通往22公斤之路:美国高超声速导弹的弹头是如何越活越抽抽的

前两天美军进行了新型空射高超声速导弹AGM-183A的首次发射试验,然而出师不利——压根没能从B-52H的挂架上扔下来。虽说这事儿目前看罪不在弹,但一说到这个“美国高超争气弹”,其22千克重的战斗部难免又成了大家调侃的对象之一,毕竟大家出远门坐飞机的时候,一不小心都能把托运行李箱塞出这个数来。

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▲这要是不说,光看它挂在B-52上这比例,怎么看那弹头都得有个两三百千克的分量

您要说美国空地导弹战斗部一直就这尿性,那肯定是冤枉人。比如美军战术航空兵21世纪初的主力防区外打击武器——SLAM-ER(AGM-84H/K)中程空地导弹,弹重也就725千克,一半的重量都被其360千克(800磅)战斗部占用了,比其发展原型“鱼叉”反舰导弹的221千克战斗部重了一半还多,讲究一个势大力沉。

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▲通过应用完全不同于“鱼叉”布局的大展弦比弹翼,以及头锥修形,SLAM-ER实现了比SLAM更远的射程和更好的低空飞行稳定性,并降低了导引头受雨水的影响;导弹的智能化水平也大幅提升

当初SLAM-ER的上一代产品SLAM,和“战斧”在海湾战争中可谓一时瑜亮,名噪一时,为美制巡航导弹打了一次上好的活广告。不过那时候美国人还挺讲一个居安思危:虽然老萨和他的伊拉克军队积极抵抗效果不咋地,但狡兔三窟的功夫还是让他们在美军的“定点清除”中避免了不少关键人员的损失;有时候相关情报其实都掌握了,但囿于当初美军OODA(观察-判断-决策-行动)循环周期还是不够短,打击手段速度也快不起来,等SLAM或者“战斧”到头顶上的时候,要炸的目标不是脚底抹油风紧扯呼,就是呼朋引伴往地下一钻,总之都难以造成伤筋动骨的损失。

打击时敏目标和加固目标需求的增加与叠加,让强敌也无师自通琢磨出了“天下武功,唯快不破”的道理。1996年DARPA提出了“可承受成本快速反应导弹演示器”(ARRMD)的计划,在1999年约翰·霍普金斯大学的一篇相关论文中提到,ARRMD的目标是一种最大速度6马赫左右,撞击目标时速度为1220米/秒的“准高超”导弹,选用250磅重(113千克)重的战斗部就足以达到侵彻威力的指标。

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▲DARPA组织的这种前沿研究,的确缔造了很多成果;但也有一些本来能成的项目,反而被他们自己“我全都要”的想法给搅黄了

那时候波音公司还是颇有追求的,自己牵头分别与空军和海军各搞了一个超燃冲压导弹概念:前者是跟普惠公司联合搞的腹部进气乘波体方案,虽说两个助推器加得有点简单粗暴,但重在通过高升阻比实现DARPA的大射程要求,这样一来就算超燃冲压发动机(特别是燃烧室)设计简单点也无妨;后者则是跟航空喷气公司(钱学森曾经是该公司技术顾问)联合搞的双燃烧室冲压(DCR)、弹头进气方案。

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▲上为海军方案,下为空军方案。可见空军方案的矩形进气道,这种最大程度地减少壁面冷却面积的设计,在很多超燃冲压飞行器上颇为常见;两个庞大的助推器则是为了将导弹直接加速到4-4.5马赫的超燃冲压点火区间

说到能满足亚燃冲压和超燃冲压两种工作模式的DCR,年头可不短了。从1977年到1986年,美国海军给约翰·霍普金斯大学应用物理实验室连着投了10年的钱搞这个,用时十年终于在进气道/燃烧室匹配方面做出点成绩了,美国海军立刻上马“高超声速武器计划”(HWT),希望应用物理实验室能借此机会搞个应用DCR的飞行器出来。

