或已超越美军!中国高超音速防御突破:算法可精准拦截吸气高超武器

《南华早报》于1月27日报道称，中国航空航天的工程师已经解决了一个难题，在高超音速武器拦截上取得了重大突破，这种技术能将飞行器引导到敌方高超音速武器附近，发射动能武器将其击毁。

高超音速拦截：中国科学家的一个算法解决了大问题

全球高超音速武器发展非常迅猛，中美俄各有突破，特别是俄罗斯甚至已经多次在俄乌战场上使用“金扎尔”高超音速导弹攻击乌军目标，这种难以拦截的武器对付乌军如入无人之境。

美国的高超音速计划则从上世纪八十年代开始一直到延续至今，测试了大量高超音速技术，目前已经高超音速武器开始列装，起了个大早却赶了个晚集，但还是赶上了。

除了美俄以外，日本、印度以及欧洲各国都在高超音速技术上投入了大量的资金来研究，我国当然也不例外，并且还是高超音速武器进入现役的极少数国家之一，比如DF-17。

中国科学家找到拦截算法：从不可能变成可能

如此多国家削减脑袋研制高超音速武器的原因很简单，这种武器难以拦截，最大的原因是速度太高并且还能实时机动，速度高还是能拦截的，比如中段拦截和末端拦截，这速度肯定够快，但仍然能拦截，因为这些弹头的轨迹是可预测的，所以KKV弹头或者末端拦截才有机会提前计算拦截点，只要雷达探测、计算机修正弹道准确，弹头就会在预定区域和目标弹头相撞。

但高超音速武器不是这样，因为这些武器不仅高速，而且还可以实时机动，拦截弹根本就不知道在哪设置拦截点，就像在足球场上无法预判中锋的下一个突破方向，怎么拦？连理论可能性都没有，只能眼睁睁看着人家突破底线、射门得分。

但中国科学家在这个不可能的任务上创造出了可能，一组来自中国航空航天的科学家表示，他们已经解决了一个重大数学问题，可以用于计算高超音速飞行器在空中机动的轨迹范围。此前也有科学家提出过类似的算法，但却不是弹载计算机所能完成的，必须要配合地面大型计算机才能算出高超音速导弹可能的机动方向。

如果由地面计算机解算完成再发送给拦截弹，这个时间差足以让对方导弹逃逸，因此这个解算必须为弹载计算机完成，此前的算法弹载计算机无法完成，但中国科学家发现的算法却是可能的，因为这种算法大大节省了算力，优化了计算过程，使得弹载计算机能在极短的时间内完成解算，预测出高超音速导弹的轨迹，大大增加了拦截成功率。

中国科学家设定的拦截方式

中国科学家设定了如下的拦截场景与拦截方式：

• 1、吸气式高超音速武器；
• 2、可重复使用的高超音速无人拦截飞行器；
• 3、拦截方式高超音速飞行器发射动能弹头拦截；

选择吸气式高超音速武器作为拦截对象是基于如下理由，滑翔式高超音速武器需要使用比较大型的助推器，成本相对比较高，未来将会大量被吸气式高超音速武器代替，后者类似于普通以冲压发动机为动力的导弹，两者成本相差不大，因此可能会被大量装备。

以卫星或者预警机以及地面雷达站给出的预警信息，这些在热点方向巡逻的高超音速飞行器被引导至高超音导弹附近，接下来该任务就属于高超音速飞行器了，该飞行器基于如下基础拦截高超音速导弹：

吸气式高超音速发动机比如超燃冲压方式推进的导弹对自身的气动姿态比较敏感，如果做大幅度机动的话可能会破坏超燃冲压发动机的进气状态，因此有可能会造成推力不均甚至熄火，因此该导弹的机动范围必须在超燃冲压发动机工作的范围内，此时的导弹机动范围相对比较有限。

因此弹载计算机才有可能将上述新的算法应用于计算吸气式高超音速导弹的轨迹，此时拦截飞行器已经抵达附近，可以使用动能拦截弹，比如由超高速火箭推进的拦截弹直接对其进行拦截。

