中美俄高超声速武器大比武战略前沿技术

来源:战略前沿技术 时间:2018-07-01
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近年来由于高超声武器在未来战争中的重要作用,美中俄都在竞相发展高超声速武器,成为大国之间军事博弈的一个焦点。起初,各国的高超声速武器都瞄准使用超燃发动机的高超声速导弹,近年来又把重点移到近期就可装备的使用火箭发动机的助推滑翔导弹,并研究这种高超声速导弹的防御枝术。另一方面,美中俄等大国仍在继续支持使用吸气式发动机的高超声速飞行器的应用基础研究和进行验证飞行器的试验,并探索它们在高超声速飞机和在空天飞机中的应用。美中俄有关高超声速武器的发展,既是为未来战争作准备,又成为相互威慑和保持战略平衡的一种工具。为了在知已知彼的基础上,拟订我国高超声速武器的发展战略,需要正确估计对方高超声武器的水平。为此,现将美国航空航天学会(AIAA)主办的杂志《Aerospace America》在今年6月刊出的美国著名专栏作家基斯·伯顿(Keith Button)的特稿《高超声速武器竞赛(Hypersonic Weapons Race)》全文译出。这篇文章对于中美俄在高超声速武器发展方面的评价,分析美国为何要将高超声速助推滑翔武器作为重㤐,以及发展吸气式高超声速武器的关䭈等方面的评述,都可以为我们提供参考。应该说明,文章中对于中国高超声速方面的评价,是否和中国公开发表的论文较多有关,请大家进一步去探讨吧!

一、高超声速武器竞赛

甚至在俄罗斯总统普京今年对高速武器发出的剑拔弩张的威胁之前, 美国也正在计划加强对高超声速武器的关注, 主要动机是来自中国雄心勃勃的研究和武器试验。五角大楼希望把这个新的焦点放到2019年的预算之中。

中国研究人员一直在以惊人的速度发表关于高超声速飞行基础研究的技术报告。 他们将高超声速飞行宽泛地定义为在大气层中的机动速度超过6000公里/小时。飞行速度超过马赫数5的飞行,可能是一个便捷的旅行方式,但对于这个领域的领先者中国、俄罗斯和美国来说,重点已经转移到武器方面。至少中国的一些研究似乎是朝这个方向发展的,这是基于他们在发表论文中提到的都是导弹而言的,尽管我对中国使馆新闻办公室关于这项研究的目的的询问,至今尚未回复。五角大楼今年早些时候向国会报告说, 中国已经进行了20次类似于美国进行的高超声速飞行试验的试验。最值得注意的最近测试是在去年 11月进行的,中国试飞了一枚新的高超声速导弹DF-17,飞行距离1800到2500公里,《外交官》网站第一时间进行了有关报道。

说到俄罗斯总统弗拉基米尔·普京,也许是为了不被中国超越, 他于3月在莫斯科马里奇中央展览馆历史性的发表了他的国情演说,并展示了一系列关于俄罗斯高速武器的视频。俄罗斯电视网 Ru-RTR 播放了演讲, 并在网上公布了视频,它们被世界各地的媒体广泛转载。一个视频显示了楔形 的“高超声速滑翔飞行器”,为了突破反导防御系统,它外面围绕着一个热等离子体鞘进行快速、波动飞行。另一项视频显示九枚弹头将降落到南佛罗里达,美国总统唐纳德·特朗普的海湖庄园。美国负责核武导弹的美国战略司令部司令、空军将军约翰·海顿,在4月的太空研讨会上告诉记者说: “你应该相信普京。他所说的一切 ,(俄罗斯)都在努力。”但海顿说:“所有这些能力的运行状态”却是“另外一个问题”。

许多观察这一领域发展的专家相信,不是俄罗斯而是中国在高超声速研究和武器方面领先于美国。然而, 美国落后于任何国家的观点,无论是中国还是俄罗斯, 并非是一致的看法。

“据我所知,我们并不落后。” 克林顿政府的助理国防部长、2010-2011年在奥巴马的白宫科技政策办公室负责国家安全和国际事务的利普·科伊尔这样说。“每当有人就普京总统的讲话为美国国会议员或业内人士发表谈话时说:我们落后了!我们落后了!这是很普遍的事。但我不认为这是事实。”

