美空军提出面向实战的高超声速发展路线

美空军提出面向实战的高超声速发展路线

黄志澄 远望智库高级研究员

编者按：高超声速技术是一项重要的战略前沿技术，对未来战争将有深远的影响。近日美国《航空周刊》透露了美国空军正在制订面向实战的高超声速发展路线图，在囯内外引起广泛关注。现特发表远望智库高级研究员黄志澄的文章，供大家进一步讨论时参考。

SR-72的艺术图

根据美国《航空周刊》网站2017年7月27日发表的文章《美空军规划实战高超声速武器发展路线(U.S. Air Force Plans Road Map To Operational Hypersonics)》的报道，今年7月中旬，美空军负责科学、技术与工程的副助理部长帮办科林·塔克(Colin Tucker)在《美国航空航天协会（AIAA）推进与能源论坛》发表演讲时表示，空军需要采取一些过渡性策略来推进技术发展。首先应部署一次性武器，并在此基础上扩展能力，最终利用可重复使用高超声速平台，实现可重复作战。
塔克称，对于成功部署作战应用的高超声速系统而言，关键因素是早期的用户参与。必须有作战人员买进以确保其最终应用，这意味着要将采办、科学与技术和作战人员进行整合。空军必须使用建模、模拟和军事演习等，从技术和能力角度验证武器的效能。塔克称，最终应用时，高超声速武器必须可支持、可生产、经济可承受且可操作。为了满足高节奏作战需求，研发人员需着力提高子系统和推进系统的鲁棒性。
2001年，NASA和美国国防部就联合提出了“国家航空航天倡议”。该倡议建议美国发展吸气式高超声速飞行器分三步走：近期致力于高超声速巡航导弹；中期集中于发展高超声速飞机；远期瞄准重复使用的航天运载器。在这之后，由美国军方主导了碳氢燃料超燃冲压发动机的研发。2008年2月，美国国防部向美国国会递交了《国防部高超声速计划路线图》。计划不仅包括吸气式高超声速巡航飞行的技术，而且扩展到包括采用火箭发动机和组合发动机在大气层中进行高超声速机动飞行的技术。上述《航空周刊》的文章，透露了美军的高超声速武器的发展路线,根据实战要求和技术进展，再次进行了重大调整。
高超声速常规打击武器将采用固体火箭发动机
美国空军2011年5月提出了发展“高速打击武器”（HSSW）的计划，要求发展最大飞行马赫数为6的高超声速机载武器。 由于预算削减，美国空军“积极通过与DARPA进行灵活合作的方式”，继续开展HSSW的研究工作，并在2014年实施两个独立的演示验证项目—即“战术助推滑翔（TBG）” 和“高超声速吸气式武器概念（HAWC）”。TBG是的目标是研制一种由火箭发射的战术高超声速武器，由洛马公司研发。HAWC是X-51A高超声速超燃冲压发动机验证机的后继项目。目前由洛马公司和雷神公司两家竞争。
通过利用在上述项目中的技术成果，空军已同时开始着手发展一型空射型的高超声速常规打击武器（HCSW）。上述文章提出，HCSW将采用固体火箭发动机。指出：“利用DARPA和AFRL的工作成果，美空军启动了空射型“高超声速常规打击武器”研发工作。波音、洛马、诺格、雷神和轨道ATK公司被列为这种精确打击导弹的潜在开发商。美空军表示，该导弹将打击“高价值、时敏性固定和移动的面目标”。它装备常规弹头，由固体火箭驱动，使用集成的GPS/INS（GPS/惯性制导系统）制导，研发合同将于2018年初授出。”
这是一个明智的决策。实际上在马赫数4至6之间飞行的空射导弹，可能采用的推进系统有固体火箭发动机、固体火箭发动机加亚燃冲压发动机、固体火箭发动机加亚燃超燃双模态发动机。第二种方案可能要在马赫数大于4.5以上工作，困难很大。因此，在选定要在马赫数6飞行时，则可以排除这个方案。对比第一种方案和第三种方案，显然，由于固体火箭发动机技术已经完全成熟，从而其可靠性、经济性和可操作性，都比第三种方案高出许多。当第三种方案已经成熟时，它的优势将是具有更高的比冲，但它的缺点是其可用的攻角和侧滑角的范围很小，导致导弹的机动性下降。

