高超声速导弹的动力选择及展望（下）
GEZ行星开发基金会
资助并推动宇航科技创新与太空经济活动2020-12-07 13:01
前几天香港记者搞出了斜爆震发动机的大新闻，但是连基本术语都搞错了，应该是“驻定斜爆震发动机”而不是“站立斜爆震发动机”，意思是斜爆震波停留在一个固定位置。虽然sodramjet在风洞中点火成功是个比较引人注意的进展，然而这毕竟是一种理想条件下的实验，后续实用化还需解决很多问题。本文接着上篇--高超声速导弹的动力选择及展望（上）继续介绍高超导弹的动力及发展前景，包括斜爆震发动机。
3.发展前景
吸气式导弹的结构复杂，研发成本和制造成本都明显高于助推滑翔导弹。助推滑翔导弹的外形加工成本可能比较高，然而弹道导弹的弹头和固体发动机成本也不低，两者的制造成本可能相差不大。技术成熟度越低，研发成本越高，因此斜爆震发动机的研发成本最高。
滑翔弹的技术已经成熟，滑翔器本身的性能提升潜力是有限的，先进国家的研究重点可能已经转入导弹整体的性能优化，并研制更多的型号。目前东风17大概能达到10倍声速，更高的速度就需要更扁平的无垂尾构型，因此有必要研制一款15倍声速以上的机动发射中远程导弹，可以命名为东风27。东风5改进型已经配备了高超滑翔器，新的井射液体导弹可能要配备多个滑翔弹头，类似俄罗斯萨尔马特导弹的设想。正如一句名言，饱和攻击是所有武器战法的基本要求。不管反导技术如何发展，应该先把进攻弹头的数量提上去。
多弹头能力可能是高超滑翔弹下一步的研发重点
吸气式导弹需要继续提升发动机性能，尤其是强化机动性以满足未来的反导需求。当前水平的拦截弹，即使配备多个拦截器，依然难以拦截高超导弹，其原因除了高超导弹的飞行高度、隐蔽性和轨迹多变带来的困难，根本上还是火箭发动机的机动能量不足。如果拦截器有足够的动力，完全可以在滑翔器的稳定飞行段或者吸气式导弹的巡航段进行拦截。这里需要补充一点，即拦截弹的速度没有必要比来袭导弹快很多。一般来说，拦截弹的机动过载达到高超导弹的3倍以上，速度超过高超导弹的0.5倍就行。
滑翔弹头用于反导，需要解决能量不足的问题。对于Ma10以下的来袭导弹，拦截弹勉强可以使用火箭动力，使用多弹头拦截器。对于Ma15以上的来袭导弹，拦截弹应使用吸气式动力。为了克服吸气式导弹机动过载的限制，可以用吸气式发动机助推拦截器达到一定速度和高度，分离释放出拦截器。如果难以实现直接碰撞杀伤，可以考虑用EMP等手段近距离破坏来袭导弹的电子元件。为了缩短反导系统的响应时间，拦截弹应部署在战备值班的大型飞机或高空无人机上，这样也能减小助推火箭的重量，降低导弹成本。为了对抗高超导弹的饱和攻击，还有一种思路是是在地面上部署多个电磁发射装置，利用磁悬浮轨道直接把拦截弹加速到超燃冲压发动机起动速度，同样能省下助推火箭的重量，短时间内可将大量拦截器送入临近空间的作战区域。我国的电磁发射武器还在研制中，可能未来几年就会有消息。
多拦截器概念和拦截高超声速滑翔器的设想
吸气式导弹最有前景的发展方向还是斜爆震发动机的实用化。斜爆震发动机理论上具有放热快、比冲高、燃烧室短等优势，燃烧室入口气流可达马赫5以上，燃料和空气掺混后只需通过一道斜爆震波就完成放热，是真正的超声速燃烧。对于导弹和跨大气层飞行等应用，斜爆震发动机的高性能是十分诱人的。斜爆震发动机可分为两类，一类没有掺混段，在前体上设置燃料喷注孔，燃料和空气混合物由唇口激波诱导起爆，目前这类构型的研究很热门。另一类有掺混段，与超燃冲压发动机更相似，燃料与空气掺混后进入燃烧室，在斜激波作用下发生爆震，这种发动机也称为激波诱导燃烧发动机。