若中国和俄罗斯可能已经比美国获得了优势, 他们可以通过组合新技术来证实它。高超声速研究的最高理想将是能够从空气中采集氧气进行燃烧, 而不是像火箭一样必须用箱体来贮存燃料。2013年,波音公司制造的 X-51 乘波体在被助推器释放后推进了210秒,在美国创下了吸气式高超声速飞行的记录。与此同时, 中国和俄罗斯选择将他们的大部分工作重点放在那些将用常规火箭助推到高超声速然后滑翔到目标的武器上,例如, 普京的高超声速滑翔飞行器。

在这之后, 特朗普政府提议将亿万美元投入到一个紧急追赶的博弈中,并由五角大楼的首席技术官和负责研究和工程的副部长格里芬来领导。大部分的重点将放在助推滑翔的概念之上, 尽管仍将大力推动吸气式飞行器。

美国空军和 DARPA 在2014年和2015开始了高超声速的合作项目,目标是在21世纪20年代的计划中充分吸取过去的教训。“我们必须加快(科技) 活动来比计划更快地研制出样机。”空军负责采购的助理部长办公室的科林·塔克这样说。

格里芬告诉参议院的一个军事小组委员会,中国可以在战场或其附近部署高超声速导弹, 它可以从其海岸飞行上千公里,攻击美国的航空母舰。

格里芬告诉委员会:“我们今天没有系统能够以相应的方式使他们处于危险之中, 并且,我们对这些系统也没有防御能力。”“这是我最重要的优先事项之一, 消除这种劣势, 创建我们自己的系统, 以使他们处于危险之中”, 并“提供防御”。

最新的预算数字表明经费投入的量级和重点发生了变化。4月份,国防部授出一份9.28亿美元的合同给洛克希德马丁公司,开展高超声速常规打击武器的研发和试验。这些助推滑翔导弹将从空中发射。洛克希德将采用成熟技术,以尽可能快的研发。DARPA正在寻求明年其高超声速研究经费增加到1.48亿美元,其中大部分用于战术助推滑翔项目,研发用于在初始火箭助推加速后高超声速无动力滑翔的空基发射高超声速导弹技术。

吸气式的研究仍在一个叫吸气式高超声速武器概念(HAWC)的项目下继续进行,但资金将减少一半,在2019年为1400万美元。另一个计划, 先进的全程发动机(AFRE)计划, 将获得5300万美元,增加了1800万美元,以开发一个可以从低速起飞加速到高超声速飞行的发动机。

美国空军是 DARPA 的战术推动滑翔(TBG)和 HAWC 计划的合作伙伴, 计划在2020年之前进行导弹验证演示飞行。为了研制导弹和其他高超声速研究,空军正在寻求明年5亿美元的资金, 这一财政年度为2.58亿美元。

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波音正在研制 DARPA 的高超声速实验航天飞机XS-1

所有这些资金用于确定的新的发展重点,即滑翔武器。美国高超声速计划的拥护者担心,美国没有统一的战略,特别是在为应用研究提供支撑的基础研究方面。

华盛顿国防分析研究所的科技政策总监马克·刘易斯表示: “这不仅关乎多少钱, 而是你将如何用它,以及如何将它协调成一个更连贯的发展模式。”谈到基础研究时,密歇根大学的政府关系主任和高超声速研究者伊恩·博伊德教授说:“我们现在所拥有的是一群很有能力的人,但分散在这个国家各地,主要是靠自己在做重大的工作,因此没有集中力量。”

博伊德说,格里芬的到来在应用研究方面是令人鼓舞的, 通过原型样机的研制,为战场可用的武器明晰道路。他说:“会有一个过程, 所以我会说, 这是较好的发展态势。”

二、认真对待中国

在过去的10年中, 中国通过允许其研究人员在美国、德国、法国、澳大利亚、日本、意大利、俄罗斯和英国的研究人员发表论文的技术期刊上发表大量文章,让其他国家的专家瞥见了他们在高超声速方面的工作。密歇根大学教授博伊德说,10 年前的论文被认为质量较差。“他们真的只是复制别人做了什么;真的只是在赶。”