波音公司的XS-1方案

发展XS-１火箭飞机的意义
美国国防高级研究计划局（DARPA）在2014年开始执行XS-1项目。XS-1 是一种“实验性航天飞机（Experimental Spaceplane）”。它有两级，第一级可重复使用，上面级一次性使用。XS-1的目标是研制一种可重复使用的以火箭为动力的助推器，以验证快速反应和低成本的航天发射能力。要求在没有上面级或有效载荷时，第一级能在10天内飞行10次，最后的目标是整个系统能将大于3000磅的有效载荷送入轨道倾角为90o高度为100海里的地球圆轨道。每次发射费用为500万美元。
XS-1项目的第一阶段是初步方案论证，第二阶段是2019年前进行飞行器的研制和地面试验。在2020年进入第三阶段，将进行12-15次试飞。DARPA在2017年5月24日宣布，选定由波音公司来承担XS-1项目第二和第三阶段的研制工作。
上述文章指出：带翼的XS-1空天飞机（波音公司称之为“鬼怪快车”），将由航空喷气洛克达因公司的AR-22发动机（该公司航天飞机主发动机RS-25的衍生版）驱动。波音公司在下一阶段竞标中击败了诺格和马斯廷空间系统公司，正在建造XS-1验证机，将于2019年底完成建造并进行地面试验。同时，航空喷气洛克达因公司，也将测试AR-22发动机，最终目标是在连续10天内执行10次发射。根据当前DARPA计划，XS-1将在2020年开始速度5马赫的初始飞行试验；后续飞行试验速度将达到10马赫，作为向低地球低轨道运送有效载荷的多级任务的一部分。
上述文章称塔克说：“对于火箭发动机驱动的飞行器（例如波音公司和DARPA联合研发的XS-1航天飞机）来说，必须拥有可在很短时间周期内重复使用的火箭发动机。我们不能在每次飞行之间翻修发动机，这是不可持续的。”由此可见，XS-1火箭飞机是否能用于作战，将取决于火箭发动机的重复使用能力。目前，由于商业航天公司如SpaceX等的努力，提高了火箭发动机的重复使用能力,但离实战要求仍有距离。。
发展飞行风洞至关重要
上述文章还指出：在XS-1航天飞机在高超声速范围运行的同时，美空军还致力于建造“飞行风洞（flying wind tunnel）”，以帮助研发一系列吸气式和火箭发动机驱动的一次性和可重复使用的平台，这些平台将在近太空的环境中运行。这表明美军今后将十分重视高超声速技术的飞行试验。塔克表示，尽管当前还不明确这种类X-15的试验平台，具体采用什么方案，具体该怎么用，但空军认为，这对于空军高超声速技术发展顺利“往前推进一步”、进而发展出具备实战能力的武器装备至关重要。”
2016年5月空军研究实验室（AFRL），曾发布了“高频次、低成本高超声速飞行试验”（HyRAX）项目信息征询书的内容和目的。因此，塔克提到的 “飞行风洞”，极有可能就是HyRAX飞行试验平台。HyRAX项目旨在通过研制一型可重复使用的高超声速试验平台（要求具有200～400架次的使用寿命），用于开展高频次、低成本、航时较长的高超声速飞行试验，提升包括气动、自主控制、材料、推进、结构和机载系统在内的高超声速技术成熟度，同时掌握高超声速科学测量方法及测试技术。无疑，XS-1的第一级，就是一种类似X-15这样的以火箭发动机为动力的飞行平台，面目前美国的多家商业航天正在研制的亚轨道飞行器，可能也是候选的平台。
支持SR-72的发展
上述文章引用了塔克的话：“类似于洛马公司吸气式 “黑鸟之子” SR-72的飞机，将是推进作战应用的第一步（SR-72是飞行马赫数为6的ISR平台）。美空军正在考虑一种“爬-走-跑（a crawl, walk, run approach）”的渐进式策略，这要求其自身具备风险承受能力，不追求一举成功。为此，美空军需要进行更多的地面和飞行试验，以及新的基础设施投资，以及政府和空军的持续承诺。过去时起时停的模式，不能打造强大的人才队伍。空军需在该领域开展持续工作，以构建可以实战的系统。”
为此，美空军高超声速领域的研究预算正在急剧上涨。与2012年在高超声速技术项目上花费不到7900万美元相比，2018年预算中为该领域申请超过2.92亿美元，其中9000万美元用于原型设计。
除了高超声速导弹和XS-1空天飞机之外，DARPA的另一个主要高超声速项目是“先进全速域发动机”（AFRE）。该项目将研发基于涡轮发动机的组合循环发动机（TBCC）的地面验证机，可驱动飞机从标准跑道上以5马赫以上速度飞行。该项目已于18个月前启动，将建造全尺寸发动机。上述文章引用了DARPA战术技术办公室主管布莱德·图斯利（Brad Tousley）的话：“美军需要类似于洛马公司SR-71“黑鸟”飞机的J58的发动机，AFRE可成为这种发动机。如果取得成功，该发动机将为DARPA与空军、海军和其他部门打开合作空间，创建真正可重复使用的高超声速飞机。”
其实，上述文章并未透露SR-72将采用何种动力系统。2013年11月洛马公司首次披露SR-72飞机时，《航空周刊》的推断是基于“现货涡轮发动机+双模态冲压发动机”的TBCC组合循环发动机。《航空周刊》今年4月的报道，首次披露SR-72将采用火箭基组合循环发动机（RBCC）。在2017年6月召开的《AIAA 2017航空论坛》上，洛马公司负责预研的副总裁兼总经理莱德·图斯利（Rob Weiss）透露，SR-72将采用支板引射火箭发动机（Strutjet）方案，并提出了SR-72 验证机将在2020年代早期首飞，更大尺寸验证机将在2020年代晚期首飞。其实，众所周知，航空喷气（Aerojet）公司的亚当·西宾汉(Adam Siebenhaar)，早在1994年就提出了当时就十分看好的Strutjet方案。