负责这项研究的上海机电工程研究所的研究小组负责人殷中杰表示，他们的团队已经成功开发出了这种引导算法，目前已经可以将高超音速无人飞行器引导至目标导弹的6.8千米范围内，在这个距离内已经是高超音速无人载机的动能拦截弹的杀伤范围。但殷先生没有说明拦截弹到底是什么类型，也没有表示究竟是什么原理发射的动能弹。

不过这篇报道似乎还隐晦的指出了一点，我国在5~6马赫的飞行器已经达到了相当成熟的地步，否则不会以此作为节点去拦截高超音速导弹。

高超音速拦截：或已走在美军前面

2022年9月21日，美媒BreakingDefense报道称雷神公司导弹和国防部针对导弹防御局的高超音速导弹拦截器计划提出的提案将开始初步设计，雷神导弹与防御公司战略导弹防御总裁泰菲茨杰拉德在一份声明中说：“我们对这些要求有充分的了解，我们准备继续 GPI 的开发。” “这是向作战人员提供这种能力的重要一步。”

2022年11月18日，美媒BreakingDefense报道称DARPA正在开展的进攻和防御兼备的高超音速项目，目前正是第2阶段，该阶段将侧重于风洞和飞行测试，以量化DACS羽流和拦截杀伤飞行器周围的高超音速气流所产生的空气动力学射流相互作用效应。

从这些报道来看，美军也早已提出多个计划，目前正在突破中，但中国的进度似乎已经走在了美国的前面！

超燃冲压发动机：究竟是什么原理，为何实现那么难？

各国用在导弹上的高超音速发动机，基本以超燃冲压发动机为主，大家都很清楚冲压发动机无法在零速度下启动，一般需要搭配火箭，将其推动到超音速后再启动冲压发动机。

但其实冲压发动机有两类，亚燃冲压和超燃冲压，两类发动机的原理上都没有区别，即利用高速与特殊的进气结构，让气流进入进气道压缩，然后在燃烧室混入燃料点燃从尾喷口喷出，但不同的是亚燃冲压的燃烧室是气流是亚音速的，而超燃冲压发动机的燃烧室经过的气流是超音速的。

但问题也来了，一般情况下的等压燃烧都是亚音速燃烧方式，在亚燃冲压发动机中还勉强可以凑合，但在超燃冲压发动机的燃烧室中气流就是超音速，所以这个时候等压燃烧就不太灵光了，它的燃烧模式应该是一种接近等容燃烧的超音速燃烧方式。

超燃冲压发动机的奇特结构：前后一根直通管子，为何能变成发动机？

很多朋友最无法理解的是无论是超燃还是亚燃冲压发动机，前后管子都是直通的，怎么就能密封气体然后再产生爆炸般的燃烧产生推力呢？

冲压发动机的关键就在从进气道到燃烧室那一段，它利用超音速条件下鼻锥与进气道之间的相互耦合，将激波导入进气道，利用激波的空气进行压缩，从而达到很高的压缩系数。

这只是第一步，更重要的第二步“密封”，从进气道到燃烧室，还有一段进气道，这段距离是用来压缩并密封进入燃烧室的气流，在这段距离上产生的压力，比燃烧室喷入燃料燃烧的压力还要略高一些。

但这个燃烧状态非常脆弱，为了保持燃料的燃烧率恒定，发动机中的压力和温度也必须恒定。似乎看起来很简单，但这个要求是有问题的，随着超燃冲压发动机点燃速度增加，气流密度不变的情况下，通过燃烧室的气流会增加。

而按超燃冲压发动机的要求，必须保证这个燃烧率恒定，那么超燃冲压发动机启动后必须沿着一条特定于其速度的角度爬升，这种最佳的爬升/下降曲线被称为“恒定动态压力路径”，从这个角度看它是持续升高的，据超燃冲压发动机模式给出的工作高度可达75千米，所以在下降时咋办？降低速度维持压力？超燃冲压发动机将遵循一条锯齿波方式前进？