斜爆震发动机概念，对燃料喷注技术过于乐观
带有掺混段的激波诱导燃烧发动机，燃料喷注支板的冷却较为困难
近年来有大量论文研究无掺混段的斜爆震发动机，从各个角度讨论了各种现象，然而距离工程应用还是比较远。主要的问题有两个：首先，多数研究者不考虑前体预喷注的可行性。几乎所有研究都假设掺混已经完全了，只关注斜爆轰波附近的流动，最多调整了唇罩壁面附近气流的当量比。然而预喷注的掺混效果可能不理想，燃料可能只集中于前体壁面附近，而且前体的气动加热很严重，喷出的燃料可能被高温壁面点燃。其次，多数论文的构型要求前体气流偏转角达到25º甚至30º，这对于Ma>10的飞行器会造成过大的阻力，而且会使进气道因收缩比过大而不起动。虽然斜爆震研究者一般设置抽吸孔来避免进气道不起动，可是抽吸流量往往超过工程可接受范围，造成进气系统效率下降、推力不理想，而且抽吸的高温气体的排放也是个问题。根据超燃冲压发动机的研究经验，论文中的绝多数斜爆震发动机构型是根本不可行的。
目前看来，带有掺混段的激波诱导燃烧发动机虽然比无掺混段构型笨重一些，但是更有工程可行性。这种发动机比超燃冲压发动机构型简单，制造成本较低，最关键的优势是能解决高超声速燃烧问题，从而以较低的代价实现Ma>12的吸气式高超声速飞行。激波诱导燃烧发动机的燃料掺混仍然比较困难，解决了这个问题，斜爆震发动机的实用化将迈出坚实的一步。
中科院力学所最近又发表了驻定斜爆轰发动机的论文，还被香港媒体报道了。新的构型减小了前体气流偏转角，有助于减小气动阻力，然而其燃料喷注还是在发动机外面用支板实现的，回避了前体预喷注问题。燃料掺混问题是决定此类构型发展潜力的关键因素，未来的研究将越发难以回避这一问题。
燃料预喷注的斜爆震发动机，气流偏转角过大，实用性存疑
搞出大新闻的驻定斜爆震发动机构型和流场，燃料喷注不讲武德，使用抽吸缝避免进气道不起动
表2比较了各种导弹的技术成熟度、扩展用途和成本。需要指出的是，这5种导弹都可以攻击陆地和海上目标，应根据导弹性能特征和成本来评估具体的导弹更适合哪种目标，例如攻击建筑还是机场、防空阵地，攻击固定目标还是移动目标。研发成本和制造成本根据技术特点给出了大概的估算值，肯定是不准确的。
表2 技术成熟度、扩展用途和成本
4. 发射平台的限制
高超声速导弹的发展也受到发射平台的制约，导弹型号在研制初期肯定就根据用户的需求考虑了与发射平台的匹配。对于助推滑翔导弹，发展系列化的通用滑翔器能够降低研制成本，有利于在不同军种的导弹上实现即插即用，美国目前选择了这条路线。然而滑翔器的用途是多样的，Ma10，15和20级别的滑翔器对于不同军种来说用途差异不小，常规战斗部的滑翔器和核战斗部的滑翔器也明显不同，在尽量简化装备型号的前提下，还是应满足差异化的作战需求。打个比方，反坦克导弹和反舰导弹没必要长得一样。
对于吸气式发动机，目前看来军用动力和空天运载动力的发展侧重点是不同的。吸气式高超导弹要求发动机满足高机动、大过载、高可靠性、远射程甚至多次起动要求，而空天飞机要求宽速域、大推力、高运载系数、强爬升能力、组合循环动力适配性和经济性。动力研发部门还是应该区分一下这两个方向，不应混为一谈，否则会出现矛盾。例如，导弹和侦察机要求高机动，而空天运载飞行器轨迹是设计好的，不需要高机动性。又如，导弹的巡航速度是一定的，末段冲刺时发动机可以停止工作，不会面临组合循环动力的宽速域需求。当然，也存在不少共性技术问题。
