美俄高超音速助推—滑翔武器

于振江

从国外对于中国2014年1月的高超音速飞行器试验分析来看，大多倾向于认为是一次高超音速助推一滑翔飞行器试验，而由于高超音速助推一滑翔飞行器发展回避了全新的动力系统技术障碍，因此进展最快。由于高超音速助推一滑翔技术依赖于雄厚的助推火箭技术和强烈的军事需求，因此开展此方面研究的国家主要是美国和俄罗斯。

俄罗斯

苏联在研制吸气式高超音速巡航飞行器时就开始了高超音速助推一滑翔技术的开发。当时有人提出在重型弹道导弹上配置几枚高超音速滑翔弹头，使苏联可从两伯利亚直接攻击美国部署在世界上任何地点的空军基地。最终这种设想由于成本太高而放弃。苏联解体后，俄罗斯利用“针”和“鹰”计划中的高超音速试验飞行器（ICLA）技术，开发了弹道导弹一高超音速飞行器一体化的助推一滑翔武器。1997年俄就宣布已研发出一种高超音速飞行器，其飞行轨迹是非典型的，也就是不遵循核弹头的典型抛物线轨迹，可以任意改变方向。高超音速巡航飞行器可进入外层空间，然后再进入地球大气层。

2001年7月，俄罗斯用SS-25“白杨”与高超音速导弹技术相结合的飞行器进行了飞行试验。当时导弹从普雷茨谢克发射场发射，落至勘察加半岛的目标区，这次发射使用了一个试验再入机动飞行器。据监测这次飞行试验的美军方称，这枚SS-25导弹的飞行轨迹十分特殊，最后一段飞行轨迹的高度约为33千米，具有在大气层内飞行的高速巡航导弹的性能。美国一位官员认为这表明俄罗斯正在试验弹道导弹与高超音速巡航导弹相结合的技术。很快在2003年的莫斯科国际航展中，俄企业展示了与SS-25一体化的高超音速导弹技术飞行器GLL-VK的飞行示意图。首先，SS-25在助推段后期压低飞行高度，GLL-VK与SS-25分离后即向下滑行，然后，GLL-VK在约33千米高度进行高超音速飞行，并多次向上跃升。在2004年3月的军事演习中，俄罗斯战略火箭兵对这种新型导弹进行了试射。时任俄副总参谋长宣称，俄军成功进行了能够突破反导系统的SS-25的前期试验，飞行过程中对高度和航线进行了多次机动，完成了预定的机动计划，表明它可绕过地区反导系统和监视系统，能突破任何反导系统的防御。媒体甚至在监控大厅观看到其多次跃出大气层，然后向下滑翔。2013年10月，俄罗斯宣称，其最新装备的RS-26“边界”弹道导弹采用了高超音速机动弹头。可见，高超音速助推一滑翔武器在俄罗斯很快将进入实战部署。

美国

美国在冷战时期也曾开发了助推-滑翔技术，并进行了大量的验证试验，但直到2003年7月，美国空军和国防部联合提出“猎鹰”计划，该技术才真正得到全面发展。“猎鹰”计划采用高超音速技术验证机HTV-1、HTV-2和HTV-3X分别验证CAV、ECAV和HCV技术。但由于HTV-1和HTV-2的气动外形、采用的技术相似，美国空军放弃HTV-1，直接试飞HTV-2。HTV-3X（“黑燕”）是一种可从传统跑道上起飞、以6马赫巡航、飞回并在跑道上着陆的试验机。2008年9月，由于预算大幅度削减，“黑燕”项目被暂停。

20lO年4月，HTV-2进行了首次飞行试验。飞行了9分钟之后，HTV-2已在太平洋上空飞越了7700千米，速度达到20马赫，高度在大气层边缘。13ARPA的8台遥测设备失去了飞行器的信号，原因是“对于这种速度和飞行高度，在飞行器所计划的迎角下，飞行控制达到了操纵的极限。”此次验证试验最终失败。2011年8月，HTV-2进行了第二次飞行试验，验证了近3分钟的由稳定气动控制的20马赫高超音速飞行。但最终飞行器经历了一系列异常震动，使自主飞行安全系统启动空气动力系统进行可控下降，坠落大海。