超燃冲压发动机的进气道内激波、湍流混合、两相流、流动分离和真实气体空气热力学非常复杂，此前在超级计算机能对这个超燃冲压发动机建模以前，这个只能依靠有限的计算以及吹风洞实现，但局限性很大，2000年后超计算机得到大力发展，这才迎来了高超音速发动机的大力发展，但至今在吸气式超燃冲压发动机的实用性上仍然存在一些问题。

中美都是超燃冲压发动机研究中的佼佼者，我国虽然在涡扇发动机上起步晚了，但在风洞研究与超燃冲压发动机上并不落后，这一点我们应该值得庆幸，美国起步很早，但由于体制问题，也是未能将实验结果转化为成熟机型，到现在也还在蹉跎中，这对于全世界来说也不算坏事。

延伸阅读：高超音速发动机有哪些？

液体火箭与冲压发动机组合，是未来空天飞机的理想动力，这种组合发动机被称为RBCC（Rocket-based combined cycle：基于火箭的联合循环），这是一种比较有意思的发动机，它不同于将超燃冲压发动机推到启动速度的固体火箭，而是一种液氧为氧化剂的液体火箭。

之所以用液体火箭是基于两个考虑，一个是零速度启动，这一点大家都能想明白，但另一点估计就糊涂了，RBCC会携带过量的液氧，在飞行过程中会根据飞行超燃冲压发动机的工作状态直接加入液氧，以获得更大的飞行速度范围，显著改善发动机工作状况，所以从这个角度考虑，RBCC还是很有希望的。

除了超燃冲压发动机外，爆震发动机也是可以实现高超飞行的，比如脉冲爆震、旋转爆震与斜爆震都可以实现，只是实现难度不一样，就目前而言旋转爆震发动机更接近实用阶段，而且旋转爆震可以零速度启动，这比超燃冲压发动机要优秀得多。

超燃冲压和爆震发动机都是结构相当简单没有旋转部件的发动机，但超燃存在零速度无法启动的问题，所以会和涡轮发动机结合组成TBCC，也可以和加力涡轮发动机和RBCC推进系统结合的TRCC。

还有涡轮与火箭发动机组合的组合循环发动机，它的原理是将空气通过制冷并经过涡轮压缩进入火箭发动机，变成使用大气的火箭发动机，虽然原理很简单，但结构非常复杂，估计很多朋友都看不懂。

除了这些以外，笔者最后给大家介绍一种老掉牙却依然有很多朋友想不明白的发动机：Air-augmented rocket（空气增强火箭）：

它的结构非常有意思，中心是一枚火箭，外围是一个冲压发动机的进气口，为什么要这样设计呢？火箭排气口温度很高，直接排出去不利用下高温是不是很浪费？科学家也是这样想的，这个“冲压发动机进气口”进来的空气就是和火箭高温燃气结合再膨胀排出！

增加排出工质中的质量，也就增加了火箭的推力，比如比冲只有260秒的固体火箭，如此一番操作后比冲可达500秒，这比氢氧火箭发动机的比冲都要高出一大截，简直就是神来之笔，当年NASA的NASA GTX就是这种结构，前苏联也设计过一种Gnom火箭也是这种结构。

但如此好的东西怎么就没推广呢？原因也很简单，能利用的大气层厚度不够，而且这个进气道非常重，是中心那枚火箭的5~10倍，并且整枚火箭都要围绕这个进气口设计成怪模怪样的气动外形，这又增加了质量，这成了增加推力、增加比冲却不得不增加结构重量的怪圈。

在大气层内，用小型涡喷和涡扇代替火箭，可以获得3000S以上的比冲，现在又有超燃冲压发动机试图让导弹有火箭的速度，又像涡扇那么省油，还有固体冲压发动机解决航程问题，而太空运载火箭还是原来超重的问题，真是一个天才的设计却被自身质量拖累的好玩意儿！