編者按：本文是高超聲速飛行推進(jìn)系統(tǒng)專題文章，給出了高超聲速飛行總體概念，確定了適合實(shí)現(xiàn)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(dǎo)彈（HCM），確定了其飛行可使用火箭發(fā)動機(jī)或高超聲速空氣噴氣發(fā)動機(jī)。此外，啟動高超聲速沖壓空氣噴氣發(fā)動機(jī)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(shí)現(xiàn)。

正文：

追求更高的速度一直是飛機(jī)和火箭推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展動力。對至少5馬赫的大氣層內(nèi)飛行速度的需求不斷增長，導(dǎo)致出現(xiàn)了所謂的新的高超聲速飛行創(chuàng)新性解決方案。

實(shí)現(xiàn)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(jī)為例，該飛機(jī)配備了火箭發(fā)動機(jī)，早在20世紀(jì)60年代就能夠達(dá)到高超聲速飛行。但正是由于其試驗性質(zhì)，它并不能代表有發(fā)展前景的高超聲速飛行長期解決方案。據(jù)稱，迄今為止還沒有軍用飛機(jī)或無人駕駛飛行器進(jìn)行過高超聲速飛行。

B-52轟炸機(jī)機(jī)翼下的NASAX-15試驗飛機(jī)

1986年，美國開始實(shí)施一項雄心勃勃的計劃，開發(fā)能夠進(jìn)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(jī)（NationalAeroSpacePlane，NASP）。作為一個先進(jìn)技術(shù)示范項目，羅克韋爾公司的X-30計劃由一個燃燒液氫的內(nèi)置高超聲速沖壓式空氣噴氣發(fā)動機(jī)提供動力。

當(dāng)時蘇聯(lián)的答案是圖波列夫設(shè)計局的圖-2000。據(jù)推測，圖-2000配備一套復(fù)雜程度略小的推進(jìn)系統(tǒng)，由四臺渦輪噴氣發(fā)動機(jī)、一臺沖壓噴氣發(fā)動機(jī)和兩臺液體火箭發(fā)動機(jī)組成。這些計劃都沒有制造出原型機(jī)。NASP和圖-2000項目都于1993年終止。

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

導(dǎo)彈的高超聲速飛行

因此，目前只有導(dǎo)彈/火箭能實(shí)現(xiàn)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(dǎo)彈就實(shí)現(xiàn)了接近5馬赫的速度。關(guān)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(nèi)多個目標(biāo)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(dǎo)彈，該導(dǎo)彈是9K720‘伊斯坎德爾’陸基導(dǎo)彈（北約代號為SS-26‘石頭’）的改型。”他們堅信“匕首”導(dǎo)彈的推進(jìn)系統(tǒng)和有效載荷與陸基武器相同。

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

高超聲速飛行器

高超聲速導(dǎo)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(dǎo)高超聲速滑翔器（HypersonicGlide Vehicles，HGV）。第二類更復(fù)雜的武器是配備空氣噴氣動力裝置的高超聲速巡航導(dǎo)彈（HCM）。

顧名思義，高超聲速滑翔器的能量全部來自火箭發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的初始脈沖。初始脈沖一旦結(jié)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(yùn)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(dá)目標(biāo)。

HGV的空氣動力外形設(shè)計用于在稀薄大氣中產(chǎn)生升力，如果飛行器進(jìn)行機(jī)動，升力等于或略大于其重量。當(dāng)遇到迎面阻力時，能量將開始消散，導(dǎo)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(yuǎn)的航程，可在HGV上安裝小型火箭發(fā)動機(jī)或其他推進(jìn)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(tài)控制或方向控制。不可避免的是，在這些補(bǔ)充能力、增加的質(zhì)量和飛行器結(jié)構(gòu)之間需要權(quán)衡。

據(jù)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(tǒng)進(jìn)入高超聲速飛行的最簡單方法”——在現(xiàn)有彈道導(dǎo)彈上安裝一個或多個滑翔體作為有效載荷。據(jù)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(dǎo)彈（SS-19Mod 3“短劍”）上，并從奧倫堡州的一個基地發(fā)射。2016年10月，R-36M2重型洲際彈道導(dǎo)彈（SS-18Mod 5 “撒旦”）從同一平臺發(fā)射，據(jù)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(dǎo)彈系統(tǒng)

