臨近空間高超聲速飛行器發展現狀及其防御問題分析

梁曉庚+田宏亮

摘要： 臨近空間高超聲速武器對未來空天安全構成重大威脅， 因此其防御武器的研究是當前防空技術研究領域的熱點。 介紹了當前軍事強國在臨近空間高超聲速飛行器研究領域的發展狀況， 重點分析了美軍的臨近空間高超聲速飛行器的發展思路和正在進行的項目。 在系統歸納當前臨近空間高超聲速武器的發展現狀和作戰特點的基礎上， 提出了對防空系統的頂層能力需求， 可為未來防空體系需求研究提供參考。

關鍵詞： 臨近空間； 高超聲速飛行器； 發展現狀； 防空； 關鍵技術

中圖分類號： V271.4文獻標識碼： A文章編號： 1673-5048（2016）04-0003-08

Abstract： Near space hypersonic weapon will be the significant threat for space security in the future， so the study of antihypersonic weapon in near space is hot issue in the research field of air defense technology. The development status of worlds powerful nations in the research field of near space hypersonic vehicle are presented.The key analysis is aimed at the idea of U.S. about the development of near space hypersonic vehicle and its items which is in progress.Based on the development status and operational characteristic of near space hypersonic vehicle， the demand for the top level of the air defense system is proposed， which can provide reference for the reasearch of furture air defense system.

Key words： near space； hypersonic vehicle； development status； air defense； key technology

0引言

近年來， 情報信息、 指揮控制、 火力打擊等各種作戰手段在臨近空間逐步發展， 使得由空到天過渡和結合的臨近空間成為未來作戰的重要領域。 根據推進系統發動機分類， 高超聲速飛行器主要分為兩大類： 一類基于火箭發動機， 另一類基于吸氣式發動機。 前者目前技術已較為成熟， 后者從總體上看還處于關鍵技術攻關和演示驗證階段， 其中美國在這方面的研究處于世界領先地位[1]。 本文針對臨近空間高超聲速飛行器發展現狀及其防御問題開展分析。

1國外臨近空間高超聲速飛行器發展現狀1.1美國臨近空間高超聲速飛行器發展現狀

高超聲速飛行器是美國最為重視的未來飛行器種類之一。 [2]20世紀50年代中期， 超聲速燃燒試驗的成功以及超燃沖壓發動機概念的提出帶來了高超聲速飛行器發展的第一個高峰。[3] 1986年， 在超燃技術取得進展后美國開始國家空天飛機計劃（NASP）， 從此高超聲速飛行器發展進入了一個新的研究高潮。

2001年， NASA和美國國防部聯合提出了“國家航空航天倡議” （NAI）， 建議美國發展吸氣式高超聲速飛行器， 分為三個步驟：前期重點發展高超聲速巡航導彈； 中期重點發展高超聲速轟炸機； 遠期發展重復使用的航天運載器。 2008年2月， 美國國防部向國會遞交了《國防部高超聲速計劃路線圖》， 目的是為美軍提供未來的先進作戰能力， 即打擊/持久作戰能力、 空中優勢/防御能力、 快速進入空間能力[3]。

航空兵器2016年第4期梁曉庚等： 臨近空間高超聲速飛行器發展現狀及其防御問題分析美國在臨近空間領域開展了大量的關鍵技術演示驗證試驗， 不斷解決實用化過程中出現的問題， 其典型的臨近空間高超聲速飛行器如表1所示。

1.1.1X-51A計劃

X-51A是2003年美國空軍研究實驗室（AFRL）與美國國防高級研究計劃局（DARPA）聯合主持研制的一類乘波體飛行器， 基于HyTech計劃中的PTE/GDE-1和GDE-2發動機， 普惠公司制造了X-51A試飛器的動力裝置， 如圖1所示。

