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高超音速武器的原理与炒作

来源:雷火电竞app官网  作者:雷火竞技  2022-10-01 02:39:34

   详细介绍

  2018年,俄罗斯总统弗拉基米尔·普京(Vladimir Putin)在俄罗斯联邦议会发表电视讲话,宣布正在进行的与美国的军备竞赛升级。美国在2002年退出了“反弹道导弹条约”(ABM)。在拒绝了长达数十年的军备控制协议之后,美国开发并开始建立起一个防御网络,以拦截远程弹道导弹,威胁到俄罗斯遏制对其国家的攻击的能力。普京对听众说,他曾警告美国人,俄罗斯将被迫对这些部署做出回应,但他们拒绝倾听。“现在听着!”他说。

  普京宣称,俄罗斯正在研发新的高超音速武器:在大气层中长距离飞行的导弹,其飞行速度是声速的五倍以上,或者说比5马赫还快。(1马赫等于1倍音速。1马赫和5马赫之间的速度是超音速的,而超过5马赫的速度是高超音速的。根据他的说法,其中一个叫做Avangard的导弹是一种高度机动的导弹,它可以以超过20马赫的初始速度滑翔数千公里,这使得它“对任何防空或导弹防御系统都是绝对无懈可击的”。

  普京的宣告,伴随着对新武器的恐惧心理以令人难以置信的速度在全球范围内的蔓延,为一场危险的新军备竞赛火上浇油。参加这场竞赛的这种武器不仅因其速度,而且还因其隐身性和机动性而受到追捧。洲际弹道导弹在向目标俯冲之前遵循椭圆路径进入太空,其速度可达20马赫以上,但它们的大部分飞行轨迹都是可预测的,通常只能在重返大气层后短暂机动。相反,高超音速武器大部分时间都会在大气层深处飞行,利用气流产生的升力来绕来绕去,试图避开。在如此低的高度飞行,这种武器将避免被地面雷达系统探测到,直到接近他们的目标,使他们更难被拦截。

  在普京讲话后的一次评估中,美国军方官员表示,中国也在研制将导致“军事变革”的高超音速武器。十五年来一直致力于类似系统的五角大楼加快了步伐;去年国会同意拨款32亿美元用以研究和发展高超声速武器和对其的防御技术。俄罗斯和中国现在都声称各自部署了至少一个这样的系统。美国有六个已知的高超音速计划,分别是空军、陆军和海军。支持者说,这些武器非常快速、敏捷,而且几乎是看不见的。

  我们有不同的意见。我们属于一个分散在世界各地的小型但充满活力的物理学家和工程师社团,研究新的武器系统,以了解它们对全球安全的潜在影响。这一传统有很长的历史,可以追溯到曼哈顿项目的参与者和俄罗斯科学家,比如安德烈·萨哈罗夫(Andrei Sakharov)。萨哈罗夫试图减轻他们帮助制造的核武器对世界造成的威胁。作为调查物理学家,我们收集关于新的通常是秘密的技术的信息,分析它并与公众分享我们的评估。

  我们的研究表明,高超音速武器在某些情况下可能具有优势,但绝不构成一场革命。关于它们的许多说法都是夸大的或完全错误的。然而,人们普遍认为高超音速武器是一种改变游戏规则的武器,这加剧了美国、俄罗斯和中国之间的紧张关系,引发了新的军备竞赛,增加了冲突的可能性。

  近一个世纪以来,军方一直在追求高超音速飞机,但只取得了有限的成功。上世纪30年代末,奥地利工程师尤金·桑格和德国物理学家艾琳·布瑞特设计了第一架高超音速飞机,一种名为Silbervogel的滑翔机。它将从火箭上发射,主要在大气中飞行,像任何其他滑翔机一样,使用空气动力升力保持在高空,但纳粹规划者认为建造起来太困难、太昂贵了。