“先鋒”長5.4米，重約2000千克，可攜帶核彈頭或常規(guī)彈頭。它被用作UR-100UTTKh、R-36M2和新型RS-28“薩爾馬特”洲際彈道導(dǎo)彈的分導(dǎo)式多彈頭（MIRV）有效載荷。據(jù)西方專家推測，盡管“先鋒”沒有獨(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。其接近目標(biāo)時的速度約為20-27馬赫。

使用現(xiàn)有彈道導(dǎo)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(dǎo)彈在必要時進(jìn)行改裝以適應(yīng)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(chǎn)品類似。據(jù)信，其是使用朝鮮“火星”-12中程彈道導(dǎo)彈的縮短版發(fā)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(fā)動機(jī)的高超聲速巡航導(dǎo)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(shè)計的發(fā)動機(jī)。2021年年中，在美國國防高級研究計劃局（DARPA）“作戰(zhàn)火力”(OpFires)計劃框架內(nèi)，美國AerojetRocketdyne公司開發(fā)的第二級節(jié)流固體推進(jìn)劑發(fā)動機(jī)成功完成了全尺寸靜態(tài)試驗，展示了按需終止提供推力的技術(shù)。

根據(jù)洛克希德·馬丁導(dǎo)彈與火控系統(tǒng)公司的合同變更條款，“作戰(zhàn)火力”項目已進(jìn)入第3b階段。在該項目框架內(nèi)計劃研制地基中程高超聲速導(dǎo)彈并進(jìn)行飛行試驗。據(jù)專家解釋稱，從適合快速部署和轉(zhuǎn)移的機(jī)動式地面發(fā)射平臺發(fā)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(fā)動機(jī)的多級配置用來發(fā)射HIFiRE2（高超聲速國際飛行研究試驗計劃-2）產(chǎn)品，并使其達(dá)到啟動高超音速沖壓式空氣噴氣發(fā)動機(jī)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(jìn)行了第一級固體燃料火箭發(fā)動機(jī)的地面測試，該發(fā)動機(jī)分別為美國海軍和陸軍的常規(guī)快速打擊（CPS）和遠(yuǎn)程高超聲速武器（LRHW）項目而設(shè)計。CPS和LRHW預(yù)計將共用一種適合從水面艦艇、潛艇和陸基機(jī)動發(fā)射裝置發(fā)射的導(dǎo)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(dǎo)彈概念：空射快速反應(yīng)武器（AARW）和高超聲速常規(guī)打擊武器（HCSW）。

在AARW計劃框架下開發(fā)的AGM-183在2020年初得到優(yōu)先考慮。AGM-183比HCSW更小，可搭載在F-15“鷹”式戰(zhàn)斗機(jī)的中線掛架上。據(jù)報道，用于保護(hù)高超聲速滑翔體有效載荷的圍殼在運(yùn)載導(dǎo)彈燃料燃盡并達(dá)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(fā)射平臺（B-52H“平流層堡壘”轟炸機(jī)）分離，要么分離但未能啟動助推器。2022年5月14日進(jìn)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(hù)裝置拋掉后的AGM-183

沖壓式空氣噴氣發(fā)動機(jī)

自噴氣時代開始以來，人們一直在尋找一種能夠?qū)崿F(xiàn)更高速度的空氣推進(jìn)系統(tǒng)。加力渦輪噴氣發(fā)動機(jī)或渦輪風(fēng)扇發(fā)動機(jī)滿足了2馬赫及以上超音速飛行的需要。然而，當(dāng)速度接近或超過3馬赫時，這種技術(shù)幾乎無法應(yīng)對。

