高超聲速飛行總體概念

編者按：本文是高超聲速飛行推進系統專題文章，給出了高超聲速飛行總體概念，確定了適合實現高超聲速飛行的兩種主要飛行器類型——高超聲速滑翔飛行器（HGV）和高超聲速巡航導彈（HCM），確定了其飛行可使用火箭發動機或高超聲速空氣噴氣發動機。此外，啟動高超聲速沖壓空氣噴氣發動機需要較高的初速，這可以通過使用火箭助推器作為第一級來實現。

正文：

追求更高的速度一直是飛機和火箭推進系統的發展動力。對至少5馬赫的大氣層內飛行速度的需求不斷增長，導致出現了所謂的新的高超聲速飛行創新性解決方案。

實現5馬赫的早期嘗試

西方高超聲速專家主要以美國宇航局的X-15試驗飛機為例，該飛機配備了火箭發動機，早在20世紀60年代就能夠達到高超聲速飛行。但正是由于其試驗性質，它并不能代表有發展前景的高超聲速飛行長期解決方案。據稱，迄今為止還沒有軍用飛機或無人駕駛飛行器進行過高超聲速飛行。

B-52轟炸機機翼下的NASAX-15試驗飛機

1986年，美國開始實施一項雄心勃勃的計劃，開發能夠進入地球軌道的單級航天器（SSTO-單級入軌航天器）--國家空天飛機（NationalAeroSpacePlane，NASP）。作為一個先進技術示范項目，羅克韋爾公司的X-30計劃由一個燃燒液氫的內置高超聲速沖壓式空氣噴氣發動機提供動力。

當時蘇聯的答案是圖波列夫設計局的圖-2000。據推測，圖-2000配備一套復雜程度略小的推進系統，由四臺渦輪噴氣發動機、一臺沖壓噴氣發動機和兩臺液體火箭發動機組成。這些計劃都沒有制造出原型機。NASP和圖-2000項目都于1993年終止。

美國空軍研究實驗室的圖片展示了典型高超聲速沖壓式空氣噴氣發動機的布局，以及在超聲速氣流中保持燃燒的難度

導彈的高超聲速飛行

因此，目前只有導彈/火箭能實現高超聲速飛行。這種能力水平并不新鮮--早在大約80年前希特勒德國制造的A-4（V-2，又名FAU-2）彈道導彈就實現了接近5馬赫的速度。關于俄羅斯聲稱在2022年3月、4月和5月用高超聲速武器攻擊烏克蘭境內多個目標一事，西方消息人士指出，“使用的是Kh-47M2‘匕首'近程空射彈道導彈，該導彈是9K720‘伊斯坎德爾’陸基導彈（北約代號為SS-26‘石頭’）的改型?！彼麄儓孕拧柏笆住睂椀耐七M系統和有效載荷與陸基武器相同。

大多數彈道導彈都能達到高超聲速，且其彈道是可預測的。新一代高超聲速武器將高速與飛行中后期的機動能力相結合。這使它們能夠飛得足夠低，不遵循可預測的軌跡，并以較高的速度飛行，以避免被導彈防御系統攔截。

高超聲速飛行器

高超聲速導彈有兩種基本形式。較簡單的方法是在單級或多級火箭助推器上安裝一個或多個非制導高超聲速滑翔器（HypersonicGlide Vehicles，HGV）。第二類更復雜的武器是配備空氣噴氣動力裝置的高超聲速巡航導彈（HCM）。

顧名思義，高超聲速滑翔器的能量全部來自火箭發動機產生的初始脈沖。初始脈沖一旦結束，HGV將開始其下滑（滑翔）階段。通常情況下，這種飛行器在大約50千米到100多千米的高度從運載火箭上拋射。確定飛行路徑的確切高度、速度和角度，使HGV在高層大氣中滑行，直至到達目標。

HGV的空氣動力外形設計用于在稀薄大氣中產生升力，如果飛行器進行機動，升力等于或略大于其重量。當遇到迎面阻力時，能量將開始消散，導致速度逐漸降低，并在緩慢降低的高度上飛行，以便增大的空氣密度能夠維持所需的升力。