发射平台对导弹的限制主要体现在对导弹外形尺寸、助推火箭的要求，以及对发动机燃料的限制。根据公开信息来看，空中发射对导弹的限制最小，因为飞机可以部分或完全替代地面发射所需的一级助推火箭。中国已经公开的轰6-N能够发射反舰弹道导弹，下一步配备高超声速导弹是必然的。高性能的发射平台能够充分发挥导弹的威力，降低导弹设计难度，并提高武器系统的生存能力，最好能够超声速发射。超声速飞行时发射导弹虽然难度较大，但是能够显著缩短助推段飞行时间，并缩小助推火箭尺寸，有利于导弹突防和增大飞机的载弹量。中国的发射平台选项较少，在轰-20装备之前估计只能使用轰-6N，不能超声速飞行，轰-20可能具有超声速飞行能力。俄罗斯的米格-31K和图-22M3M能够超声速飞行。美国的B-52H和B-21不能超声速飞行。如果希望给战斗机也配备空对面高超导弹，超燃冲压弹可能更合适，因为战斗机能发射的滑翔器尺寸太小，威力可能不足。
井射导弹和公路机动发射导弹受到的约束也较小，唯一的问题是氢燃料的储存和加注。对于井射战略导弹来说，如果使用氢燃料吸气式导弹，将延长核反击的发射准备时间，基本上是不可接受的，所以井射导弹必然使用高超滑翔器。对于公路机动发射导弹，如果使用氢燃料吸气式导弹，加注氢燃料将提高发射车的复杂性和成本，增加安全隐患，或者额外需要一辆燃料加注车跟随行动，不利于隐蔽。因此，公路机动发射导弹将以碳氢燃料超燃冲压弹和滑翔弹为主，特殊任务可能需要使用氢燃料吸气式导弹。
轰-6N和图-22M3
水面舰艇和潜艇发射导弹尺寸受限制，不能超过垂直发射装置的口径。网上传说055驱逐舰未来将装备一款高超滑翔反舰导弹鹰击-21，说明滑翔弹可以接受055垂发装置尺寸的限制，但是这种滑翔器很可能比东风17的滑翔器小。052D驱逐舰有64个发射单元，其中16个是9米深单元，可用于发射大型导弹。055共有112个单元，其中32个是9米深单元。而护卫舰的垂发单元尺寸较小，无法发射鹰击21等导弹。导弹尺寸一定，高超滑翔弹的射程一般不如超燃冲压弹，如果想让一艘船尽量多带高超导弹（例如携带大量导弹的武库舰），就应该上超燃冲压。
鹰击XX导弹概念（左），052D装填鹰击-18导弹（右）
052D驱逐舰发射防空导弹
目前世界上的几种主流垂直发射装置的口径在700mm~850mm之间，这使得舰船难以发射大型滑翔弹头，然而超燃冲压弹没有问题，因此海军可能对超燃冲压弹更感兴趣。吸气式动力有利于降低导弹重量和尺寸，适装性更好，让更小的舰船也能携带高超导弹。中国海军现阶段可能只需要让主力舰发射高超滑翔导弹，至于4000吨级护卫舰能够发射的超燃冲压弹，未来应该也是有需求的。俄军缺乏大型军舰，所以倾向于尺寸较小的超燃冲压导弹。美军潜艇将装备CPS高超滑翔弹，弗吉尼亚级核潜艇单艘可携带40枚，但是这种滑翔弹直径不超过533mm，其威力可能不足。
俄罗斯21631型导弹舰发射“口径”导弹（左）和3S14垂直发射装置（右）
Mk-41装填导弹（左），Mk-41发射战斧巡航导弹（右）
表3 世界主流舰载导弹垂直发射装置
舰载导弹由于安全性限制，很可能难以使用氢燃料。氢气毕竟是危险气体，而发射筒内的导弹至少需要储存数十天甚至几个月，必须考虑氢气泄漏的可能性，而且导弹用的是液氢，需要低温条件。舰艇垂直发射装置中一旦发生氢气爆炸，必然损坏附近其他导弹，甚至破坏舰体结构，对于潜艇来说这意味着暴露自身位置甚至直接沉没，更是不可接受。轰炸机使用氢燃料吸气弹还安全一些，毕竟每次只需带弹飞行几小时，汽车运输液氢也没有技术障碍。当然，随着技术进步，未来舰艇也可能装备氢燃料导弹。
超燃冲压发动机的小型化可能也是一个有前途的方向。冲压增程炮弹的概念由来已久，但是目前的产品最高马赫数不超过4，容易被拦截，这给了超燃冲压炮弹以发展空间。化学火炮发射瞬间的过载很大，能用于火炮的高超声速动力应该只有固体燃料超燃冲压发动机。由于美军的155mm舰炮项目被取消，目前还不清楚中国海军是否有155mm舰炮研发计划，但是中国海军未来肯定会装备电磁导轨炮等电磁发射装置。