在进行HTV-2试验的同时，美国其它部门也在开发类似的助推一滑翔武器。例如，美国陆军航天与导弹防御司令部/美国陆军部队战略司令部发展了“先进高超音速武器”（AHW）项目，2011年11月进行了首次试飞。试飞的大气层内高超音速滑翔飞行器是由一枚三级火箭助推器发射升空的。助推一滑翔组合飞行器成功地按照预定轨迹释放了高超音速滑翔飞行器，后者在与助推器分离后，沿着非弹道滑翔轨迹高超音速飞行，飞抵里根试验场的预定落点。这是世界上第一种设计在大气层内飞行的高超音速远程滑翔飞行器。美国在2010年7月还独立推出了采用类似技术的“弧光”远程高超音速导弹。该导弹助推器采用“标准”3的助推器，而高超音速滑翔器可携带500-1000千克的有效载荷，能在30分钟内对3800千米以外的时间敏感目标实施打击。

除美俄之外，印度、德国等也提出了自己的高超音速助推一滑翔武器概念，并进行了一定的试验验证。相信助推一滑翔武器将成为第一种高超音速武器。

军事应用

虽然高超音速助推-滑翔武器发展较快，但由于其需要火箭助推，且从目前情况看大多为一次性使用，因此应用领域受到一定限制，没有高超音速巡航武器广泛。

高超音速导弹 高超音速导弹是高超音速助推一滑翔武器发展的主要应用方向。实际上，美国和俄罗斯都是在现有弹道导弹基础之上开展高超音速助推一滑翔飞行器验证的，也将是其首要应用方向。例如，俄罗斯很可能已经在SS-25“白杨”和RS-26“边界”洲际导弹上部署高超音速助推一滑翔弹头。2011年3月，美国空军参谋长施瓦茨表示，空军正在考虑发展常规洲际弹道导弹与高超音速助推一滑翔飞行器，它们有望成为空军的常规即时全球打击手段，并将把这作为针对反进入和区域拒止威胁的应对手段。

高超音速运输机 在高超音速助推-滑翔技术之上，还可以很便捷地开发出军用高超音速运输机，以实现军事力量的全球快速投送。2012年12月，德国宇航中心太空系统研究院透露，他们正在研究“太空航班”，能够实现在90分钟内飞抵世界的另一端——澳大利亚，这项新技术仍处在试验和明确基础需求的阶段。这一项目得到了欧盟的资金支持。“太空航班”试图在发射前像航天飞机一样采用火箭发动机垂直起飞，该轨道器将能承载50名乘客。起飞8分钟后进入滑翔阶段，飞行速度可达20倍音速。飞行大约80分钟后着陆在常规跑道。实际上，美国军方也提出了类似的远程投送方案，高超音速助推一滑翔运输手段很可能首先应用于军事投送。endprint

高超音速轰炸机美国军方设想的助推一滑翔高超音速轰炸机与X-37B类似。X-37B是波音公司为美军研制的无人驾驶轨道试验飞行器（OTV-1），使用“宇宙神”5火箭发射，可在轨道运行数月后自主着陆。未来的高超音速助推一滑翔轰炸机也使用火箭将其发射到大气层外，然后利用空气动力滑翔，下降到一定高度后启动冲压发动机或火箭发动机再次上升到大气层外，如此反复跳跃直到目的地上空实施攻击，然后再次利用滑翔或跳跃返回降落。

高超音速滑翔弹药高超音速助推一滑翔武器技术还可以用在空天飞机投放的武器上，因为空天飞机在太空中飞行的时候，如果投放的弹药采用的是滑翔式的，可达到同样效果。例如，美国HTV-1、HTV-2就用于验证CAV、ECAV技术。CAV及其增程型ECAV是一种高超音速再入、无动力滑翔机动弹药布撒飞行器，主要用于远程常规精确打击。CAV能携带454千克载荷飞行5560千米，ECAV的飞行距离可达16600千

技术难点

从目前情况看，高超音速助推一滑翔武器技术虽然可以回避高超音速巡航武器技术的一些障碍，但也存在着高超音速飞行的一些通用性技术障碍。例如，美国空军在2012年11月提出的“国防科学技术愿景”要求在2020年前开发高超音速打击武器，并为此要解决飞行器推进系统及其与机身集成相关的重大难题，关注的其它领域还包括电源与热管理、制导与控制、结构与材料、构型与气动以及传感器等。高超音速助推一滑翔武器主要存在以下几方面技术障碍。