  在第二次世界大战期间,德国工程师开发了火箭发动机,燃烧燃料和化学氧化剂的混合物推进剂,释放出强烈的能量爆发。在随后的几十年里,实验火箭动力飞机打破了一次又一次的速度记录。1947年10月,火箭推进的X-1成为第一架正式突破音障的有人驾驶飞机--飞行速度超过了1马赫;在20世纪60年代,X-15在试验中达到6.7马赫。火箭发动机产生的强大的载荷、对人体生理提出了极大的要求,因此,驾驶火箭推进的飞机从来没有从实验变成实用。但是火箭技术使美国和苏联能够制造核武器弹道导弹的武库,这些导弹的射程超过20马赫,可以跨越各大洲。

  上图资料来源:“高超音速飞行喷气推进系统中的超音速燃烧”,Javier Urzay著,流体力学年刊,第50卷;2018年1月。

  然而,在这个时代发展起来的另一项技术,喷气式发动机,却成了军事和商业旅行的主力。在大气中吸入氧气以持续燃烧燃料,喷气式发动机不携带氧化剂的额外重量。它不需要火箭发动机的极端加速度,就可以进行长距离运输和机动。今天,有人驾驶喷气式飞机官方公布的最快速度约为3马赫,是由洛克希德SR-71黑鸟1976年7月创造的。喷气发动机也为巡航导弹--高机动性和无人驾驶的飞行器提供动力,其中最快的能够达到超音速。

  与此同时,高超音速滑翔机继续升空翱翔并降落。1963年,美国在研发X-20 Dyna-Soar高超音速滑翔机时花费了超过50亿美元,但最终放弃了这一设计。但是,在2001年9月11日基地组织袭击之后,乔治·W·布什总统指示研制高超音速导弹,能够迅速和准确地用非核弹头挫败世界各地的恐怖活动。(弹道导弹也可以完成此类任务,但这种武器的发射可能被误认为是核攻击,引发核战争。)

  布什还退出了1972年美国和苏联签署的“反弹道导弹条约”。该条约阻止敌对的一方建造防御盾牌,以对抗对方的弹道导弹--从而阻止了建造防御盾牌和突破对方技术的技术竞赛。相反,布什政府开始开发和部署拦截系统,以防止远程弹道导弹的袭击。由于担心他们阻止美国核攻击的能力会受到损害,俄罗斯和最近的中国开始寻求不同的战略来超越美国的防御盾牌。最近部署的这些装置是高超音速导弹,它们飞得太低,无法被美国目前的远程弹道导弹拦截系统拦截。总之,9/11袭击引起了一系列仓促的决定,使这三个超级大国都在竞相发展基于各种技术并为各种目的设计的高超音速武器。

  在短期内部署的高超音速系统将是“助推-滑翔”武器,这种武器将通过火箭助推器发射,然后在没有推进的情况下滑翔很远的距离。(美国和其他国家也在努力制造高超音速巡航导弹,但它们的引擎仍在开发中。)然而,我们的研究表明,高超音速滑翔机面临着严峻的挑战。物理定律是拦路虎、绊脚石。

  高超声速飞行器的设计者面临着一个令人望而生畏的对手:阻力,流体为任何通过它的东西而产生的阻力。飞行物体上的阻力与其速度的平方成正比,使飞行物体在高超音速时特别受阻。例如,在5马赫的滑翔机的阻力是在1马赫时的25倍,而在20马赫20的滑翔机面临的阻力是在1马赫时的400倍。

  更严重的是,因为它把空气分子向前推到一边:造成飞行器的能量流失与速度的立方成正比。因此,一架5马赫的滑翔机将比1马赫的滑翔机损失125倍的能量;以20马赫飞行的滑翔机损失能量的程度是1马赫的8000倍。同时产生的问题是,滑翔机周围空气的动能会转化为热能和冲击波。其中一些能量会以热的形式返回到飞行器上:在10马赫或10马赫以上飞行的助推滑翔武器的前缘可以在持续一段时间内达到2,000凯尔文以上的温度。保护飞行器不受这种高温的影响是工程师们面临的最大问题之一。