电磁发射对于超燃冲压炮弹来说非常合适，因为炮管中没有发射药燃烧造成的废气，发射过程进气口不必安装保护罩。炮弹离开炮口时只需达到Ma4就足以起动超燃冲压发动机，这也降低了电磁发射装置的性能要求。典型电磁导轨炮的炮口速度一般是2.5km/s，大约是Ma7，发射动能50兆焦以上，炮弹全程平均速度约1km/s，约为Ma3。而对于同等质量的电磁发射超燃冲压炮弹，炮口速度可降低一半，发射动能降为原来的1/4，可大大减轻舰船储能系统的负担，显著降低电磁炮武器系统重量。超燃冲压炮弹也可以实现发射动能不变条件下，向目标投掷质量更大的炮弹。更重要的是，超燃冲压炮弹飞行途中可持续补充动能，全程平均马赫数显然大于4，末段冲刺可达Ma6以上，突防能力大大增强。由于炮口速度较小，超燃冲压炮弹发射时的加速度更小，较低的发射过载允许安装精确制导组件，这使得水面舰艇可以对100~300km内的目标进行精确的高超声速打击。高超声速导弹与高超声速炮弹远近结合，有可能彻底淘汰化学发射舰炮和传统的亚声速反舰导弹。虽然前景美好，但是电磁发射超燃冲压炮弹很难在10年内面世，其中还有很多复杂的技术问题。
表4比较了各种导弹的适装性，可作为未来5~15年技术发展方向的参考。
冲压增程炮弹，155mm舰炮和电磁导轨炮
表4 适装性比较
5. 总结
本文根据公开信息，结合笔者有限的知识，粗略分析了高超声速导弹的动力选择问题以及动力发展趋势。
当前高超滑翔弹的技术基本成熟，未来将发展更多型号和多滑翔器洲际导弹，提升饱和攻击能力。超燃冲压弹需提升机动性，增大射程，研发部门应注意到军用吸气式动力与空天运载动力的技术目标不同。由于高超声速燃烧的困难，斜爆震发动机或者激波诱导燃烧发动机可能是吸气式高超声速导弹未来发展的重要方向。
本文认为，突防能力可以视为5个指标的加权平均结果，包括：速度、机动能量、轨迹多变性、隐蔽性和弹头抗毁伤能力。高超滑翔弹在速度、抗毁性上占优，而吸气式导弹在机动能量、隐蔽性上占优。随着技术的进步，吸气式导弹的轨迹灵活性也将优于滑翔弹。斜爆震发动机一旦实现突破，其突防能力可能超过高超滑翔弹，目前热门的无掺混段的斜爆震发动机实用化前景较差，有掺混段的激波诱导燃烧发动机发展潜力更大。此外，吸气式动力可能用于高超声速导弹的拦截。
由于高超声速滑翔器适合搭载核战斗部，而吸气式导弹不适合搭载核战斗部，未来高超滑翔弹可能敏感性更高，容易导致军事对抗升级，在武器贸易中限制较大，而吸气式导弹固有的常规武器属性可能使其国际武器市场受到的限制将较小。吸气式导弹的研发和制造成本一般高于高超滑翔弹，这也是未来影响其发展的一个因素。
吸气式导弹便于小型化，适装性更好。空中发射对高超导弹的限制最小，空射吸气式导弹最好使用超声速发射平台。井射战略导弹只能使用高超滑翔器。公路机动发射和舰载导弹不适合使用氢燃料吸气式动力。由于垂直发射装置限制导弹尺寸，舰载高超导弹难以使用大型滑翔器，海军对吸气式导弹的需求可能更大。电磁发射的超燃冲压炮弹可能在100~300km射程内取代现有的化学火炮和亚声速反舰导弹。
高超导弹仅靠速度并非无敌，由于高超导弹的结构和动力冗余小，激光、微波等手段拦截高超导弹的效果可能比预期更好，应尽早展开增强抗毁性相关研究，稳步提升突防能力以应对反导技术的进步。
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