如果需要極遠的航程，可在HGV上安裝小型火箭發動機或其他推進裝置。這將最大限度地減少由于迎面阻力造成的速度損失，并保證更大程度的姿態控制或方向控制。不可避免的是，在這些補充能力、增加的質量和飛行器結構之間需要權衡。

據西方消息源稱，“俄羅斯的‘先鋒’滑翔體用圖解說明了此類系統進入高超聲速飛行的最簡單方法”——在現有彈道導彈上安裝一個或多個滑翔體作為有效載荷。據報道，“先鋒”最初被命名為“Yu-71”和“Yu-74”，于2015年或2016年開始飛行試驗。在這些早期測試中，滑翔體被安裝在UR-100UTTKh洲際彈道導彈（SS-19Mod 3“短劍”）上，并從奧倫堡州的一個基地發射。2016年10月，R-36M2重型洲際彈道導彈（SS-18Mod 5 “撒旦”）從同一平臺發射，據消息人士稱，這是首次完全成功的試驗。

帶有“先鋒”滑翔體的“薩爾馬特”導彈系統

“先鋒”長5.4米，重約2000千克，可攜帶核彈頭或常規彈頭。它被用作UR-100UTTKh、R-36M2和新型RS-28“薩爾馬特”洲際彈道導彈的分導式多彈頭（MIRV）有效載荷。據西方專家推測，盡管“先鋒”沒有獨立的推進系統，但它能夠進行突然的水平和垂直規避機動。其接近目標時的速度約為20-27馬赫。

使用現有彈道導彈作為HGV有效載荷的助推器可能是最簡單的工程解決方案，允許導彈在必要時進行改裝以適應新的角色。朝鮮于2021年9月試射了一枚高超聲速有效載荷，其外形與中國產品類似。據信，其是使用朝鮮“火星”-12中程彈道導彈的縮短版發射的。

如上所述，高超聲速武器有兩種主要形式：高超聲速滑翔器（HGV）和配備空氣噴氣式發動機的高超聲速巡航導彈（HCM）。

按需求中斷推力

對于HGV，最佳解決方案可能是為其安裝專門設計的發動機。2021年年中，在美國國防高級研究計劃局（DARPA）“作戰火力”(OpFires)計劃框架內，美國AerojetRocketdyne公司開發的第二級節流固體推進劑發動機成功完成了全尺寸靜態試驗，展示了按需終止提供推力的技術。

根據洛克希德·馬丁導彈與火控系統公司的合同變更條款，“作戰火力”項目已進入第3b階段。在該項目框架內計劃研制地基中程高超聲速導彈并進行飛行試驗。據專家解釋稱，從適合快速部署和轉移的機動式地面發射平臺發射后，要將高超聲速滑翔武器投送到不同的距離，就需要具備推力中斷功能。

使用TERRIER和ORIOLE固體火箭發動機的多級配置用來發射HIFiRE2（高超聲速國際飛行研究試驗計劃-2）產品，并使其達到啟動高超音速沖壓式空氣噴氣發動機所需的速度

洛克希德·馬丁公司和諾斯羅普·格魯曼公司于2021年5月27日成功進行了第一級固體燃料火箭發動機的地面測試，該發動機分別為美國海軍和陸軍的常規快速打擊（CPS）和遠程高超聲速武器（LRHW）項目而設計。CPS和LRHW預計將共用一種適合從水面艦艇、潛艇和陸基機動發射裝置發射的導彈。

美國空軍也一直在研究洛克希德·馬丁公司提出的兩個空射高超聲速導彈概念：空射快速反應武器（AARW）和高超聲速常規打擊武器（HCSW）。

在AARW計劃框架下開發的AGM-183在2020年初得到優先考慮。AGM-183比HCSW更小，可搭載在F-15“鷹”式戰斗機的中線掛架上。據報道，用于保護高超聲速滑翔體有效載荷的圍殼在運載導彈燃料燃盡并達到約5馬赫的速度后會被拋掉。

眾所周知，AGM-183的早期飛行試驗失敗了：火箭要么未能與其發射平臺（B-52H“平流層堡壘”轟炸機）分離，要么分離但未能啟動助推器。2022年5月14日進行的試驗取得成功：火箭與B-52H分離，啟動助推器，速度超過了5馬赫。