  同时,像任何其他滑翔机一样,高超音速滑翔机必须产生升力--一种垂直于其运动方向的力--才能保持在高空并可转向。(滑翔机以正常方式转向,或以其他方式改变升力的水平分量)。正因为如此,升力也与速度的平方成正比。此外,产生升力的气动过程也不可避免地产生阻力。升力L与阻力D的比值称为升阻比L/D,是滑翔机性能的重要指标。

  高超音速飞行器的L/D可达值远低于常规飞行器。对于亚音速飞机,比例可以是15或更大。然而,经过几十年的研究和开发,美国在过去十年中测试的高超音速武器的L/D值似乎还不到3。如此低的L/D比意味着低升力和高阻力--这限制了高超音速滑翔机的速度和范围,降低了它的机动性并增加了表面热量。

  似乎这还不够,在高超音速下,流经物体的空气的物理和化学性质发生了根本的变化。飞行器被加热到数千度,周围的空气分解,将氧分子转化为游离原子,从而使飞行器表面被电离和冲刷。即使导弹在这种焙烧过程中幸存下来,由于发热也会产生一个明亮的红外信号,使卫星可以看到。

  2010年代初,美国试飞了一种远程滑翔机--高超音速技术飞行器2(HTV-2)。被一枚火箭提升到20马赫的初始速度后,它的滑翔里程可达7600公里。我们结合这些测试的数据和其他有关飞行器的信息来构建高超声速飞行的详细计算机模拟。我们还把助推滑翔武器的性能与已经存在的技术,如弹道导弹或巡航导弹进行了比较,在飞行时间,机动性和隐形性这三种能力上,高超声速武器被认为是例外的。

  高超音速武器通常被认为减少了弹头飞行所需的时间,但这一说法在很大程度上是基于与亚音速巡航导弹或弹道较长的弹道导弹的误导性比较。弹道导弹最节能的路径,称为最小能量弹道,在弹头落向目标之前,会飞行在地球大气层上方的高空。弹头避免了大部分飞行过程中的大气阻力,但其路径比高超声速滑翔机要长得多,因此到达同一目标可能需要更长的时间。

  然而,弹道导弹也可以在较低的高度飞行,这被称为低空弹道--长期以来一直被认为是核攻击潜艇的一种更快发射的方法。这样的路径比能量最小的路径要短得多,跟随它的弹头也将避免拖曳其大部分轨迹。相反,高超音速滑翔机在大气中花费的时间要多得多,阻力会降低速度。我们的计算表明,低空弹道上的弹道导弹可以在相同的射程内花费与高超音速武器相同或更短的飞行时间。

  机动是高超音速武器的另一个被宣传的优势。对此,现实情况更加复杂。几十年来,美国一直在为弹道导弹研制和测试机动再入飞行器(MaRVs)--这种弹头在接近目标时使用空气动力改变方向以提高精度和躲避导弹防御--机动能力并不是高超音速武器独有的。可以肯定的是,MaRVs通常只在飞行后期摆动和转弯。他们不能像高超音速滑翔机应该做的那样,在整个过程中蜿蜒而行。但是,高超声速滑翔机的机动性受到使如此快速的飞行器转向所需要的巨大力量的限制。

  HTV-2滑翔机,像箭头一样在火箭顶端,美国军方在2010年代初进行了实验,但未能达到宣传的效果。

  火箭助推器正在发射根据20世纪70年代的锥形设计的五角大楼正在开发的另外一种高超音速滑翔机。

  要改变方向,高超声速滑翔机必须使用升力来产生水平速度,而水平速度本身可能必须是高超音速。例如,一架滑翔机以每秒15马赫或4.5公里的速度飞行,要转向30度,必须产生7.5马赫的水平速度,或2.3公里/秒的水平速度。(由于音速随密度和高度而变化,航空工程师通常认为1马赫是大约每秒300米左右的速度,我们也是如此。)同时,滑翔机必须保持足够的垂直升力以保持高度。这样的机动速度和距离都很大。