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▲图中下半部分为双燃烧室冲压发动机(DCR)结构图,前后串联的亚声速/超声速燃烧室能够让发动机在从超声速到高超声速的工况间平稳过渡,但也使得飞行器内部空间颇为局促;从导弹结构图可见,其“嵌入式”助推器位于超声速燃烧室内,完成加速工作后脱落,之后进气道整流罩自动抛掉,DCR启动开始进一步加速

这一来二去冷战就结束了,不过等到DARPA推动ARRMD的时候,HWT多少也有了点底子。然而这时候DARPA的要求里已经把“可承受成本”摆在前头了,所以海军先是“迎合上意”,用较为成熟的技术攒了个“低成本导弹”(LCM),1997年波音从美国海军拿到了价值800万美元的“低成本导弹”先进技术展示(ATD)合同,这就是宣传为“700磅(近320千克)载荷/700海里(近1300千米)射程”的“快鹰”。

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▲基本利用冷战技术打造的“快鹰”,采用的却是非常大胆的无翼铰接式布局(充分利用533毫米弹径的空间),前部为燃料舱和战斗部,通过万向头铰接的后部助推器/冲压发动机燃烧室实现“推力矢量控制”

虽说“快鹰”4马赫的速度,跟DARPA提出ARRMD的指标还差挺远,但仍不失为一款具备实用价值的超声速巡航导弹,还被美国海军科学和技术工作小组评选为“1997财年最受好评的海军ATD合同”。然而此时美国海空军在“低成本”概念上已经有走火入魔的趋势,在如今看来并不算离谱的项目超支费用(需要再投700万)面前,海军还是从1999财年开始停止了“快鹰”的发展,并结合其经验,在ARRMD的框架下继续发展HWT——这时候已经改名为“高速打击导弹”(HiSSM)。

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▲明面上的理由一方面是五角大楼要优化整合超声速巡航导弹项目,一方面是这玩意儿距离20万美元一发的“廉价”目标有点远……后来证明,如此扯淡的目标啊,越来越远那就对了

由于美国海空军对技术路线始终存在不可调和的分歧,2001年ARRMD的两个概念开始彻底独立发展(倒是有一个趋同点,谁的方案都便宜不了)。美国空军主导的波音/普惠乘波体概念逐渐发展为著名的X-51试验飞行器,而美国海军主导的HiSSM则演化成了在“快鹰”之后本世纪初美国海军最受关注的高速巡航导弹项目——Hyfly。Hyfly全长4.27米,与“快鹰”的空射型相当(可以理解为在“快鹰”的弹体长度里塞进了DCR);而相比后者更占地方的动力系统,决定了Hyfly留给战斗部的空间不会太多。

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▲上图为Hyfly冲压发动机地面测试,下图为军舰发射Hyfly的想象图,其紧凑的轴对称布局适合使用MK41垂直发射系统发射,这也是美国海军长期青睐这一技术路线的一大原因

不过由于Hyfly能够达到比ARMMD指标要求更高的6.5马赫,所以其战斗部重量相比ARRMD规划时期的113千克进一步降低到90.8千克(200磅),侵彻战斗部型则直接应用了同为波音公司研制的SDB(GBU-39/B)小直径侵彻炸弹的战斗部。而Hyfly数十倍于SDB的命中动能,也有条件实现ARRMD贯穿6-11米厚混凝土/40米厚常规土层的这一要求。

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▲除了侵彻战斗部(中)之外,美军还计划为Hyfly配套研制巡飞弹战斗部(左),适合快速抵达目标附近后较长时间待机,以应对战场情况变化;以及适合和侵彻战斗部型搭配使用的子母战斗部(右),以打击地下掩体被摧毁后企图逃生的软目标

2005年8月28日,一架F-15E挂载Hyfly进行了首次发射试验,检验了助推发动机能够把Hyfly带到3马赫这个DCR的启动速度;然而2007-2010年三次旨在检验DCR工作的测试全部失败,加上它们都一头扎进海里,导致对故障的后续分析不够具体等原因,最后美国海军不得不放弃这个项目。

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▲Hyfly测试期间的照片极少,上图可见Hyfly头部的整流罩