1994年提出的Strutjet方案

启示和感想
美军发展高超声速技术，已经超过半𠆤世纪，其中屡经起落,但始终没有修成正果。其主要的教训是在理想和现实之间，存在很大的落差。面对中俄发展高超声速技术的迅猛态势，美军在总结教训后，开始务实起来。这次高超声速路线的重大调整，其特点是更加倚重成熟的火箭发动机。从第一枚空射的高超声速导弹采用固体火箭发动机、继续发展战术助推滑翔导弹、重视XS-1火箭飞机的作用到SR-72采用RBCC动力系统，无不体现出这个特点。但这并不意味着美国会放弃在发展高超声速吸气式发动机方面的努力，而是要将其建立在更详尽更完善的地面试验和飞行试验的基础之上。这次调整似乎也表明，美军不一定如过去的路线那样，会将高超声速吸气式发动机首先用于导弹，而很可能将首先用于类似SR-72这样的飞机上。
由于上述文章的内容比较简略，而且美军还有许多並未公开的项目，因此我们还必须花更多精力，跟踪和分析美军发展高超声速武器的发展，才能全面解读美国空军面向实战的高超声速发展路线。。
美军的这次高超声速发展路线的调整，对我们最大的启示是，我们不应追求盲目“弯道超车”，因为对于充满大国博弈的探索性的军事前沿技术领域，对手往往会不断变道，在后面紧跟就会跟着走冤枉路。何况对手的领跑者可能并不是真正的有实力者，它们领跑是为了掩护，或故意迷惑对方和消耗对方的资源。因此 “弯道超车”不如 “变道超越”。为此我们必须在高超声速发展路线上，充分发扬技术民主，坚持走自主创新的道路。