今天, 情况不再如此,中国已经赶上来了。中国研究人员已作为分享非保密成果的高超声速研究员社区的同仁而受到尊重了。

在博伊德看来,中国在现代化的研究设施和人员配置方面的付出,已经开始得到回报,它们既包括吸气式概念也包括助推滑翔概念, 以及相关的子课题,如空气动力学、推进、结构、材料、制导、导航和控制等。

博伊德说,中国在研制马赫数为5的导弹的竞赛中似乎领先于美国。刘易斯说,中国对这些导弹的试验似乎表明是一个助推滑翔的概念, 但仍不能肯定。

今天的巡航导弹通常以战斧的速度为最高, 每小时880公里。根据定义, 高超声速导弹的飞行速度比马赫数5还快, 或每小时超过6174公里, 比世界上最快的子弹要快三倍。

三、质疑普京

一些西方专家对普京有关高超声速武器的说法都持怀疑态度。普京在演讲中说,俄罗斯正在试验“萨尔马特”,这是一个有多个高超声速弹头的200吨的弹道导弹 (就是之前所说的针对佛罗里达特朗普庄园的导弹);正在部署一种由飞机投放的高超声速导弹“匕首”,在2017年12月开始了其“试验服务”,射程超过2000公里,速度为马赫数10;还试验了“先锋”导弹, 一种“滑翔翼”,飞行马赫数为20的机动洲际导弹。

一位要求不具名的美国高超声速研究人员说, 根据俄国最近在科技发展和资源匮乏方面的困境,普京的主张很难被相信。例如, 俄罗斯在2017年发射的太空项目火箭,是1965年以来的最少的一年,而且它的许多发射都是美国的任务。

这位研究人员说:俄罗斯的高超声速研究停滞在美国水平之下,“肯定也在中国以下”。“他们当然没有资金在高超声速空间玩。”

对此,博伊德说:他不会评论俄罗斯的说法是否属实, 但“当然就普京总统对其新武器的评论而言,将现实与虚构相分离开来,可能是很有挑战性的,有很多关于这些能力是否真实存在的讨论。”

四、助推滑翔的情况

美国在继续追求吸气式高超声速飞行器之外,同时加大了对助推滑翔飞行器的关注。

NexGen 航天咨询公司总裁查尔斯·米勒,一位前美国宇航局商业航天高级顾问表示,美国政府应该将在火箭推进方面投入巨资的领先的私人航天产业的经验,引入到吸气式高超声速概念中来。

米勒说:“自由市场正在表明, 火箭是这样做的,超燃冲压发动机却不是。”Scramjets是超声速燃烧冲压发动机的缩写词,它是吸气式的概念。说到吸气式高超声速,米勒说:“其中一种拥有庞大的商业市场,将推动私人投资,使之可持续发展;其他则不然。”“公司不会将私人钱财放在赌博之中。他们认为在这方面没有长期的商业市场机会。这意味着,这一切都将是政府必须支付的成本加上利润的合同。”

DARPA高超声速 XS-1前项目经理杰西·斯庞埃勃尔说:美国应该看看私人航天发射公司的技术进步及其潜在的军事能力。火箭动力的 XS-1 实验航天飞机将起飞,并在火箭动力下加速到接近轨道高度以发射卫星, 然后滑翔回地球。计划在2020年之前进行飞行试验。

 “我认为, 我们应该充分利用亿万富翁企业家投资于以火箭为动力的可重复使用高超声速发射系统的公司,我们应该找出如何利用人们名义上花费了亿万美元而获得的这种能力的好处。”他并告诫说,这并不意味着要放弃吸气式。

国防分析研究所的刘易斯说:助推滑翔的好处是使用火箭发动机技术,如何建造它们以及它们的性能是众所周知的。助推滑翔的关键设计极限不是推进,面是空气动力学和机动能力。

斯庞埃勃尔说:助推滑翔的另一个好处是,它通常是穿过它在加速阶段的空间飞行,因而在这一阶段可以避免由于穿过大气层内造成的极端热环境和激波。

五、吸气式的吸引力

虽然两种飞行模式都面临着严重的工程挑战,但吸气式高超声速飞行是最难和发展最少的选择。一种吸气式高超声速发动机,即超燃冲压发动机,它没有移动部件。进气口压缩超音速气流,并将氧气与燃料混合在一起燃烧, 发动机后端的喷管会加速燃烧室内的高温空气而产生推力。