时光如水,岁月如梭,就在美国海空军高超武器项目缓慢推进的这几年,美军新一代防区外打击利器SDB也进化成了以打击运动目标为主,但体量相比SDB又小了一圈的SDB-Ⅱ(GBU-53/B)。这倒不是说在萨达姆作古之后,这个世界上就没有美帝恨不得立刻从地图上抹掉的眼中钉肉中刺了,但即使是某些小国,其几十年来不断建设的地下工程体系,那也不是几百枚SDB就炸得烂的;更不要说大洋彼岸那个新兴核导强国越来越多的机动式弹道导弹发射车,使得美帝及其仆从军同盟体系被“一不小心”砸烂的危险却越来越大。

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▲即使是那些看上去有“圈钱产品”之嫌,不时还传来发射失败报道的民用航天产品,“一不小心”就能攒出真正的“可承受成本快速反应导弹”来

随着这些国家陆续开始高超声速飞行器测试,2014年,DARPA和美国空军联合要求:雷声和洛马听旨!尔等应速速拿出一个切实可靠的“战术助推滑翔”(TBG)高超武器项目(之所以优先空射型,也是因为那时候还有效的《中导条约》没有限制空射弹)!虽说从X-51发展而来的“高超声速吸气式武器概念”(HAWC)已经投入这么长的时间、花这么多的钱了,肯定也要继续搞,但轻重缓急还是得讲一下。

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▲2013年5月1日,B-52挂载X-51测试飞行

起初是雷声一马当先,到2015年4月已经得到用于研制技术验证飞行器的第二笔合同,此时雷声的SDB-Ⅱ即将在2015年6月投入首批144枚的低速量产。选择了高升阻比的滑翔体,就得面对内部空间不足的难题,不知是不是受到了当初波音在Hyfly项目上应用SDB战斗部的影响,雷声在TBG早期方案中也直接把体积更小的SDB-Ⅱ的105磅(48千克)战斗部移植过来。

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▲SDB-Ⅱ的战斗部被称为“多效能打击战斗部”,虽然雷声的方案如果变成实用型号未必还会用这个,但它也比较符合从ARMMD时代到TBG时代的美国高超声速导弹任务变化趋势。图中可见F-35的一侧弹舱中挂载了4枚SDB-Ⅱ

由于雷声公布的滑翔体外观被认为更多继承了HTV-2的成果,尽管其助推器细节不明,外界也普遍认为雷声的TBG足以达到近10马赫的速度——这将是当年波音Hyfly的1.5倍左右。所以即使战斗部重量相比Hyfly下降一半,雷声的TBG作为一型战役战术级导弹,仍有着不错的打击硬目标潜力(当然这得更换真正的侵彻战斗部才能实现了)。

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▲雷声公司在其官方宣传中展示的滑翔体外观,相比AGM-183A曝光的滑翔体有着更大的容积率,目前雷声公司仍有多个在研的高超武器项目

至于洛马的TBG方案,其滑翔体设计被认为比雷声的更保守一些,但具体到战斗部的细节,则长期没啥动静。直到2018年,轨道ATK公司(同年该公司被诺格收购)进行了一种用于“高超武器”的50磅(22千克)杀伤力增强弹药(LEO)战斗部测试,同年8月,美国空军授予洛马公司4.8亿美元合同,在TBG的基础上研制AGM-183A(“空射快速反应武器”/ARRW),随后诺格公司宣称那个50磅战斗部即将用于美国空军的高超声速导弹。

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▲尽管在AGM-183A还没有展示这套抛掉整流罩露出滑翔体的图之前,包括我在内,很多人是不相信其战斗部就这么大点的……

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▲轨道ATK公司2018年3月29日测试了这种使用3D打印技术制造的LEO战斗部,其特点是不需要占用单独的舱段,可以“见缝插针”布置,有利于滑翔体弹头的设计

在射程只要求大于500英里(800千米)的TBG项目上,洛马还可以说这是选择了“成熟可靠的滑翔体设计”;然而几乎靠着PPT就赢了第一阶段的洛马(不过雷声的TBG项目在2019年3月仍然获得了来自DARPA和美国空军的新合同,结合《航空周刊》2019年7月的报道,很可能还有后续实用型号),难道仍然在速度至少达到6.5-8马赫,射程近1000英里(1600千米)的实用型号AGM-183A上沿用这么个战斗部么……看来在美国高超武器发展呈现各军种各公司齐头并进、争夺资源的大趋势下,谁能率先实用化,谁就有最大的“实用价值”了。