结构与材料高超音速飞行器设计中遇到的一个巨大难题就是飞机机体结构与材料的选择。因为飞行器与空气的摩擦热量非常大，使机体材料可能发生膨胀形变，而机体内不同材料的膨胀系数不同，形变程度也就有差别，而这细微的变化可能使高速飞行的飞行器发生振动等情况，最终导致解体。美国多数高超音速验证机的头部采用钨材料，而钨合金是当前在反坦克穿甲弹上才采用的较高价值金属材料，其它部位也采用了一些高价值材料，这使飞行器的单位成本居高不下。巡航导弹作为一种消耗性武器，成本不能太高，否则在以后装备中各军种难以接受，这就使高超音速巡航导弹的各种材料选择处于两难境地。目前美国科学家已将目光转向具有多种功能的复合材料上。“猎鹰”计划中的HTV-1试验计划多次推迟的原因之一就是因为分包商C-CAT公司研制的碳基壳体的曲线前缘出现了剥离问题，研制人员不得不采用前缘更薄的多片式壳体，使其更易制造和稳定。此外，由于助推一滑翔飞行器比传统的导弹弹头增加了总的热载荷和大气层内的气动控制，因而对材料和防热系统提出了新的挑战。例如，HTV-2就不得不利用外部的碳一碳材料来满足沿发射方向和横向机动的要求。而这些新材料的设计与加工难度相当大，已经成为阻碍高超音速助推一滑翔飞行器发展的主要障碍。

热防护技术 当飞行器以高超音速在大气中飞行时，气动加热严重。当飞行速度达到8马赫时，飞行器的头锥部位温度可达1800℃，其它部位的温度也将在600℃以上。因此设计合适的热载荷管理系统成为必须。对于热防护一方面是选用长寿命、耐高温、抗腐蚀、高强度、低密度的轻质材料。目前研制的和可能采用的新材料主要有轻金属材料、金属基复合材料、聚合物基复合材料、陶瓷基复合材料、碳-碳复合材料等。更重要的是在飞行器总体设计和结构设计中考虑热防护因素。例如，综合采用隔热层、耐热结构材料，降低热流，减少热应力、热传送和热冷却等多项措施，以解决热防护问题。2012年4月，美国独立工程审查委员会公布了对HTV-2第二次飞行失败的调查报告，报告显示当飞行器以每小时13000千米的速度飞行-时，外壳高温材料受到超预期的外力作用而脱落，由此在飞行器周围产生强大的脉冲冲击波，导致飞行器突然坠毁。

虽然美国在2011年11月的“先进高超音速武器”（AHW）项目首飞试验中取得成功，但此次试验只重点检验了三大方面的部分指标；用于该滑翔飞行器的空气动力，制导、导航与控制，热防护。这距离成熟的高超音速武器部署还有一定距离。但从美俄等国的努力看，助推一滑翔飞行器有望首先实现高超音速技术的武器化，而应用于实战部署。

空气动力控制确定飞行器上的气动力/热载荷对于高超音速飞行器的设计是非常重要的。当飞行器以高超音速飞行时，会产生很强的激波，激波与附面层之间产生相互干扰，在高超音速气流驻点附近产生极高的温度，能使附近的气体分解和电离，形成相当复杂的混合气体，使得高超音速气流的研究成为非常复杂的问题。美国HTV-2高超音速飞行器在2010年4月试验失败就是因为HTV-2飞行控制系统故障——未正确确定的导弹重心以及升降舵和水平安定面的活动性不足。据推测，导弹在飞行中开始绕纵轴旋转。在这种情况下，受限制的控制系统不能恢复正常飞行。当旋转达到了程序规定的极限值时，导弹发生自毁。后来根据国防部的建议，对飞行器的结构进行了改动，其中包括移动导弹重心，减小飞行中的迎角以及改进控制元件等。由于现有的风洞设备还不能较好地模拟高超音速飞行环境，计算流体力学和飞行试验也都存在很大的局限性，而且目前与高超音速空气动力/热力学相关的理论、建模、研究方法、计算程序、验证手段等还有待研究，因此无法通过理论计算或地面试验对这些问题进行验证，只有通过昂贵复杂的飞行试验才能发现，这也是高超音速飞行器试验失败率居高不下的主要原因。在经过首次失败后的调整后，HTV-2在第二次飞行期间经历了最初的冲击波干扰，能够恢复并继续控制飞行，超过飞行器可承受设计的100倍。

制导与通信 助推一滑翔飞行器通常要在大气层内外不断翻飞，也就是沿着大气层作正弦曲线的往复飞行，而且高超音速飞行会产生大量气动加热并在飞行器边缘发生电离现象，这造成无线电通信障碍，并使大多数导弹制导模式失效。例如，美国HTV-2的两次飞行试验失败都是以失去通信联络为现象，而且每次都将等离子现象作为通信失联的首要原因进行排除。为此，美国空军在2012年11月提出的“国防科学技术愿景”要求为2020年前开发高超音速打击武器，而发展新型的多模态寻的器、GPS拒止环境下高速制导系统等。endprint