  为了产生改变方向所需的额外升力,飞行器可以俯冲到较低的高度,从更密集的空气中获得更大的推力。它会再返回更高的高度,再以较小的阻力回到更高的高度,以恢复它的飞行。降低高度会减少转弯所需的时间,但也会增加飞行器所受到的阻力。例如,在15马赫时,像htv-2这样的滑翔机将在大约40公里的高度飞行。如果它下降2.5公里,那么转向30度大约需要7分钟,在这段时间里,它将沿着一个半径约4000公里的大弧线运行。即使在如此短的时间内,在更密集的空气中飞行所产生的额外阻力也会使滑翔机的速度降低约1.3马赫,从而使滑翔机在原本可能行驶的3000公里范围内损失约450公里的距离。

  一定程度的中途机动,比如选择一个新的目标,是有用的,滑翔机可能比弹道导弹弹头做更大的机动。尽管如此,MaRVs在重返大气层时已经可以机动数百公里,所以很难看出滑翔机这种能力是如何具有革命性的。

  另一个常见的说法是,由于滑翔机的飞行高度低于弹道弹头,它们对于预警系统来说将是“几乎看不见“。地面雷达系统可以从3500公里外的1000公里高空探测到弹头,但由于地球的曲率,只有在500公里以外的地方才能看到滑翔机在40公里的高度接近。但美国和俄罗斯都有早期预警卫星,有敏感的红外传感器,可以探测到滑翔机由于其极高的温度而发出的强烈光线。我们的分析表明,目前部署的美国卫星将能够探测和跟踪滑翔机在大气层中以覆盖大部分高超音速状态的速度的飞行。

  在可预见的未来,如果滑翔机在高超音速飞行过程的低端飞行--低于6马赫--它们可能会避免被美国卫星看到。这种担忧似乎促使美国对新的卫星传感器星座进行了研究。但是,类似于htv-2的助推滑翔机的初始速度为5.5马赫,它的行程将小于500公里,因此以这种速度飞行将大大限制它的飞行距离。可以想象,高超音速巡航导弹可以在更远的距离内保持这些低速。然而,如此缓慢的速度可能会否定高超音速武器的另一个关键优点--它们避免末端导弹防御的能力。

  俄罗斯和中国似乎在发展高超音速武器,这很大程度上是因为它们有能力避开美国的导弹防御系统。美国地面中程防御系统和舰基宙斯盾SM-3系统,旨在保卫美国、日本和其他国家,在大气层上空拦截,无法与高空飞行的高超音速武器交战。具有足够速度和机动性的高超音速滑翔机也可以避开在大气层中工作的较短射程的防御系统,如美国爱国者、SM-2和THAAD系统。这些拦截系统保护几十公里宽的小区域,在军事目标和船只周围,使用导弹拦截来袭的武器。他们的效能取决于与他们试图击中的导弹相比的机动性,而这反过来又在很大程度上取决于飞行速度。例如,爱国者使用火箭助推器达到6马赫以下的速度。如果高超音速武器保持高速,它很可能会超过这些--但当低于6马赫时,它可能会变得不堪一击。因此,几乎只要一架高超音速滑翔机在卫星上看不见(但地面雷达可能能看到),它就很容易被拦截。

  此外,穿透防御盾牌的能力并不是高超音速滑翔机独有的。在大气层以外运行的特别容易被诱饵和其他反措施所愚弄,而俄罗斯和中国已经开发并可能部署这些反措施。从飞机上发射的中短程弹道导弹可以在足够低的高度飞行,以避免这种“大气层外”防御。同样,装备弹道导弹,包括短程和中程导弹,可以使它们在大气层内机动和穿透防御系统。