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▲而且这套逻辑,美国空军高官不久前还拿来嘲讽美国陆军,席亚洲列车长刚在节目中唠(nai)过

然而就在大家你追我赶、力争挤掉竞争对手的路上,现在却经常堵在一个殊途同归的道口:美国最近的空射高超导弹测试,先后出现了还没等发射、导弹就自己掉下去了(2020年6月的HAWC测试);以及这回都按发射钮了、导弹还掉不下去的情况(2020年12月的HAWC测试也是这样),这就让大家不由得怀疑,是不是因为B-52H这个载机平台实在太老导致的?

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▲准备挂上B-52的AGM-183A,其折叠尾翼的设计虽然主要是为了便于塞进B-1B的弹舱(下图),但对今后在F-15这类战术飞机平台上使用也有好处

由于在关于AGM-183A的报道中,越来越多的内容指向F-15EX未来也将作为这种高超声速导弹的发射平台(机腹挂1枚),再加上前文提到的,当初在波音Hyfly计划中F-15E就没少掺和,就有人说了,那找个F-15平台改个挂架不行吗?总比每次都欺负“快60岁的老同志”好点吧?

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▲F-15挂载能力和机腹离地空间都很充足,比如直径20英寸(50.8厘米)的ASM-135反卫星导弹这种,那都可以直接挂了;AGM-183A的直径目前估计在30英寸(76.2厘米)左右

其实技术上这都是小账,关键要看“政治账”:在当前波音的F-15EX已经开始影响F-35的扩张大业时,洛马的AGM-183A如果还要仰赖于F-15才能走完测试流程,无异于给洛马“上眼药”。虽说B-52H也是波音产品,但诞生于冷战早期的它,和洛马的产品早就不构成竞争关系了,姑且可以接受。

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▲美国空军兴许还觉得,用战略轰炸机挂着那震慑力度更强呢,大洋彼岸的新兴核导强国不也这么干吗?我这轰炸机虽然老,再咋地也比那玩意儿大吧?

总之,在海湾战争落幕整整三十年后的今天,美军航空兵成功迎来了除了30年前就有的AGM-88系列反辐射导弹之外,可用的正经(高)超声速空面打击武器仍然啥都没有的可喜局面。要说由此料定强敌的尖端武器科研全面“丸了”,那是过于以偏概全;但纵观这些年来他们在高超领域扯的这老些蛋,“咱家冷战积淀深厚,随便搞一个‘短平快’就能超X赶Y,谁搞谁有戏、多搞多受益”的这种心态仍然存在。

即使4月5日的这次试射能够成功,由于这只是第一次“助推器飞行测试”,并不是一次完整的全程测试(比如按计划,模拟滑翔体与助推器分离后,前者并不会继续加速滑翔,而是会“可控解体”——因为测试只需检验分离动作本身是否可靠),所以说,这款被寄予厚望的“争气弹”经历的考验才刚刚开始。按照计划,AGM-183A将在今年10月进行包括滑翔体完整飞行过程在内的首次全程测试。

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▲从助推器靠不靠谱,到整流罩、滑翔体能否正常分离,再到滑翔体本身的热防护能力是否足够,都将在接下来的试射中接受考验;搞定这些,才能畅想图中“四弹齐射”的愿景

就像数量越来越多的F-35仍然是美军战术航空兵“打赢下一场战争”最重要的倚靠那样,AGM-183A也仍然是美军目前最接近成功的空射高超导弹项目。在已经交付美军测试的F-15EX,乃至仍然处于初步构想的“轻便廉价型凑合事儿隐身战机”都打算靠这玩意儿实现“用魔法打败魔法”的目标的时候,AGM-183A能为洛马按时打响新时代的第一炮吗?

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▲那当然得先问波音B-52H的挂架答不答应喽!

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