2010年5月26日， X-51A進行了第一次飛行試驗， 由于遙測信號丟失， 終止飛行， 超燃沖壓發動機工作了143 s； 2011年6月13日， X-51A進行了第二次飛行試驗， 由于超燃沖壓發動機的進氣道無法正常啟動， 飛行試驗被迫提前終止； 2012年8月14日， X-51A進行了第三次飛行試驗， 超燃沖壓發動機無法點火， 試驗失??； 2013年5月1日， 美國空軍X-51A乘波者試驗項目最后一次飛行試驗獲得突破性進展， 6 min飛越了426 km。 當飛行速度馬赫數超過4.8， X-51A與固體火箭脫離， 并成功完成了一個平緩的180°滾轉機動， 隨后點燃雙模態沖壓發動機。 經過240 s， 燃料耗盡， 最大飛行速度馬赫數為5.1， 然后又滑行幾分鐘。 美國空軍稱：“首次在世界上取得超燃沖壓發動機長時間持續超聲速燃燒的成功， 首次取得了最接近應用的重大突破， 是具有里程碑意義的技術發展?！?本次試驗比前三次的結果雖好， 但并未達到預期目標。 X-51A的飛行試驗原定目標是飛行速度馬赫數達到6～6.5， 發動機工作時間達到300 s， 而目前的速度用固體火箭發動機或亞燃沖壓發動機就可以達到類似結果[4]。

1.1.2Hyper-X計劃

單級入軌的空天飛機（NASP）計劃失敗后， NASA繼續執行了一項規模較小的飛行演示驗證（Hyper-X）計劃。 Hyper-X計劃驗證用于高超聲速飛機與可重復使用的天地往返系統的超燃沖壓發動機技術與一體化設計技術。 Hyper-X的第一個無人高超聲速驗證機是X-43A， 如圖2所示， 用于驗證小型氫燃料超燃沖壓發動機。

2001年6月2日， X-43A第一次試飛由于飛馬座助推火箭出現故障導致失??； 2004年3月27日， X-43A第二次試飛取得了成功， 超燃沖壓發動機在27 km高空實現超聲速燃燒10 s， 飛行速度馬赫數達到7； 2004年11月15日， X-43A第三次試飛試驗成功， 在35 km高空實現飛行速度馬赫數9.8[5-6]。

X-43A的飛行試驗雖然成功， 但其飛行速度是固定不變的（馬赫數7或10）。 由于其技術水平仍與實現空天飛機的距離甚大， NASA放棄了后續以空天飛機為目標的X-43B， X-43C等計劃。

1.1.3Falcon計劃

2003年， 美國制定了“從本土實施武力發送與應用”技術驗證計劃， 即獵鷹（Falcon）計劃。 獵鷹計劃初期目標是研制一次性小型運載火箭（SLV）和通用氣動飛行器（CAV）。 之后， CAV改名為高超聲速技術飛行器（HTV）。 HTV重點在高空驗證高超聲速空氣動力學、 長時間高超聲速飛行下的制導、 導航與控制技術等。 洛克希德·馬丁公司的臭鼬團隊研制的飛行器HTV-2， 進行了兩次飛行試驗。 而HTV-1和HTV-3相繼被撤銷。 Falcon計劃發展路線圖如圖3所示。

在Falcon計劃框架內， 于2010年4月， 進行了HTV-2（獵鷹）高超聲速飛行器首次試驗， 發射9 min后， 與地面控制站失去聯系， 試驗失敗。 2011年8月， HTV-2升空半小時后與地面失去聯系， 第二次試飛失敗。

美國DARPA已經決定不再進行HTV-2的第三次試驗， 并于2012年7月發布招標綜合高超聲速（IH）計劃， 計劃首次進行“高超聲速滑翔飛行器（HGV）”飛行試驗， 計劃還將進一步進行全尺寸的Hypersonic-X飛行器試驗。 在2014財年IH的經費支持被停止。

1.1.4ArcLight計劃

2010年7月， DARPA與海軍聯合， 啟動了弧光（ArcLight）項目， 旨在演示驗證無動力高超聲速滑翔技術， 設計、 制造能夠對遠程、 時間敏感目標進行快速打擊的助推-滑翔式高超聲速導彈， 并進行了相關試驗。 該項目的實施， 將增強美國海軍利用常規武器應對戰術、 遠距離、 時間敏感目標的能力。[7] 其助推器在現有標準-3導彈基礎上改進而來， 并發展一種新的高超聲速滑翔器， 如圖4所示。

