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高超音速导弹研制要过三道关:助推器、滑翔器、超燃冲压发动机

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【环球时报记者 魏 齐】据朝中社12日报道,朝鲜国防科学院1月11日成功进行高超音速导弹试射,击中1000公里外水域的既定目标。此次试射目的在于,最终确证新开发的高超音速导弹武器系统的全盘技术特性。这是今年以来,朝鲜第二次进行高超音速导弹试射。目前全球多国都在高度关注高超音速导弹武器的研制与部署,那么高超音速导弹的研制要过几道关呢?

第一关:助推器

广义上的高超音速导弹指最大速度超过5马赫的导弹。绝大多数弹道导弹的最大速度也都超过5马赫,算是广义上的高超音速导弹。不过,现在提起高超音速导弹,通常只是狭义的高超音速导弹,即以对地打击为主要任务,主要在大气层内飞行,最大速度超过5马赫、可实施大幅度机动的导弹。

狭义上的高超音速导弹主要分为两类。一类为助推滑翔型高超音速导弹。这类导弹大致由助推器和滑翔器两部分组成。助推器为火箭发动机,它加速到一定速度和高度后,释放无动力的滑翔器,滑翔器内设置有制导、控制装置和战斗部。其射程和最大速度相关,最大速度越高,射程就越远。美国当年试验HTV-2滑翔器的时候,使用了一枚运载火箭,将HTV-2加速到22马赫,这种滑翔器具备洲际射程。第二类为高超音速巡航导弹。这种导弹先由助推器将其加速到一定速度和高度,然后助推脱离,超燃冲压发动机启动。总体来看,高超音速巡航导弹需要额外解决超燃冲压发动机,其研制难度较大。目前只有俄罗斯的“锆石”将开始装备部队。据中国军事专家张学峰介绍,无论是助推滑翔型的高超音速导弹还是高超音速巡航导弹,都需要首先解决助推器的研制问题。尤其在前者中,助推是整个导弹的唯一动力来源,性能优劣很关键。不过,总体上看,助推器的技术相对传统,属于高超音速导弹研制的入门技术。

张学峰表示,对于助推滑翔型高超音速导弹而言,它的助推器和弹道导弹的火箭发动机基本相当,很多这类导弹,包括俄罗斯的“匕首”外形上和弹道导弹没有太大区别,发动机几乎就是使用弹道导弹发动机。这种发动机可以是单级的、也可以是多级的,可以是固体火箭发动机,也可以是液体火箭发动机。比如,美国空军的AGM-183A高超音速导弹(如图)使用了体积小、推力大、能量高的新型固体火箭发动机,最大射程超过1600公里。但三次试射均以失败告终,说明高性能的火箭发动机的研制,也并非一马平川。当然,高超音速巡航导弹同样需要助推器,把导弹加速到超燃冲压发动机的工作速度。不过,总体而言,这类导弹的助推器所占比重较小。


第二关:滑翔器

研制助推器,只是高超音速导弹研制的第一关。第二关——滑翔器才是高超音速导弹的核心领域。通常来说,弹道导弹的弹头只有在末段、最多再加上临近末段的中段,才会在大气层内飞行。弹道导弹虽然能在中段进行机动变轨,但主要通过发动机进行,且机动的范围较小。弹道导弹弹头在末段也能实施机动,但范围较小,其机动主要用于躲避拦截。而助推滑翔型高超音速导弹的一个主要不同在于,弹头主要在大气层内飞行,并能够在大气层内依靠空气动力进行较大范围的横向和纵向机动,使得对方很难预测其打击点。

张学峰表示,为了能够在大气层内进行高效滑行,要求助推滑翔型的导弹在飞行过程中,升力大、阻力小,滑翔距离远。同时,还要“肚里能装东西”。其中乘波体的升阻特性最好,但研制的难度相对较大,另外由于其外形扁平,容积较小,目前尚无实用的型号。圆锥体或类圆锥的旋成体容积较大,但升阻比相对较低。最早的助推滑翔型高超音速导弹,例如俄罗斯的“匕首”的滑翔器主要是类圆锥的旋成体,外形和弹道导弹弹头差别不大,主要通过控制它在大气层内飞行时的迎角来得到一定升力,升阻比较小,总体看研制难度较低。

第三关:超燃冲压发动机

高超音速巡航导弹被普遍认为要比助推滑翔型导弹更具优势。因为这种导弹可以通过发动机吸取空气中的氧气,相同的射程、相同的平均速度,其弹体可以做得更小。例如俄罗斯“锆石”高超音速导弹,可以装到护卫舰的垂发系统中。而且高超音速巡航导弹总体上更廉价、更经济,便于大量使用。助推滑翔型的高超音速导弹,由于在滑翔阶段没有动力,速度会越飞越低,到末段就成了“强弩之末”,容易给对方拦截系统提供拦截窗口。而高超音速巡航导弹,则可以保持以相对均衡的速度飞行。

但超燃冲压发动机的研制却是一大难点。据张学峰介绍,超燃冲压发动机可以说是高超音速飞行器推进技术乃至整个高超音速飞行器技术体系中的核心技术。它涉及空气动力学、气动热力学、计算流体力学、燃烧学、材料学等多学科的前沿问题以及很多交叉学科。“有人形容超燃冲压发动机的燃烧室工作,就像是在飓风中点燃一根火柴,足见其研制难度。”此外,要想进一步提升高超音速巡航导弹的性能,还要解决气动推力一体化等技术。俄罗斯的“锆石”之所以达到接近装备部队的状态,很大一部分原因在于苏联时期的技术积累,以及俄罗斯非常重视研制这种具有战略意义的技术和武器。

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