2010年美國高超聲速發(fā)展的趨勢

2010年美國高超聲速發(fā)展的趨勢

0美國鄰近空間高度靠近空間，也稱為封閉空間，包括人士氣流層、中樓層和部分電離層。根據(jù)國際航空聯(lián)合會(FAI)的定義,臨近空間的范圍確定在23km~100km;美國空軍參謀長JumperJ、國防部航天負(fù)責(zé)人TeetsP和空軍航天司令部負(fù)責(zé)人LordL共同確定的美國臨近空間高度為20km~300km。結(jié)合國際空域主權(quán)的協(xié)議慣例,我國傾向于將臨近空間定義為20km~100km,低界選在國際民航組織(ICAO)控制區(qū)域之上,高界依據(jù)FAI定義。1速速臨空間高速目標(biāo)臨近空間目標(biāo)包括臨近空間慢速目標(biāo)和臨近空間高速目標(biāo)2大類,臨近空間慢速目標(biāo)有臨近空間飛艇(速度一般小于150km/h,如美國的“海象”)和臨近空間慢速無人機(jī)(速度一般小于5Mach、1Mach=1224km/h,例如美國的“全球鷹”),飛行高度一般在20km~30km,慢速臨近空間目標(biāo)運(yùn)動特征和常規(guī)空中目標(biāo)相似。各國臨近空間超高聲速研究和試驗計劃繁多,總體上,臨近空間高速目標(biāo)可歸納為超高速巡航導(dǎo)彈、超高速無人飛機(jī)、軌道式再入飛行器3類。這些目標(biāo)具有速度快、運(yùn)動軌跡復(fù)雜等特點,對探測臨近空間目標(biāo)提出了極大的挑戰(zhàn)。1發(fā)射速度較快的特點如圖1所示,超高聲速巡航導(dǎo)彈一般采用超燃沖壓發(fā)動機(jī)提供動力,具有發(fā)射平臺多樣、飛行速度快、可機(jī)動飛行、彈道富于變化、能夠打擊時間敏感目標(biāo)、突防能力強(qiáng)等突出優(yōu)勢。超高聲速巡航導(dǎo)彈的飛行距離一般在1100km~1300km,未來也可能達(dá)數(shù)千米,飛行速度在6Mach~10Mach,飛行高度在25km~40km。2超高聲速無人機(jī)如圖2所示,超高聲速無人飛機(jī)可利用載機(jī)從常規(guī)軍用跑道上起飛,并可重復(fù)使用。它可裝有吸氣式超燃沖壓發(fā)動機(jī)、火箭發(fā)動機(jī)或組合發(fā)動機(jī)。超高聲速無人機(jī)飛行速度為6Mach~15Mach,飛行高度為30km~80km(X-43A試驗飛行高度為40km),覆蓋了臨近空間大部分空域,采用“沖壓-滑躍”式飛行方式,航程達(dá)到16000km,有效載荷5t,可在2h內(nèi)實現(xiàn)全球到達(dá),完成作戰(zhàn)任務(wù)。美國空軍期望其在2015年前能投入使用,靈活與快速決定了它將成為未來實施全球快速打擊作戰(zhàn)任務(wù)的利器。3助推-滑動式飛行軌跡超高聲速機(jī)動再入飛行器是由外層空間再入或運(yùn)載到外層空間釋放后再入大氣層的飛行器,具有適應(yīng)稀薄大氣層飛行的超高聲速、高升阻比的氣動布局。其再入后在臨近空間的稀薄大氣層飛行,可以有動力(火箭發(fā)動機(jī)或超燃沖壓發(fā)動機(jī)),也可以無動力。無動力時,依靠很高的再入速度在臨近空間作超高聲速遠(yuǎn)距離的滑翔甚至波浪式的機(jī)動飛行,航程可以達(dá)上萬千米,能夠?qū)崿F(xiàn)對全球目標(biāo)的快速精確打擊任務(wù)?；鸺爸?滑翔”式飛行軌跡是火箭助推到一定高度和速度后再入臨近空間,在臨近空間無動力滑翔飛行,飛行高度為60km~90km,飛行速度為10Mach~20Mach;火箭“助推-巡航”式飛行軌跡是火箭助推到一定高度和速度后再入臨近空間,在臨近空間動力巡航飛行,巡航高度為30km~40km,巡航速度為6Mach~10Mach;空天飛機(jī)的軌道具有再入式飛行軌跡,平時在太空中做環(huán)繞地球的軌道飛行,需要時可從軌道空間再入臨近空間(或從軌道空間空天飛機(jī)平臺發(fā)射對地攻擊武器再入臨近空間),可在軌道空間、臨近空間和大氣層內(nèi)往復(fù)飛行,圖3是X-37B空天飛機(jī)示意圖。2“kh-4”在美國正式重測空天系統(tǒng)上的使用臨近空間飛行器的研究是以美國、俄羅斯為主,歐洲、日本、印度等國也在積極地研究。2010年4月22日,美國空軍在佛羅里達(dá)州成功試飛X-37B軍用無人空天飛機(jī),標(biāo)志著美國空軍以無人駕駛可重復(fù)使用的高超聲速飛行器為工具,把在藍(lán)色天空執(zhí)行的情報搜集、目標(biāo)攻擊和通信等軍用任務(wù)推進(jìn)到黑色太空的空天領(lǐng)域。當(dāng)天,美國在加利福尼亞州范登堡空軍基地試驗了從太空以20Mach返回地球的“獵鷹”飛行器HTV-2,使1h之內(nèi)攜帶彈頭擊中世界上任何角落的目標(biāo)成為可能;2010年5月26日,X-37B尚未返航,X-51A超高聲速巡航導(dǎo)彈又在愛德華空軍基地進(jìn)行了首次試飛,成功在21.3km高度以5Mach的速度飛行了近3.5min,實現(xiàn)了迄今為止以超燃沖壓發(fā)動機(jī)為動力的飛行器最長飛行時間,為全球偵察、攻擊、進(jìn)入空間等應(yīng)用領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。