1.1.5陸軍的高超聲速計劃

2011年11月17日， 美國陸軍航天與導彈防御司令部和陸軍戰略司令部進行了“先進高超聲速武器”（AHW）的首次飛行試驗， 飛行3 900 km最終擊中里根試驗場的目標[8]。 2014年8月25日， 第二次試驗由于導彈發射后不久出現故障， 被主動引爆炸毀。 根據簡氏數據庫資料， AHW飛行器利用三級推進火箭發射， 助推系統和高超聲速滑翔（HGB）采用帶有小翼的錐形設計， 見圖5， 其質量約18 t， 戰斗部約400 kg， 長度小于10 m， 具有在35 min內完成6 000 km射程的飛行性能， 精度小于10 m[9]。 盡管第二次飛行試驗失敗， 美國政府仍然堅持AHW項目， 美國國防部2015財年對AHW項目的實際經費超過7 000萬美元， 并計劃2017年和2019年再進行兩次試驗。

1.1.6HSSW計劃

2012年， 美國艾格林空軍基地的空軍研究實驗室（AFRL）發布了“高速打擊武器（HSSW）驗證”項目的公告。 2014年3月發布的《美國空軍2015財年科學與技術》報告披露， 空軍將在X-51A的基礎上通過分階段投資發展高超聲速技術， 近期將圍繞高生存能力和時敏打擊能力發展， 遠期將發展跨區域情報、 監視與偵查（ISR）和打擊平臺， 工作重點就是HSSW項目。[10] 美空軍通過與DARPA聯合支持HSSW項目， 旨在發展高超聲速巡航導彈技術， 并將并行開展兩套綜合技術驗證：一是吸氣式導彈戰技術相關驗證； 二是通過助推-滑翔式導彈項目發展并驗證快速遠程打擊能力。 吸氣式導彈HAWC項目， 由DARPA和美國空軍聯合實施， 對高效、 低成本空射型高超聲速巡航導彈的關鍵技術進行飛行演示驗證， 以實現快速遠程打擊能力， 2014～2015 財年DARPA為HAWC項目分別撥款1 500萬元和2 500萬元（空軍預算投入不詳）； “戰術助推-滑翔”（TBG）項目由DARPA提出， 為射程1 852 km的空射型助推-滑翔導彈， 2014～2015 財年DARPA為TBG項目分別撥款2 800萬元和1 500萬元（空軍預算投入不詳）。 兩種HSSW項目如圖6所示。

HSSW項目計劃分為3個階段， 共計74個月。 第一階段進行初始技術驗證武器系統設計、 零部件測試及建模仿真； 第二階段進行最終技術驗證武器系統設計、 零部件測試以及建模和仿真； 第三階段進行制造及裝配、 技術驗證武器系統測試及建模仿真。

另外， 2013年， 美國洛克希德·馬丁公司披露了其秘密進行的SR-72高超聲速無人偵察機的研制工程[11]， 但軍方未對SR -72做出任何表態。 SR -72如圖7所示。

未來將分兩個階段實施SR-72的研制和試驗工作。[12]

第一階段： 2018年研制一架完全自由選擇的有人駕駛飛行研究機（FRV）， 2023年實現首飛。 FRV長約18.3 m， 尺寸與F-22相當， 配備單臺全尺寸發動機， 能夠以馬赫數6的速度飛行數分鐘。

第二階段： 研制實用型SR-72高超聲速飛機， 2030年投入使用。 SR-72尺寸和航程都與SR-71接近， 長約30.5 m， 航程約4 800 km， 但是飛行速度是SR-71的2倍。

美國臨近空間高超聲速計劃發展歷程見圖8。 按照發展路線圖， 美軍將于2015年前完成高速武器系統概念設計、 作戰概念研究工作； 2016財年后， 高超聲速武器系統主要關鍵技術成熟度可達到6級； 預計2020年前后正式裝備部隊， 形成區域打擊和快速遠程打擊能力。

