高超聲速飛行器推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用介紹

不斷追求更高的速度一直以來都是航空和火箭推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)力。對(duì)大氣層內(nèi)達(dá)到不小于5馬赫速度的需求日益增長，這導(dǎo)致圍繞高超聲速飛行產(chǎn)生了多種新增的和創(chuàng)新性的解決方案。

高超聲速技術(shù)早期嘗試

西方高超聲速專家主要以美國航空航天局（NASA）的X-15北美研究飛機(jī)為例展開研究，該飛機(jī)配置火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，而且早在1960年代就經(jīng)常達(dá)到高超聲速。但正是由于其應(yīng)用性質(zhì)，它并不是應(yīng)用于高超聲速飛行的一種有發(fā)展前途的長期解決方案。據(jù)信，到目前為止，沒有任何一架軍用飛機(jī)或無人駕駛飛行器實(shí)現(xiàn)過高超聲速飛行。

B-52轟炸機(jī)機(jī)翼下掛載的美國航空航天局X-15研究飛機(jī)

美國在1986年啟動(dòng)了一項(xiàng)雄心勃勃的計(jì)劃，旨在開發(fā)國家航空航天飛機(jī)（NationalAeroSpacePlane，NASP），即一種能夠進(jìn)入近地軌道的單級(jí)航天飛機(jī)（SSTO）。根據(jù)當(dāng)時(shí)的計(jì)劃，羅克韋爾公司的X-30被選定為先進(jìn)技術(shù)演示項(xiàng)目，由一個(gè)內(nèi)置式高超聲速?zèng)_壓空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料為液氫。

當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)與之對(duì)應(yīng)的是圖波列夫設(shè)計(jì)局開發(fā)的圖-2000。建議為其配備一個(gè)不太復(fù)雜的推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由四個(gè)渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、一個(gè)沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和兩個(gè)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)合為一體。這些計(jì)劃都沒有制造原型飛機(jī)。NASP和圖-2000都在1993年終止。

這張來自美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的圖顯示了一個(gè)典型的高超聲速?zèng)_壓空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的布局以及在超聲速氣流中保持燃燒的復(fù)雜性

高超聲速導(dǎo)彈

可見，就目前而言，只有導(dǎo)彈可以完成高超聲速飛行。這種水平的性能并不新鮮，大約80年前希特勒德國制造的A-4（V-2，及由其衍生的“瀑布”-2）彈道導(dǎo)彈就已實(shí)現(xiàn)接近5馬赫速度。俄羅斯聲稱2022年3月、4月和5月用高超聲速武器攻擊了烏克蘭的多個(gè)目標(biāo)，西方消息來源指出，俄羅斯使用了Kh-47M2“匕首”空射近程彈道導(dǎo)彈（該導(dǎo)彈就是9K720“伊斯坎德爾”陸基導(dǎo)彈的一個(gè)版本，或根據(jù)北約分類的SS-26STONE導(dǎo)彈）。他們認(rèn)為，“匕首”具有與陸基武器相同的推進(jìn)系統(tǒng)和有效載荷。

雖然大多數(shù)彈道導(dǎo)彈可以加速到高超聲速，但依然是沿著可預(yù)測(cè)的彈道飛行。新一代高超聲速武器將高速與中后飛行段機(jī)動(dòng)能力結(jié)合在一起。這使其能夠飛得足夠低，不按照可預(yù)測(cè)的軌跡飛行，并加速到高速，以避免被導(dǎo)彈防御裝備擊中。

高超聲速滑翔器

現(xiàn)有的高超聲速導(dǎo)彈主要有兩種形式。較為簡單的一種形式是在一個(gè)單級(jí)或多級(jí)火箭助推器上安裝一個(gè)或多個(gè)無控式高超聲速滑翔器（HypersonicGlide Vehicles， HGV）。第二種，也是更為復(fù)雜的一種武器是具有噴氣式推進(jìn)系統(tǒng)的高超聲速巡航導(dǎo)彈（HypersonicCruise Missile， HCM）。