当空气在发动机中以每秒1.6 公里的速度流动时,其点火和维持燃烧是很有挑战性的。前XS-1 项目经理斯庞埃勃尔表示:“这就像在飓风中点燃火柴, 维持燃烧室稳定燃烧。高超声速气流使得飞行器的一部分达到极高的温度,超过1500摄氏度 (2732 华氏度);同时激波位置的变化,使得飞行器产生颤振,进一步增加挑战。到目前为止, 最长的吸气式高超声速飞行记录是X-51 乘波体飞行的210秒。

吸气式发动机的潜在优势将是,在高超声速时, 他们的比冲将是推动助推滑翔飞行器的火箭发动机的三倍。这将对提高武器射程很有好处。

六、研究团队

在美国,最基础的高超声速研究由大学负责,而应用研究主要是通过 DARPA,部分通过空军研究实验室(AFRL)和 NASA。虽然空军、海军和陆军都为DARPA的高超声速研究提供资金,但它们没有自己的实验室,只能将研究活动外包给私营工业承包商。博伊德说:在大学方面大约有300名教员、研究生和博士后研究人员,投身于高超声速研究,每年的研究经费约2000万美元。他说:从公开的研究报告看,从事高超声速研究人员的总数,大约是中国的一半。

博伊德说:中国似乎在致力于采用更加集成的研究,将更多的大学研究人员集中在一个地方工作。博伊德说:在美国, 大学中最大的高超声速项目的研究团队可能只有25人,通常单独工作或分成两个小组,从而难于协调。可以发现,中国在高超声速方面,投资了许多新的研究设备,而美国却相反,虽有“许多伟大的设备”,但许多都在老旧的建筑之中而“吱吱作响”。

七、基础研究的重要性

为了赶上中国,美国将不得不做更多的事,首先要从增加其基础研究的投入开始。博伊德说:“必须有更多的投资, 因为当前,中国正在比我们投入更多的人和新的设备。我们没有任何真正的秘密,我不认为,在很大范围内,不增加我们在这方面的努力,就能允许我们赶上”。

博伊德说:如果美国决定将高超声速成为其国家安全战略的一个重要组成部分, 那么不得不将它发展为一个重点领域。提高基础研究支出将有助于实现这一点: 在一个具有挑战性的领域中,教育和培训工程师,以及培育下一代新的技术想法,显得十分重要。

博伊德说:在美国的大学,60%到70%高超声速研究集中在空气动力学和气动热力学:观察高超声速飞行器周围的气体如何流动。在中国,在期刊文章中所描述的研究表明,他们在空气动力学、推进、材料和控制方面的努力显得更加平衡。由于高超声速飞行器的每一个方面都会影响到其他方面,美国需要采取一种更平衡、多学科的方法来进行高超声速研究。

博伊德说: 美国还需要更好的协调, 通过卓越的中心或类似的集中式方法,促进学科间的交融。在应用研究方面,美国关键的改变是需要增加试飞的次数。博伊德说:为了研发可运行的系统,仅试飞一次到四次的演示飞行计划,显然是不够的,尤其与美国其他导弹项目相比。

他说:“这很贵,而且很困难, 但它就像做任何东西一样,你必须去试。”“这就像是自己驾驶汽车,你必须把它们放在实际的环境中,并学习一些艰难的课程, 也许,你就可以到达想去的地方。”斯庞埃勃尔说:由于火箭技术相对于超燃冲压发动机的发展来说要更快些,因此,高超声速的最容易的收获可能最初来自助推滑翔的概念。从长远来看,最好的高超声速推进模式,将是以最低的重复运行成本和可接受的环境影响来进行高速飞行。

他说:“如果你能使这些装置工作起来,你将获得回报。如果你做不到,那只是一种无休止的模型商店。”“我们必须弄明白那些用最少的精力就能轻易实现的目标,追求那些我们可以做的高超声速系统。这些领域的成功将证明那些在高超声速更困难的领域长期投资是正确的。”

博伊德说:根据高超声速研究的现状,美国是否应该同时追求助推滑翔和吸气式两种概念,仍是一个公开的问题。“继续研究两者的动机是,他们最终可能提供不同的、独特和重要的能力。在某种程度上,如果确定一个系统不能比另一系统提供足够的增值, 那么它可能就会被放弃。”

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