  今天,美国的重点已经从发展如htv-2那样的远程滑翔机,转向几千公里的短程高超音速系统。这一变化的动机不仅是由于试验显示的HTV-2型滑翔机的缺陷,而且还有一项新的任务:在当地或“战区”使用武器,以渗透和摧毁防御系统。然而,就性能而言,这些短程高超音速滑翔机几乎与低空弹道飞行的机动再入飞行器(MaRV)类型的弹道导弹几乎没有区别。这种相似性在2018年变得很明显,当时美国国防部宣布选择一种高超音速飞行器,供陆军、海军和空军联合使用。五角大楼没有选择像htv-2那样的楔形,因为它会增加L/D的数值,而是选择了一种更老的锥形设计,这种设计是基于最初在20世纪70年代开发的试验性MaRV。这种武器具有较小的作战范围,机动性较低,但这项技术的风险较小。

  20世纪70年代的设计并不是革命性的。在我们看来,五角大楼似乎在利用有关高超音速武器的炒作来获得国会的资助,同时又回到了半个世纪前为其主要系统开发的一项技术。虽然五角大楼在其他设计上投入了一些资金,但它的重点并不是被宣传的革命性系统。

  如果可能的话,大幅提高L/D值将减少远程高超音速飞行的技术障碍。理论上,乘波体(Waverider)设计可以将高超声速飞行器的L/D值提高到6或更高。它们采用楔形形状,使滑翔机周围气流在给定速度和高度时的激波模式相匹配,将部分激波包围在飞行器下面,以提供额外的升力。

  这一概念始于20世纪50年代末,但事实证明很难实际应用在飞行器上。HTV-2实际上是基于这种设计,但实现的L/D值仅为2.6。即使如此,美国空军在2020年退出了五角大楼的联合高超音速计划,并宣布将在短程滑翔机上采用类似htv-2的楔形设计。将L/D提高到4或6将有助于减少热负荷和增加滑翔机的射程。但是,这种改进会为军事用途开辟新的可能性吗?

  我们不这么认为。温升仍然是一个主要的挑战,因为随着L/D的增加,车辆的表面温度下降得相当缓慢。例如,我们的计算表明,将L/D从2.6增加到6将使滑翔机在给定速度下的表面温度降低最多15%。因此,在远程飞行中防止飞行器被烧坏仍然是困难的。L/D值的增加还会降低导弹的红外特征,并有可能将导弹在未被探测到的情况下飞行的速度提高到7马赫。此外,增加L/D值还能提供更高的机动性--但通过相对较小的滑翔机初始速度的增加,可能会更容易实现这一点。(回想一下机动性取决于升力,升力按速度的平方值增加。)由于这些原因,高超声速滑翔机的可预见进展,例如增加L/D值,似乎不能赋予高超声速武器革命性的能力。

  尽管如此,围绕高超音速武器的炒作促使对这些系统的开支大幅增加,加剧了美国、俄罗斯和中国之间的恐惧、不信任和冲突风险。快速和可能未被察觉的攻击的情景即使被夸大,也可能促使这些国家对真正被夸大的或错误的警告作出迅速和轻率的反应,从而增加陷入冲突的可能性。

  通过提供对新军事系统的技术分析,像我们这样的独立科学家和工程师寻求帮助公众和决策者对这些系统作出正确的决定。然而,我们的队伍正在减少。尽管用于设计和制造新型武器的资金似乎是取之不尽的,但对它们的能力和影响进行这种公正研究的资源却在不断减少--这给职业早期研究人员造成了巨大的障碍,否则他们可能会更乐于加入这个领域。然而,我们认为,我们提供的无偏见和有见地的研究是至关重要的,政策制定者应当注意这些研究。美国国会和五角大楼需要摒弃炒作,对高超音速武器的潜在利益和成本进行仔细、现实和技术上的评估。未能充分评估这些因素会浪费开支和增加全球的风险。