有效載荷保護裝置拋掉后的AGM-183

沖壓式空氣噴氣發動機

自噴氣時代開始以來，人們一直在尋找一種能夠實現更高速度的空氣推進系統。加力渦輪噴氣發動機或渦輪風扇發動機滿足了2馬赫及以上超音速飛行的需要。然而，當速度接近或超過3馬赫時，這種技術幾乎無法應對。

在3馬赫或更高的速度下，沖壓空氣噴氣發動機是一種有效的推進系統。它的結構相對簡單，依靠發動機的前進運動產生推力。進氣口的設計目的是在超音速氣流進入燃燒室之前將其壓縮并減速至亞音速。隨著沖突噴氣發動機飛行所需的速度的增加，進氣口的空氣溫度也隨之增加。

這減小了入口和出口的溫度差，從而降低了能以推力形式提取的能量。因此，大多數配備沖壓噴氣發動機的飛行器飛行速度不超過4.5馬赫。

NASA高超聲速飛機

高超聲速噴氣發動機

為了達到更高的飛行速度，送入空氣的減速和壓縮程度必須比沖壓式空氣噴氣發動機低得多。這樣可以將溫度升高降到最低。因此，燃燒室的設計必須能夠承受超音速氣流。由此產生的推進系統被歸類為超音速燃燒沖壓式空氣噴氣發動機。該術語通常稱為“高超音速沖壓式空氣噴氣發動機”。

就獲得高超聲速推力而言，高超音速沖壓式空氣噴氣發動機比火箭發動機更有效。它們能夠持續地邊供燃料邊飛行，但需要助推到高速才能工作。最簡單的方法是使用火箭助推器作為第一級。由于助推器的任務僅限于升空后的初始飛行階段，因此助推器將比HGV所需的更小。因此，要達到相同的射程，配備高超聲速沖壓空氣噴氣發動機的武器要比配備滑翔體的解決方案更小更輕。

高超聲速巡航導彈

所需的初始加速度并不要求飛行器加速到計劃的巡航速度，而只要求達到足以使高超聲速沖壓空氣噴氣發動機工作的最低速度。啟動后，高超聲速沖壓空氣噴氣發動機可將導彈加速到計劃巡航速度，然后保持該速度飛向目標。高超聲速巡航導彈（HCM）的飛行高度可能在20至30千米之間，這部分是由推進系統需要保持足夠的推進劑燃燒壓力決定的。

2004年3月，美國國家航空航天局（NASA）的X-43A無人駕駛飛機在氫氣噴氣發動機的驅動下以7馬赫的速度飛行，創造了新的飛行速度記錄。在同年11月的第二次飛行中，另一架同樣由氫氣驅動的X-43A在約33528米（11萬英尺）的高空達到了9.64馬赫（10240千米/小時）的速度。

在2004年3月的一次試飛中，使用“飛馬座”固體火箭助推器來加速配備高超聲速沖壓空氣噴氣發動機的X-43A

在設計高超聲速巡航導彈推進系統時，碳氫燃料比氫氣更具吸引力。碳氫燃料不難處理，成本低，能量體（積）密度高。然而，發動機設計師面臨的挑戰是，由于通過高超聲速沖壓空氣噴氣發動機的氣流速度非常高，很難滿足碳氫燃料汽化、混合和燃燒所需的時間。

波音公司開發的X-51“乘波者”設計用于從B-52飛機上空射，高度約為15240米（50000英尺）。與洛克希德·馬丁公司的MGM-140（ATACMS）陸軍戰術導彈系統類似的固體燃料火箭發動機被用來將導彈的速度提高到接近4.5馬赫，從而可以啟動普惠公司的RocketdyneSJY61碳氫燃料高超聲速沖壓空氣噴氣發動機。前三次飛行均未成功，但在2013年5月1日，最后一枚巡航導彈使用啟動后的高超聲速沖壓發動機飛行了210秒，速度達到5.1馬赫（5400千米/小時）。

B-52“同溫層堡壘”轟炸機機翼下的X-51“乘波者”