1.2俄羅斯臨近空間高超聲速飛行器發展現狀

俄羅斯臨近空間高超聲速飛行器計劃方案都采用了技術成熟的飛機和導彈作為發射平臺或者改造成為實驗飛行器， 成本低廉， 技術風險小[13-14]。

1.2.1冷計劃

20世紀80， 90年代， 冷計劃由俄羅斯巴拉諾夫中央航空發動機研究院和如科夫斯基中央發動機研究院等單位共同實施。 試飛器為軸對稱形狀， 系統構成包括氫燃料亞燃/超燃沖壓發動機、 燃料監控/測量系統、 遙控系統等。 飛行器總質量為595 kg， 長為4.3 m， 最大直徑為750 mm。 1991～1998年期間， 該計劃共進行了5次驗證性飛行試驗， 由SA-5地空導彈發射。 5次試驗的成功之處包括：（1） 實現了亞聲速燃燒向超聲速燃燒的轉變； （2） 飛行速度馬赫數最高達6.5； （3） 獲得了馬赫數3.5～6.45的飛行速度和高動壓條件下有關亞聲速燃燒和超聲速燃燒的飛行試驗數據。

1.2.2針-31計劃

針-31計劃的試飛器由C-300A防空導彈系統的48H6導彈改型而來， 試驗由米格-31戰斗機發射。 在其前彈體外側， 對稱安裝2臺試驗用超燃沖壓發動機（雙模態發動機， 馬赫數5～6）， 后彈體部分為助推器， 前后彈體可以分離。

1.2.3IGLA計劃

IGLA計劃由俄羅斯中央航空發動機研究院和中央空氣動力研究院共同發展。 IGLA試飛器為升力體布局， 機體下方配置3臺二維三模態再生致冷超燃沖壓發動機。 2001年和2004年都曾進行試驗， 試驗中都使用白楊/鐮刀（SS-25）導彈作為助推器， 如圖9所示。

1.2.4彩虹-D2計劃

彩虹-D2計劃由俄羅斯彩虹設計局和巴拉諾夫中央航空發動機研究院共同開展。 該高超聲速飛行器是用長為11.3 m、 直徑為0.9 m、 翼展為3.6 m的AS-4空地導彈改裝的， 發動機長為6 m， 飛行速度馬赫數為2.5～6.5， 射程為570 km， 飛行高度為15～30 km， 最大飛行時間為70 s。

俄羅斯臨近空間高超聲速計劃發展歷程， 如圖10所示。

1.3其他國家臨近空間高超聲速飛行器發展現狀

法國國防部1992年就開始實施一項耗資3.8億美元的吸氣式高超聲速推進技術研究計劃（PREPHA）。 目前已成功研制了馬赫數為7.5的超燃沖壓發動機， 開展的臨近空間高超聲速項目主要是Promethee導彈計劃和LEA計劃。

德國的高超聲速導彈（HFK）于2002年2月進行了一次低空飛行試驗， 導彈達到了馬赫數6.61的飛行速度； 于2003年8月進行了第二階段飛行試驗， 速度達到馬赫數7以上， 這次試驗是HFK計劃的最后一次試驗。 德國航天局（DLR）進行的“高超聲速尖銳前緣飛行試驗”（SHEFEX）計劃中， SHEFEX 1飛行試驗于2005年10月27日獲得成功； 2012年6月22日， SHEFEX 2獲得成功[15]。 SHEFEX 2飛行器如圖11所示。

法國和德國臨近空間高超聲速計劃發展歷程如圖12～13所示。

此外， 英國、 印度、 澳大利亞、 日本和韓國等國都開展了自己的超高聲速計劃。[15]

2臨近空間高超聲速飛行器防御探討

臨近空間飛行器根據功能分類， 可分為三類平臺： 全球快速到達的高超聲速臨近空間飛行器； 快速打擊時敏目標的高超聲速臨近空間飛行器； 以快速進出空間為背景的高超聲速臨近空間飛行器[16]。

