气式高超声速飞行器吸气式高超声速飞行器采用吸气式超燃冲压发动机作为自身动力,主要应用场景为战术巡航导弹、察打一体无人飞行
18、器和洲际快速运输飞机,因其快速到达的能力有望成为下一代航空运输主力,并为组合动力空天往返飞行器的发展提供支撑。20世纪60年代,美国便开始关注超燃冲压发动机和吸气式高超声速飞行技术。在 NASA 的支持下,Langley团队凭借“高超声速研究发动机”(Hypersonic Research Engine,HRE)研究计划,逐渐成为了超燃冲压研究领域的主力军。1976年,在没有实体发动机的情况下,X-15飞行器率先搭载HRE平台进行了飞行试验,但在飞行器飞行速度达到6.72马赫时发动机模型的头激波产生了严重的气动加热,造成模型发动机和挂架严重故障17-18。20 世纪 90 年代,美国发起的“国
19、家空天飞机”(National Aerospace Plane,NASP)研究计划再次引发了超燃冲压发动机技术的研究高潮。该研究计划研制了两架单级入轨X-30组合动力空天飞机缩比模型,并在Langley团队的高温风洞进行了6.8马赫的模拟实验。然而,由于X-30多次修改方案后的成本问题,NASP研究计划于1994年中止19。NSAP研究计划中止后,相关研究人员普遍希望开展飞行试验,于是Langley团队联合Dryden中心提出了Hyper-X研究计划,研发了X-43A高超声速飞行器20,如图5所示。X-43A飞行器采用乘波体气动外形,以超燃冲压发动机为动力,设计速度可达 710 马赫。1996
20、 年,X-43A 飞行器雏形诞生;1999 年,研制出X-43A飞行器飞行模拟器;2000年,X-43A飞行器进行地面试验。X-43A 飞行器一共进行了 3 次飞行试验。2001年6月第1次试飞,由于助推火箭失控导致飞行器坠毁。2004年3月第2次试飞,X-43A飞行器以6.83马赫在约28 km的高空持续飞行了11 s,然后滑翔飞行直至落入太平洋中。2004年11月第3次试飞,X-43飞行器在前期的冲刺以后,以 9.8马赫进行高超声速飞行,飞到距离地表 35 km 远的高空21-23。X-43A 飞行器的飞行试验成功地证明了超燃冲压发动机能够为吸气式高超声速飞行器提供动力来源24,标志着吸气
21、式高超声速飞行器的发展进入到了新的里程碑。图3HTV-2飞行器飞行弹道Fig.3Ballistic trajectory of the HTV-2图4AHW飞行器外形Fig.4AHW vehicle shape schematic 42第 3 期刘双喜,等:国外高超声速飞行器及防御体系发展现状20 世纪 90 年代,美国开展“全球敏捷打击”(Prompt Global Strike,PGS)研究计划,目的是让美国未来能具有针对各类稍纵即逝的关键目标,在1 h甚至数分钟时间内对其进行快速响应,并利用高超声速武器实施致命打击的能力,由此X-51A飞行器应运而生,如图6所示。X-51A飞行器采用乘波
22、体结构,以超然冲压发动机为动力来源,设计飞行速度为5马赫。X51-A飞行器需从B-52轰炸机上挂载发射,由固体火箭助推器加速到超声速,再使用超燃冲压发动机实现高超声速飞行25-26,其飞行剖面如图 7 所示。当前,X-51A共进行了4次飞行试验,其中2次因为发动机未能够正常工作而失败27。在X-51A飞行器研究计划结束后,美国DARPA开 始 实 行“高 超 声 速 吸 气 式 武 器”(Hypersonic Air-breathing Weapon Concept,HAWC)研究计划,致力于发展高超声速巡航导弹,能够实现以5马赫或更高的速度持续飞行28-29,如图 8 所示。HAWC 飞行器
23、能够同时适应空基和海基发射平台,将成为空袭和海上打击的利器6。HAWC飞行器现已完成4次成功飞行试验。2021 年 9 月,HAWC 飞行器进行了首次飞行试验,完成了超燃冲压发动机点火与巡航飞行。2022 年 4 月,DARPA 宣布 B-52 轰炸机搭载HAWC样机进行了第2次飞行试验,在19.8 km高度以 5 马赫速度持续飞行了约 550 km。2022 年 7 月,HAWC 飞行器在点燃超燃冲压发动机后,在大气层内加速到 5 马赫,持续飞行约 560 km,顺利完成第 3次飞行试验30。2023年1月30日,HAWC飞行器完成了最后一次飞行试验,标志着美国吸气式高超声速飞行器概念计划的
24、完结。DARPA 旨在通过该计划积累经验教训和收集试验数据,在名为“HAWC的更多机会”(MOHAWC)的后续计划下继续完善HAWC技术。图5X-43A飞行器Fig.5X-43A hypersonic vehicle图6X-51A飞行器Fig.6X-51A hypersonic vehicle图7X-51A飞行器飞行剖面Fig.7Flight profile of the X-51A hypersonic vehicle图8HAWC飞行器Fig.8HAWC hypersonic vehicle 43空天防御第 6 卷与此同时,美国近年也在关注包含超燃冲压发动机的组合动力高超声速飞行。2013年
25、11月1日,美国 航空周刊 网站正式公布SR-72飞行器研究计划31,如图9所示。该飞行器采用涡喷发动机和超燃冲压发动机的组合体作为自身动力,涡喷发动机将飞行器加速到3马赫后,超燃冲压发动机开始工作继续加速到56 马赫。SR-72飞行器集情报采集、侦察、监督、打击等多功能于一身,计划于2030年左右正式服役32-33。从 军 种 部 署 来 看,美 国 国 会 研 究 服 务 局(Congressional Research Service,CRS)在 2021 年 10月 19 日发布的 高超音声速武器:背景和国会的问题(Hypersonic Weapons:Background and I
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