美国防部提出加快高超声速武器发展的设想

2020-04-28  智邦网

远望智库技术预警中心  关竹  编译

高超声速助推-滑翔导弹、弹道导弹和巡航导弹的假想飞行路径。(CSBA图)

美国国防部研发部现代化总监马克·刘易斯(Mark Lewis)4月23日在空军协会米切尔研究所的网络会议上表示,五角大楼已经建立了一个“作战室”,以努力将高超声速武器的生产从过去十年的少量原型增加到不久的将来的“数百种武器”。这些武器的范围包括从速度超过10马赫的大型火箭助推-滑翔导弹(从陆军卡车和海军潜艇上发射)到速度相对较小的5马赫以上的较紧凑、较便宜的吸气式巡航导弹(从飞机上发射)等。他说:“这不是在火箭推助式或吸气式之间做非此即彼的选择。实际上我们两者都需要,因为这些系统功能不同。”

但是,目前美国作战部队两者都没有部署。多年来,关注重点与资金不匹配,导致“国防部虽然开展了许多技术非常扎实的研发计划,但最终在计划结束时都只是研制出原型,实际的武器数量只是个位数。”刘易斯说,“如果有一个项目,在交付了8枚导弹后就终止了,那么,在我们多达数千个目标中,用这8枚导弹来打哪几个呢?”

刘易斯透露,现在高超声速武器是国防部部长马克·埃斯珀和副部长格里芬的头等大事,五角大楼正试图通过一项新的“超声速武器加速计划”来改变过去时断时续的研发方式。格里芬喜欢将现在的情况与冷战时期相比较,当时美国拥有庞大的核武器基础设施,能够制造成千上万种复杂部件。“我们希望大规模交付高超声速武器。这样,在较短时间内将有数百件武器可交付到战士手中。”

而大规模生产需要相应的生产设备,但是,如今超声速武器的原型基本上是由研发实验室手工制造的,如桑迪亚实验室。刘易斯和国防部采购与维持处处长凯文·法赫(Kevin Fahey)共同主持的“作战室”,将负责发展高超声速武器的行业基础。不仅是指主承包商,而是还包括中小型专业供应商在内的整个行业基础。

 

刘易斯承认,“成本控制对于大规模生产是必然的,也是一个巨大挑战。我们还不知道这些东西要花多少钱,我们已要求主承包商在开发过程中考虑成本。五角大楼决定购买哪些高超声速武器也会对成本产生很大的差别。我们可以选择更具成本效益的技术系统。我个人特别倾向于从飞机机翼发射和从弹舱投射的高超声速武器,因为这是实现大规模和成本适度的高超声速能力的关键。同样,现在对火箭助推系统的投资较多,但我更加推崇超燃冲压发动机为动力的系统,主要原因是吸气式系统从根本上讲比火箭助推器更便宜。”

各军种超声速武器项目耗资情况(2020年和2021年分别用浅色和深色表示)

 

高超声速的四种类型

刘易斯说:“高超声速武器不是单一的事情。它包括一系列的应用,一系列的属性,由速度、机动性和轨迹等相结合定义的。”

简而言之,根据飞行方式可分为两种推进方式:一种是吸气式发动机,类似于喷气式飞机或巡航导弹穿越大气层飞行;另一种是火箭助推器,类似于洲际弹道导弹沿太空边际弧形轨迹飞行。根据发射平台也可分为两种;一种是从一定高度和速度的飞机上发射,另一种是从速度相对较慢的地面(水面)或水下的陆军车辆、海军舰艇或潜艇上发射。将这些方式 结合起来就有四种类型。尽管目前五角大楼已知的只有三种方案,但所有四种类型都值得追求:

(1)空射助推-滑翔型:空军的空射快反武器(ARRW)。空军还曾进行过一个该类型的项目,即超声速常规打击武器(HCSW),后来被取消了,而将重点放在ARRW上,因为空军认为该项目更具创新性和更有前途。

(2)面射助推-滑翔型:主要有陆军的远程高超声速武器(LRHW)和海军的常规即时打击项目(CPS)。这两种武器共用由海军研制的火箭助推器和由陆军研制的通用超声速滑翔弹体,但是其中一种是从轮式车辆发射,另一种是从潜艇发射。

(3)空射吸气型:主要有超声速吸气式武器概念(HAWC)和吸气式超声速打击武器(HSW-ab)两种。这两个项目目前都由国防高级研究计划局(DARPA)负责,技术上最具挑战性和最尖端,待技术成熟后将移交给空军。

(4)面射吸气型:这是一个尚未进入研发或至少未公开的类别。但是刘易斯说:“最终,会看到一些地面发射的吸气型(高超声武器)。我个人认为这非常有前途。”

每一类型都有其自身的优点和缺点。

火箭助推器是经过验证的成熟技术,可提供极大的速度和射程。1970年研制成功的“民兵III”洲际弹道导弹可以23马赫的速度飞行6000英里以上。其缺点是洲际弹道导弹无法操纵方向。一旦发射,它们会像炮弹一样沿可预测的弹道飞行,因此称为弹道导弹。助推-滑翔式武器的重大创新是用敏捷滑翔体替代了传统的战斗部。当火箭助推器燃烧尽后,滑行体会与火箭分离并进入滑翔,飞越大气层的上层完成其余的飞行段。

 

但是助推-滑翔型也有很大的局限性。首先,一旦火箭助推器分离,滑行体因为没有引擎只能滑行,所以在整个飞行过程中会慢慢失去速度;第二,正是由于火箭发射动力非常强大,对武器施加了巨大的应力,因此武器上的精密电子器件必须加固才能抵抗振动和高温;第三,因为火箭不仅必须携带燃料,还必须携带供燃料燃烧的氧气罐,因此助推器体积非常大。

各军种和国防部机构在高超声速项目上的花费

相比之下,吸气式发动机要小得多。它只需要携带燃料,因为它可以从大气中吸入所需的氧气。这意味着整个武器的体积也可以更小,更便于安装到飞机上,且可在飞行过程中自由加速,而不只是滑行,因而机动性更强。

但是,尽管传统喷气式发动机是公认的成熟技术,但却无法以高超声速工作,因为进入进气口的气流速度无法达到。因此,需要更复杂的替代方案,例如超燃冲压发动机,这是一种复杂而昂贵的技术,迄今为止仅用于试验性飞行器,例如空军的革命性波音X-51。

即使使用超燃冲压发动机,也不能飞得太高,因为空气无法满足所需的氧气。这意味着,吸气式武器无法像助推-滑翔式导弹那样达到接近太空的高度,也无法接近其飞行速度。刘易斯预计,吸气式发动机可能达到的最大速度为约7马赫,只是助推-滑翔式武器最大速度的一半或以下。

桑迪亚国家实验室的滑翔体,陆军通用高超声速滑翔体的前身

发射平台对武器性能也会产生重大影响。军舰、潜艇和加长重型卡车比飞机可携载的武器更大,但它们所携带的武器也必须更大,因为它们需要从低空低速开始一直达到高空超声速飞行。相比之下,空射武器就不需要那么大,因为它在自身发动机启动之前就已达到很高的高度和速度。

所有这些因素表明,大型助推-滑翔型武器从陆地或海上发射最理想,而较小的吸气式武器则从飞机上在飞行中发射最理想。但是,由于助推滑翔式比吸气式速度更快射程更远,因此仍需要它们作为备选武器来打击某些轰炸机目标。另一方面,尽管海军舰船或地面车辆有足够的空间携带助推-滑翔式武器进行超远距离打击,但也可以使用这些空间来携带更多较小的吸气式武器用于打击较近距离的目标。