在3馬赫或更高的速度下，沖壓空氣噴氣發(fā)動機(jī)是一種有效的推進(jìn)系統(tǒng)。它的結(jié)構(gòu)相對簡單，依靠發(fā)動機(jī)的前進(jìn)運(yùn)動產(chǎn)生推力。進(jìn)氣口的設(shè)計目的是在超音速氣流進(jìn)入燃燒室之前將其壓縮并減速至亞音速。隨著沖突噴氣發(fā)動機(jī)飛行所需的速度的增加，進(jìn)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(shù)配備沖壓噴氣發(fā)動機(jī)的飛行器飛行速度不超過4.5馬赫。

NASA高超聲速飛機(jī)

高超聲速噴氣發(fā)動機(jī)

為了達(dá)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(fā)動機(jī)低得多。這樣可以將溫度升高降到最低。因此，燃燒室的設(shè)計必須能夠承受超音速氣流。由此產(chǎn)生的推進(jìn)系統(tǒng)被歸類為超音速燃燒沖壓式空氣噴氣發(fā)動機(jī)。該術(shù)語通常稱為“高超音速沖壓式空氣噴氣發(fā)動機(jī)”。

就獲得高超聲速推力而言，高超音速沖壓式空氣噴氣發(fā)動機(jī)比火箭發(fā)動機(jī)更有效。它們能夠持續(xù)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(wù)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(dá)到相同的射程，配備高超聲速沖壓空氣噴氣發(fā)動機(jī)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(dǎo)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(dá)到足以使高超聲速沖壓空氣噴氣發(fā)動機(jī)工作的最低速度。啟動后，高超聲速沖壓空氣噴氣發(fā)動機(jī)可將導(dǎo)彈加速到計劃巡航速度，然后保持該速度飛向目標(biāo)。高超聲速巡航導(dǎo)彈（HCM）的飛行高度可能在20至30千米之間，這部分是由推進(jìn)系統(tǒng)需要保持足夠的推進(jìn)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(jī)在氫氣噴氣發(fā)動機(jī)的驅(qū)動下以7馬赫的速度飛行，創(chuàng)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(qū)動的X-43A在約33528米（11萬英尺）的高空達(dá)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(fā)動機(jī)的X-43A

在設(shè)計高超聲速巡航導(dǎo)彈推進(jìn)系統(tǒng)時，碳?xì)淙剂媳葰錃飧呶ΑＬ細(xì)淙剂喜浑y處理，成本低，能量體（積）密度高。然而，發(fā)動機(jī)設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)是，由于通過高超聲速沖壓空氣噴氣發(fā)動機(jī)的氣流速度非常高，很難滿足碳?xì)淙剂掀⒒旌虾腿紵璧臅r間。

波音公司開發(fā)的X-51“乘波者”設(shè)計用于從B-52飛機(jī)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(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈系統(tǒng)類似的固體燃料火箭發(fā)動機(jī)被用來將導(dǎo)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?xì)淙剂细叱曀贈_壓空氣噴氣發(fā)動機(jī)。前三次飛行均未成功，但在2013年5月1日，最后一枚巡航導(dǎo)彈使用啟動后的高超聲速沖壓發(fā)動機(jī)飛行了210秒，速度達(dá)到5.1馬赫（5400千米/小時）。

B-52“同溫層堡壘”轟炸機(jī)機(jī)翼下的X-51“乘波者”

據(jù)報道，在HAWC空基高超聲速巡航導(dǎo)彈計劃框架內(nèi)，DARPA和美國空軍于2021年9月成功試飛了雷聲技術(shù)公司的技術(shù)演示器。在空中發(fā)射后，該導(dǎo)彈使用了固體燃料助推器，然后成功啟動了以碳?xì)浠衔餅槿剂系母叱曀贈_壓空氣噴氣發(fā)動機(jī)，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(gòu)型的飛行器于2022年初成功完成了測試。它使用AerojetRocketdyne巡航發(fā)動機(jī)，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(fā)布了一份3.71億美元的計劃項目概要，該項目旨在開發(fā)和演示機(jī)載高超聲速系統(tǒng)。該項目被稱為Mayhem，旨在為新發(fā)動機(jī)概念研制一次性試驗臺，如渦輪聯(lián)合推進(jìn)系統(tǒng)和雙模噴氣發(fā)動機(jī)，能夠在亞音速、超音速和高超聲速狀態(tài)下運(yùn)行。