針對反入駐和龐大的后勤保障等制約因素， 美國通過了《美國空軍轉型飛行計劃》， 計劃提出了“從本土運用和投送軍事力量”實施全球精確打擊的武器系統發展思路和計劃。 美國獵鷹（Falcon）計劃為此類飛行器項目， 但美國已停止了對該計劃的經費支持。

以遠程（非全球到達）助推滑翔飛行器為代表的無動力滑翔類高超聲速飛行器越過高超聲速動力等關鍵技術瓶頸， 重點突破氣動外形、 熱防護等關鍵技術， 是有望早日實現工程化的發展途徑。 目前美國財政支持的高超聲速飛行器計劃主要為此類飛行器項目， 具體有： 美國陸空軍的 “戰術助推-滑翔”（TBG）項目、 美國陸軍的AHW項目、 美國海軍的弧光（ArcLight）項目等。 另外， 基于超燃沖壓發動機推進系統的HAWC項目目前也得到了美國財政支持。 美關島地區至北京直線距離按3 700 km計算， 平均飛行速度馬赫數為6的高超聲速巡航導彈僅需飛行34 min， 大大縮短中國防空反導體系的防御反應時間和重要目標的機動規避時間。 因此美國財政目前正在支持研究的高超聲速飛行器如果在第一島鏈和第二島鏈部署， 通過陸基、 空基和?；l射， 可對中國構成直接威脅， 是需要重點研究的防御目標。

2.1臨近空間高超聲速武器作戰特點分析

高超聲速飛行器目前主要由航空飛行器或地（海）基火箭搭載， 達到一定高度后從航空平臺起飛或火箭平臺彈射， 助推段固體火箭發動機工作， 使飛行速度升到一定馬赫數， 之后助推火箭脫離[3]， 超燃沖壓發動機點火， 趨于臨近空間時， 進入無動力巡航飛行， 具體飛行示意圖如圖14所示。

圖14高超聲速飛行器飛行示意圖

臨近空間高超聲速武器作為一種“改變戰爭規則”的新型武器， 對未來國家空天安全形成重大威脅。 臨近空間高超聲速武器典型的攻擊目標如下：打擊核心通信、 指揮樞紐； 打擊戰略機動彈道導彈武器系統； 打擊大型水面艦艇。 總之， 高超聲速武器“速度隱身”， 彈道不確定， 突防能力強， 主要用于對作戰體系內關鍵節點進行點打擊， 達到使敵方作戰體系失效的目的， 從而實現以戰術手段打擊敵方的戰略要點， 摧毀或削弱敵方的戰略攻擊和防御能力。

2.2臨近空間高超聲速飛行器防御技術分析

臨近空間防御和相關機載武器系統還處于概念探索的階段， 雖然部分相關技術具有一定的基礎， 但還達不到技術應用的水平。 現有武器裝備也不具有臨近空間高超聲速目標防御的能力。 就目前的武器系統技術水平來說主要還存在以下問題：

（1） 現有的武器系統在高度上大多難以企及， 防空武器及其平臺的最高作戰高度多處在20～25 km以下， 而臨近空間高超聲速目標均處在25 km以上；

（2） 預警和反應時間不足， 目前還不具備針對臨近空間高超聲速目標的有效快速預警體系， 即使具有特定射高的戰術導彈武器系統， 其反應能力也明顯不足；

（3） 射程和精度存在矛盾， 為彌補反應時間的不足， 增加武器攻擊射程是有效手段之一， 但具有遠射程的武器系統不具有攻擊高速機動目標的精度， 而具有精確殺傷能力的導彈武器通常不具有遠程攻擊的能力；

（4） 對高超聲速目標的精確制導毀傷技術還不成熟， 目前還沒有可供借鑒的在臨近空間內針對高超聲速機動目標的精確毀傷技術， 需要在反導攔截技術的基礎上進行更有針對性的技術改進研究。