臨近空間飛行器主要研究和試驗項目見表1。綜上所述,臨近空間超高聲速飛行器有2大類(3種)典型飛行特征,如圖4所示。3基于國土縱深目標(biāo)的觀測系統(tǒng)常規(guī)國土防空預(yù)警系統(tǒng)探測區(qū)域高度覆蓋約為25000m,不能探測在25000m以上高度臨近空間飛行的臨近空間目標(biāo)。針對臨近空間目標(biāo)的預(yù)警探測有以下難點:1)使用地基探測手段,采用封邊、封海的搜索屏探測方式對臨近空間高速目標(biāo)的有效預(yù)警時間短。使用地面雷達(dá)在邊境周邊建立搜索屏可以搜索截獲在臨近空間內(nèi)運(yùn)動的高速和慢速目標(biāo),包括超高速巡航導(dǎo)彈、高速無人機(jī)和臨近空間飛艇,而受地平線限制,只能在距離邊境線約580km(高度20km)~1300km(高度100km)間發(fā)現(xiàn)目標(biāo),如圖5所示。(1)對從臨近空間進(jìn)入國境的高速目標(biāo),使用地基雷達(dá)的有效預(yù)警時間短。針對國土周邊的預(yù)警時間(發(fā)現(xiàn)后判定為臨近空間目標(biāo))只有約3min(按高度為20km、速度為10Mach的目標(biāo)計算)~11min(按高度為100km、速度為6Mach的目標(biāo)計算)。針對國土縱深重點城市和區(qū)域(距邊境1000km)的預(yù)警時間也只有8min~19min。(2)對在國境內(nèi)陸(或在軌道空間飛行、在國土縱深再入)上空飛行的臨近空間高速目標(biāo),需要部署地基雷達(dá)進(jìn)行全程監(jiān)視。使用地基探測手段,采用封邊、封海的搜索屏探測方式可以在國土周邊區(qū)域有效截獲目標(biāo),但由于臨近空間目標(biāo)飛行軌跡復(fù)雜多變,難于像衛(wèi)星目標(biāo)進(jìn)行軌道預(yù)測,還必須使用地基跟蹤雷達(dá)在國土境內(nèi)進(jìn)行全程跟蹤,實現(xiàn)對境內(nèi)所有目標(biāo)的全程監(jiān)視。2)使用空基和臨近空間平臺探測手段,采用封邊、封海的搜索屏探測方式對臨近空間高速目標(biāo)的有效預(yù)警時間增加有限。(1)使用空基平臺(3000m高度的飛艇)探測手段在邊境周邊建立搜索屏,比地基雷達(dá)的預(yù)警時間增加約2min~3min,針對國土縱深重點城市和區(qū)域(距邊境1000km)的預(yù)警時間也只有10min~22min;(2)使用臨近空間平臺(20000m高度的飛艇)探測手段在邊境周邊建立搜索屏,比地基雷達(dá)的預(yù)警時間增加約3min~5min,針對國土縱深重點城市和區(qū)域(距邊境1000km)的預(yù)警時間可達(dá)11min~24min。但受平臺能源供應(yīng)能力的限制,短期內(nèi)空基和臨近空間平臺探測雷達(dá)的威力相對較小,預(yù)警時間的增加達(dá)不到上述期望值,只有在解決能源供應(yīng)后才能獲得上述預(yù)警時間。3)使用中低軌道預(yù)警衛(wèi)星光學(xué)、紅外和雷達(dá)的復(fù)合探測手段,理論上可以實現(xiàn)對全球區(qū)域臨近空間目標(biāo)的全程跟蹤監(jiān)視,是解決臨近空間目標(biāo)探測最有效手段,但實際探測效能受到物理原理和能源供應(yīng)能力等客觀因素的制約。(1)當(dāng)臨近空間目標(biāo)位于地球陰影中或位于太陽和預(yù)警衛(wèi)星之間時,光學(xué)探測手段不能探測目標(biāo),對于20km~100km的近地空間目標(biāo),上述影響更加嚴(yán)重,天基光學(xué)探測手段的時間可用度低(每天只有數(shù)小時),限制了天基光學(xué)探測手段的效能;(2)由于大多數(shù)臨近空間高速目標(biāo)使用無動力飛行或動力滑翔交替飛行模式,動力飛行時間短,需要研究臨近空間高速飛行產(chǎn)生的熱效應(yīng)對紅外探測性能的影響,判定天基紅外探測手段對臨近空間目標(biāo)探測的有效性;(3)中低軌衛(wèi)星載雷達(dá)探測可以實現(xiàn)對臨近空間目標(biāo)的全程跟蹤監(jiān)視,但受到能源供應(yīng)能力的限制,星載雷達(dá)在短期內(nèi)難于發(fā)揮應(yīng)有的潛力。例如,以約2000km高度的太陽同步軌道計算,如果每條軌道使用8顆衛(wèi)星(需要多條軌道才能實現(xiàn)對全球覆蓋),需要的星載雷達(dá)威力約為3300km,使用16顆衛(wèi)星,雷達(dá)威力約為1600km,在可預(yù)見的未來,在星載平臺上難于實現(xiàn)這種雷達(dá)規(guī)模。4高超聲速航天器的突出動作能力2010年是臨近空間平臺及武器發(fā)展不平凡的一年,美