俄羅斯高超聲速飛行技術(shù)

據(jù)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(fā)動機(jī)的巡航導(dǎo)彈。固體燃料助推器將其加速到超音速，然后噴氣發(fā)動機(jī)（據(jù)報道使用碳?xì)淙剂希⒏叱曀傺埠綄?dǎo)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(chǎn)品已在“戈爾什科夫海軍元帥”號護(hù)衛(wèi)艦、“北德文斯克”號核潛艇和陸基海岸防御系統(tǒng)上進(jìn)行了測試。“鋯石”用于攻擊1000千米范圍內(nèi)的海上或陸地目標(biāo)。

據(jù)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(dǎo)彈計劃于2022年進(jìn)行首次飛行試驗，用于裝備蘇-34和圖-22M3轟炸機(jī)。該導(dǎo)彈由以別列茲尼亞克命名的“彩虹”國家機(jī)械制造設(shè)計局公司研制，使用了由圖拉耶沃“聯(lián)盟”機(jī)械制造設(shè)計局設(shè)計的“產(chǎn)品7”新型推進(jìn)系統(tǒng)。國外注意到了俄羅斯媒體有關(guān)該導(dǎo)彈細(xì)節(jié)及其推進(jìn)系統(tǒng)的報道。預(yù)計“奧斯特羅塔”的質(zhì)量不到1000千克，射程為幾百千米。

3M22“鋯石”高超聲速導(dǎo)彈

媒體還提到了一種遠(yuǎn)程空射高超聲速導(dǎo)彈，代號“小精靈”。該導(dǎo)彈的推進(jìn)系統(tǒng)由圖拉耶沃“聯(lián)盟”機(jī)械制造設(shè)計局負(fù)責(zé)研制，發(fā)動機(jī)代號為“產(chǎn)品70”。

在高超聲速飛行領(lǐng)域，俄羅斯和法國之間的合作備受矚目。MBDA集團(tuán)與法國航空航天研究中心（ONERA）合作，按計劃繼續(xù)研制法國目前的ASMP空基核導(dǎo)彈。據(jù)稱，未來的研發(fā)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(nèi)，正在研發(fā)一種試驗性高超聲速演示器，計劃于2014年-2015年在俄羅斯協(xié)助下進(jìn)行飛行試驗。LEA演示器將從圖-22M3轟炸機(jī)上發(fā)射，然后利用經(jīng)過改裝的Kh-22“彩虹”空射反艦導(dǎo)彈液體燃料推進(jìn)系統(tǒng)加速到與高超聲速沖壓空氣噴氣發(fā)動機(jī)相匹配的速度。后來的計劃要求在美國東海岸對LEA進(jìn)行飛行測試，但至今尚未實(shí)現(xiàn)。

印度的努力

為了將高超聲速技術(shù)演示器（HSTDV）加速到支持高超聲速沖壓空氣噴氣發(fā)動機(jī)工作的速度，印度國防研究與發(fā)展實(shí)驗室使用了“烈火”（AGNI-I）中程彈道導(dǎo)彈的火箭發(fā)動機(jī)作為助推器。在2019年6月12日進(jìn)行的試飛中，巡航導(dǎo)彈在高超聲速沖壓空氣噴氣發(fā)動機(jī)的幫助下以6馬赫的速度飛行。在2020年9月7日的發(fā)射中，使用高超聲速沖壓空氣噴氣發(fā)動機(jī)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(dāng)于約5600-6000千米/小時，在高空逐漸降低約5-6%。常規(guī)亞音速巡航導(dǎo)彈的飛行速度約為0.6-0.7馬赫，因此從發(fā)射到與約1200千米外的目標(biāo)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(dǎo)彈可在約10分鐘內(nèi)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(dǎo)彈技術(shù)，高速、高空、機(jī)動性和最短預(yù)警時間加起來都將給目前最先進(jìn)的防空兵器帶來壓力。

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