基于機載武器的臨近空間高超聲速飛行器防御系統主要包括預警探測系統、 機載探測系統、 攔截武器、 指揮決策中心等； 其中預警指揮通訊系統包括預警探測系統、 綜合指揮與信息處理中心。 反臨作戰過程中需要各個組成部分及各個環節有機配合、 協調一致， 在時間上相互銜接， 在任務上環環相扣， 才能最終實現有效攔截。

（1） 構建高效合理的探測網絡[17]。 對于臨近空間高速飛行目標， 理論上防御系統的探測預警能力須達到800～1000 km， 才能贏得必要的防御作戰反應時間。[18] 因此預警探測需要通過合理部署地基、 ?；?、 空基、 臨基和天基探測器， 綜合紅外、 雷達、 定向能等多模式的探測技術， 構成防空、 防臨近、 防天區域內的全方位、 大縱深預警探測網， 需要具備大空域遠距離快速預警、 大空域遠距離目標探測、 地基雷達低仰角復雜環境下快速檢測、 超高速機動目標精確跟蹤等能力， 其主要特點為適應大氣密度變化強烈的臨近空間復雜環境下大空域、 遠距離、 低仰角、 高精度探測能力。[19]

（2） 構建高速信息處理中心。 預警信息處理要與預警探測系統的能力要求相匹配。 由于預警探測距離遠、 空間覆蓋區域大， 因此探測到的目標數目多、 類別雜， 對信息處理的要求高。 主要體現在： 一是信息處理批次多； 二是信息容量大， 信息處理與目標分選困難； 三是要實現目標識別和威脅預判難度較大， 或將是系統的瓶頸之一。 預警信息傳輸需要解決預警探測系統、 指揮決策系統、 作戰單元之間的互聯互通問題， 實現實時、 準確、 高可靠、 保密的目的。

（3） 建立高性能的指揮控制系統[19]。 對于部署的多種探測和攔截裝置， 需要高性能指揮控制中心實時調配和控制以發揮最大作用。 指揮控制系統需要有較高的自動化水平， 利用高性能計算機、 網絡化技術、 智能技術提高連通性、 協調性和自主決策能力， 合理規劃部署天基、 空基、 地基和?；Y合的防空武器攔截系統， 靈活根據需要， 自動組網， 形成特定戰場態勢圖， 在網絡化情報和信息支援下， 實現對臨近空間飛行器的全程攔截打擊， 形成戰略、 戰役、 戰術行動的一體化指揮、 攔截網。

（4） 研發高精度快響應空/臨基攔截彈。 美國NCADE等項目設計時以中近程助推段/上升段的彈道導彈為主要目標， 與彈道導彈助推段相比， 臨近空間高空高速飛行器在飛行高度30 km左右、 飛行速度馬赫數4～8時均小于彈道導彈關機點（約100 km）， 因此在射程和速度能力上， 攔截助推段彈道導彈的武器也可對高空高速臨近空間飛行器進行截擊。 空基攔截系統具有靈活性、 研發成本低、 部署方便、 遠程攔截和快速響應等優勢。 因此基于現有空空導彈進行改進， 實現機載導彈在臨近空間具有協同作戰、 高精度快響應制導控制、 遠程高精度自尋的和高效毀傷等能力， 是一個低風險、 高效益的防御臨近空間高超聲速目標的技術途徑。

3結論

由空到天過渡和結合的臨近空間在未來的制空、 制天權爭奪中具有核心的戰略地位。 當前， 各軍事強國都在臨近空間高超聲速飛行器研究領域不斷取得新的進展， 臨近空間逐步成為各國爭奪的重要戰場。 各類臨近空間高超聲速武器必將逐步走向戰場， 將給空天安全帶來新的威脅。 為有效應對挑戰， 應沿著非對稱發展原則的思路， 開展臨近空間高超聲速目標防御武器系統研究。 機載攔截導彈研制既有利于完善中國的臨近空間防御體系， 又可為臨近空間高速飛行器目標防御武器系統的研制提供技術支撐， 是一個低風險、 高效益的可行途徑。

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