據報道，在HAWC空基高超聲速巡航導彈計劃框架內，DARPA和美國空軍于2021年9月成功試飛了雷聲技術公司的技術演示器。在空中發射后，該導彈使用了固體燃料助推器，然后成功啟動了以碳氫化合物為燃料的高超聲速沖壓空氣噴氣發動機，并演示了5馬赫的飛行速度。洛克希德·馬丁公司研制的第二種構型的飛行器于2022年初成功完成了測試。它使用AerojetRocketdyne巡航發動機，飛行速度超過5馬赫，高度超過19812米（65000英尺），飛行距離超過500千米。

美國空軍在2021年底發布了一份3.71億美元的計劃項目概要，該項目旨在開發和演示機載高超聲速系統。該項目被稱為Mayhem，旨在為新發動機概念研制一次性試驗臺，如渦輪聯合推進系統和雙模噴氣發動機，能夠在亞音速、超音速和高超聲速狀態下運行。

俄羅斯高超聲速飛行技術

據西方消息人士稱，俄羅斯3M22“鋯石”（SS-N-33）是一種配備高超聲速沖壓空氣噴氣發動機的巡航導彈。固體燃料助推器將其加速到超音速，然后噴氣發動機（據報道使用碳氫燃料）將高超聲速巡航導彈加速到9馬赫的巡航速度。最初的型號供俄羅斯海軍使用。該產品已在“戈爾什科夫海軍元帥”號護衛艦、“北德文斯克”號核潛艇和陸基海岸防御系統上進行了測試?！颁喪庇糜诠?000千米范圍內的海上或陸地目標。

據公開消息稱，俄羅斯的“奧斯特羅塔”（“銳利”）空基高超聲速巡航導彈計劃于2022年進行首次飛行試驗，用于裝備蘇-34和圖-22M3轟炸機。該導彈由以別列茲尼亞克命名的“彩虹”國家機械制造設計局公司研制，使用了由圖拉耶沃“聯盟”機械制造設計局設計的“產品7”新型推進系統。國外注意到了俄羅斯媒體有關該導彈細節及其推進系統的報道。預計“奧斯特羅塔”的質量不到1000千克，射程為幾百千米。

3M22“鋯石”高超聲速導彈

媒體還提到了一種遠程空射高超聲速導彈，代號“小精靈”。該導彈的推進系統由圖拉耶沃“聯盟”機械制造設計局負責研制，發動機代號為“產品70”。

在高超聲速飛行領域，俄羅斯和法國之間的合作備受矚目。MBDA集團與法國航空航天研究中心（ONERA）合作，按計劃繼續研制法國目前的ASMP空基核導彈。據稱，未來的研發可能采取能夠以高超聲速飛行的武器形式。在這個被稱為“LEA”的項目框架內，正在研發一種試驗性高超聲速演示器，計劃于2014年-2015年在俄羅斯協助下進行飛行試驗。LEA演示器將從圖-22M3轟炸機上發射，然后利用經過改裝的Kh-22“彩虹”空射反艦導彈液體燃料推進系統加速到與高超聲速沖壓空氣噴氣發動機相匹配的速度。后來的計劃要求在美國東海岸對LEA進行飛行測試，但至今尚未實現。

印度的努力

為了將高超聲速技術演示器（HSTDV）加速到支持高超聲速沖壓空氣噴氣發動機工作的速度，印度國防研究與發展實驗室使用了“烈火”（AGNI-I）中程彈道導彈的火箭發動機作為助推器。在2019年6月12日進行的試飛中，巡航導彈在高超聲速沖壓空氣噴氣發動機的幫助下以6馬赫的速度飛行。在2020年9月7日的發射中，使用高超聲速沖壓空氣噴氣發動機以近2千米/秒的速度飛行了20秒。

在海平面上，5馬赫的速度相當于約5600-6000千米/小時，在高空逐漸降低約5-6%。常規亞音速巡航導彈的飛行速度約為0.6-0.7馬赫，因此從發射到與約1200千米外的目標相撞的總飛行時間約為一小時。以5馬赫速度飛行的高超聲速洲際彈道導彈可在約10分鐘內飛越這一距離。但無論高超聲速威脅是基于高超聲速滑翔器還是高超聲速巡航導彈技術，高速、高空、機動性和最短預警時間加起來都將給目前最先進的防空兵器帶來壓力。

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