顧名思義，HGV的動(dòng)力全部來自于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)傳遞的初始沖力。一旦沖力完結(jié)，HGV就開始轉(zhuǎn)入滑行（滑翔）階段。通常情況下，HGV在大約50km至100km以上高度從運(yùn)載火箭上被拋射出去。在測(cè)定好準(zhǔn)確的高度、速度和航跡角后，HGV在大氣高層內(nèi)滑行，直至到達(dá)其目標(biāo)。

HGV的空氣動(dòng)力外形被制造成在稀薄大氣層內(nèi)實(shí)施機(jī)動(dòng)的情況下，其所產(chǎn)生的升力等于或略大于其重量。由于受到迎面阻力的作用，其能量開始耗散，逐漸失去速度，飛行高度也緩慢下降，隨著空氣密度的增大便能夠保持所需的升力。

如果需要達(dá)到極限飛行距離，可以在HGV上安裝一個(gè)小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或其他推進(jìn)系統(tǒng)。它們可以最大限度地減小迎面阻力造成的速度損失，并確保實(shí)現(xiàn)更高程度的定向或方向控制。在這些附加能力、增加的質(zhì)量和滑翔器結(jié)構(gòu)之間不可避免地要做出權(quán)衡。

根據(jù)西方信息源的說法，“俄羅斯‘先鋒’滑翔裝置可以說是此類系統(tǒng)達(dá)到高超聲速飛行的一種最簡單的方法”，也就是在現(xiàn)有的彈道導(dǎo)彈上安裝一個(gè)或多個(gè)這樣的裝置作為有效載荷。據(jù)報(bào)道，“先鋒”最初被命名為Yu-71和Yu-74，于2015年或2016年開始飛行測(cè)試。在早期測(cè)試中，該裝置被安裝在UR-100UTTH（SS-19Mod 3STILETTO）洲際彈道導(dǎo)彈上，從奧倫堡州的一個(gè)基地完成發(fā)射。2016年10月，從同一個(gè)發(fā)射場(chǎng)發(fā)射了R-36M2重型洲際彈道導(dǎo)彈（SS-18Mod 5SATAN）。據(jù)稱這是第一次完全成功的測(cè)試。

圖中：①發(fā)射；②助推級(jí)分離后進(jìn)入太空；③滑翔裝置分離；④滑翔裝置朝目標(biāo)方向飛行，實(shí)施大縱深機(jī)動(dòng)——在數(shù)千千米內(nèi)實(shí)施側(cè)向機(jī)動(dòng)和高度范圍機(jī)動(dòng)，這使滑翔器不易被任何反導(dǎo)和防空系統(tǒng)摧毀；⑤擊中目標(biāo)。

配置“先鋒”滑翔裝置的“薩爾馬特”導(dǎo)彈系統(tǒng)

“先鋒”滑翔器長5.4m，重約2000kg，可攜帶核彈頭或常規(guī)彈頭。它被用作UR-100UTTH、R-36M2和新型RS-28“薩爾馬特”這幾型洲際彈道導(dǎo)彈的分導(dǎo)式多彈頭（MIRV）有效載荷。根據(jù)西方的推測(cè)，盡管“先鋒”沒有任何獨(dú)立的推進(jìn)系統(tǒng)，但它能夠進(jìn)行突然的水平和垂直規(guī)避機(jī)動(dòng)。該滑翔器以大約20~27馬赫的速度接近目標(biāo)。

使用現(xiàn)有的彈道導(dǎo)彈作為HGV有效載荷的助推器可能是一種最簡單的工程解決方案，它可以在必要時(shí)改造導(dǎo)彈使其發(fā)揮新的作用。朝鮮在2021年9月對(duì)一個(gè)高超聲速有效載荷進(jìn)行了飛行測(cè)試。據(jù)推測(cè)，它使用類似韓國HWASONG-12中程彈道導(dǎo)彈的縮短版發(fā)射。

審核編輯 ：李倩