2010年5月26日,加利福尼亚州爱德华兹空军基地,波音X-51超音速巡航导弹
冷战催生了能够携带核弹头的洲际弹道导弹(intercontinental ballistic missiles,ICBMs),以及可以从舰船和飞机上发射的巡航导弹。
现在,像许多冷战时期的军事装备一样,洲际弹道导弹和巡航导弹也正在进入21世纪。但是,这些武器身上越来越先进的部分不再是它们的有效载荷,而是其交付系统。
能够以高超声速飞行的导弹可以使全球导弹防御系统失效,如果不加以控制,它将成为世界各国的下一次全球军备竞赛的主角。
在这场比赛中,主要有两种类型的导弹:高超声速巡航导弹(hypersonic cruise missiles,HCMs)和高超声速滑翔飞行器(hypersonic glide vehicles,HGVs)。二者都受到了一些国家的追捧。
图表展示了HCM和HGV的不同之处
HCMs本质上就是速度更快的巡航导弹,而HGV则应用在洲际弹道导弹上的、取代传统的再进入技术的全新技术。
在这两者中,HGVs是最容易制造的,因为它们只需要克服一个障碍,那就是材料科学。
HGVs被置于洲际弹道导弹顶端,当到达最大高度时,其与导弹分离,并在大气层顶部,以高超声速向目标滑翔。
由于其以高超声速运动,所以这种武器上甚至不需要任何炸药,因为光动能便足以在有限的范围内造成破坏——尽管远不及核爆炸那么大。
这两种武器如此具有威胁性的原因是它们具有可操作性,这意味着它们随时可以改变方向,并将其预定的目标飞行,直到接近目标的最后几分钟敌人才有可能发现它们。
目前的导弹可以被拦截,因为它们的飞行路径是由动量和重力决定的。大多数,如果不是全部的话,像THAAD和岸基宙斯盾这样的反导弹防御系统需要拦截目标运动轨道,以便发射炮弹或导弹,对其进行成功的拦截。
来自美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)的一幅图像展示了高超音速滑翔飞行器是如何发射的
因为HCMs和hgv是可操纵的,加上它们以如此高的速度飞行,拦截这种导弹几乎是不可能的。
高超声速武器技术的广泛扩散可能会导致增加冲突和不稳定的风险,特别是当这些武器装备有核战斗部时。
根据兰德公司(RAND Corporation)发布的一份关于高超声速武器的报告,美国政府可能非常关心保持先发制人的能力,因为这些武器的响应时间太短。为此,美国政府可能会被迫采取冒险行动。
这些措施包括将武器的指挥和控制移交给军队,而不是国家领导人,更广泛地分散在全球范围内的武器、发射预警的姿态,以及决定首先发动攻击。
兰德公司的报告显示,至少有23个国家积极从事高超声速技术的商业或军事用途。目前,美国、俄罗斯都在领先。
该报告指出,高超声速技术的广泛扩散可能会导致世界各地的军队,特别是那些与邻国关系紧张的国家,拥有可能造成破坏稳定的能力。兰德公司(RAND Corporation)表示,这也可能会刺激对导弹及其技术控制制度(MTCR)的改变或修正,这是一项与35个国家的自愿协议,目的是防止能够携带核弹头的导弹的扩散。
兰德认为,MTCR应该包括完成的高超声速运载工具、超声速冲压发动机和其他高超声速部件,这些部件都不能出口。至少,美国、俄罗斯和中国之间的三方协议可以防止高超声速武器落入危险之手。
兰德相信,高超声速导弹将在未来10年内进入战场。
高超声速技术允许巡航导弹和核武器以马赫数5或以上的速度飞行——大约每小时3800英里,或每6分钟340英里。
导弹和火箭长期以来都实现能高超声速。例如,航天飞机和洲际弹道导弹都以高超声速飞行,有时马赫数高达20或24(马赫25是上限)。然而,它们只能在短时间内这样做。
2008年,美国国家航空航天局兰利研究中心,普惠公司的SJX61-2高超声速喷气机成功地完成了模拟马赫数5飞行条件的地面试验
目前正在开发的技术将允许持续高超声速飞行,克服三种不同的挑战:材料科学;空气动力学和飞行控制;和推进技术。
材料科学的问题相对简单。因为导弹会以如此高的速度飞行,所以需要高熔点的材料,这样它们就能吸收长时间收集的热量,从而防止导弹的解体。
兰德公司(RAND Corporation)的高级工程师里奇·摩尔(Rich Moore)说:“你可以把它想象成喷枪里飞行。”“飞得越快,压力和温度就会呈指数级上升。”
空气动力学和飞行控制的问题有些相关。为了达到高超声速,导弹的主体必须被构造成空气阻力最小。此外,导弹的形状必须具有足够的结构,以防止弯曲和挠曲。从而影响飞行性能。
兰德公司(RAND Corporation)高级工程师乔治·纳库兹(George Nacouzi)在接受采访时表示:“如果你走得太快,你承受的压力就会变得非常大,你的身体可能会发生变形。”
推进可能是继材料科学之后最复杂的挑战。一旦一个物体速度达到马赫数5,传统的喷气发动机无法产生足够的能量来维持速度或更快。兰德公司的政治学家Richard Speier说:“就好象你很难在每小时小时2000英里的风速下点燃一根火柴。”
试图保持引擎运转是极其复杂的。
“你面临潜在的冲击波,所以燃料的燃烧必须以足够的速度,你必须有正确的燃料和氧化剂的混合物,”Nacouzi说。
试图解决这一问题的结果是一种超燃冲压发动机,它是一种清洁的空气喷气发动机,它利用大气中的氧气作为燃烧的氧化剂。虽然超燃冲压发动机目前处于测试阶段,但它们实现了高超音速。
Nacouzi博士认为,在这三个问题中,飞行控制可能是最容易克服的。(《航空世界》编译)
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