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《科学24小时》

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高超音速武器开启战争新态势

2015-06-19 10:52:01

美国2049项目研究所的研究员伊斯顿在一份报告中称:“如果本世纪发生大国战争的话,战争将不会始于地面和空中的爆炸声,而是始于外太空的动能和激光光束的无声启动。”这会是危言耸听吗?

 

好莱坞科幻大片《变形金刚2》中,美军用战舰前甲板上的神秘武器发射了高超音速炮弹,对金字塔顶的“大力神”予以毁灭性打击,这件武器就是未来高超音速动能武器的典型代表——电磁炮。

高超音速,是指物体的速度超过5 倍音速(约合每小时移动6000 千米)。高超音速武器主要包括高超音速飞行器和动能武器两大类。其中高超音速飞行器主要包括高超音速导弹、高超音速飞机以及空天飞机等。它们采用的新型冲压发动机被称为“第三次动力革命”,因此高超音速飞行技术也被视为下一代飞行技术。动能武器又称高超音速射弹武器,是将射弹推进到5 倍音速以上,通过直接碰撞的方式摧毁目标的武器装置。动能武器的典型代表是电磁轨道炮。

目前,美俄两国高超音速武器研发处于全球顶尖地位,法国、德国、日本等国家也正在加快高超音速武器技术研发的步伐。那么,为何世界各国都对高超音速武器的研制趋之若鹜呢?

 

价位合理的新型远程打击工具

 

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作为战略武器,洲际弹道导弹能够实现打遍全球的目标,但是它的成本太高。如果使用短程战术导弹又必须考虑建立前沿基地,同样代价不菲。因此,为了满足未来“全球快速打击”的能力需求,各军事强国急需一种成本够低、速度够快、射程够远的新型飞行器,于是高超音速武器就成为军事强国的不二选择。

 

节约作战兵力

据以往美军发动空袭的过程来看,为了攻击预定目标,美军大多需要出动众多空中力量,如战斗机接力护航、预警机空中指挥、加油机定点保障、电战机开路护送等,才能顺利打开敌方的防空缺口并攻击目标。一旦使用高超音速武器,如新型导弹,仅凭它急如闪电的速度和大多防空武器难以企及的高度,就可以孤身犯险,完成对敌方防线内的目标攻击任务。

 

节约发射成本

以往的高超音速飞行器大多以火箭为动力,如美国“大力神”运载火箭向近地轨道(约100200 千米高)运送13 吨载荷,要消耗燃料600 吨以上,其中大部分是氧化剂。新型高超音速飞行器X-51 采用超燃冲压发动机吸入空气充当氧化剂,因此,飞行器上仅需携带燃料即可。加之高超音速飞行器大多在6 万米高空飞行,那里空气稀薄,飞行阻力只有传统飞行器的几十分之一,加上低阻力的外形设计,无需消耗太多燃料就能维持高空超高速飞行。如果利用从空气稀薄区进入空气稠密区时气压反弹的“打水漂”弹道设计,高超音速飞行器的飞行速度及距离都能有效维持。

为了减重,目前世界高超音速飞行器的研发更多采用无动力或微动力滑翔技术。美军的“猎鹰计划”目前正在发展的通用航空飞行器(CAV),要实现5500 千米的滑翔距离和2200 千米的横向机动能力,增强型通用航空飞行器(ECAV)要求机动性能再增一倍。因此,为了实现同一作战目标,高超音速飞行器的发射成本都较低廉。而X-37B 空天飞机的发射和运行成本,以及重复利用率都远胜于已退役的航天飞机,这早已是不争的事实。

 

节约制造成本

飞行器的最大速度及最远飞行距离究其根源取决于发动机。传统喷气式发动机结构复杂、零件繁多,对精密制造、组装测试的要求都极高。而在飞行速度达到3 马赫以上时,空气的冲压比可达到37,发动机无需压缩机,只需直接喷注燃料即可。因此,超燃冲压发动机的总体结构类似一个带扰流板的腔体,仅由进气道、燃烧室及喷管组成,需要安装的活动部件少。较之喷气式发动机而言,其生产工艺相对简单,便于大规模制造,且易于降低成本。

 

引领未来的空天打击手段

美国空军研究实验室高速系统分部的罗伯特·梅谢尔声称:“目前,高超音速飞行技术就是世界航空界潜在的前沿领域之一。”在美国空军的“全球快速打击计划”中,高超音速武器是优先研发的项目之一,并成为空天防御领域的重大现实威胁。

 

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>>WU-14 高超音速导弹飞行滑翔过程

 

飞得高、跑得快、突防能力强

防空系统能否拦得住目标,既取决于防空导弹自身的性能,也取决于预警系统能否及时发现目标、解算出目标飞行轨道、预判出防空导弹发射窗口,以及与目标的空中迎击点。这些作战要素还必须及时传输给指挥系统,引导防空导弹作战。由于高超音速武器飞行中段大都在6 万米甚至更高的高空飞行,除标准-3 导弹等专打大气层外目标的反导武器之外,大部分装备常规发动机的战术防空导弹根本就够不着!如俄罗斯的C-300/400 地空导弹,最大射高都在3 万米左右,因此大多数反导武器不得不把反导的注意力集中在目标的起飞和最后攻击阶段(末制导阶段)。而高超音速武器起飞阶段只有区区90 秒,而且远离敌方地基防空系统,即使敌方发现也难以及时进行解算并拦截。因此,末制导阶段就成为各国的重点反导拦截阶段,但此阶段高超音速武器的速度大多高达6 马赫以上,甚至十几马赫,几乎达到洲际导弹的末段速度!如美国计划在2016 年试飞的新型HX 高超音速飞行器,据称计划速度达到20 倍音速。

目前,除美国具备较强的全球早期预警能力外,其他国家的早期预警能力都较弱。发现并确定小型高超音速武器目标时,攻击距离往往就只剩下500 千米左右,只能提供4 分钟甚至更短的反应时间,地面反导武器已难以完成发射准备。如C-400 地空导弹从接到作战命令,到进入发射状态需要5 分钟。退一步说,即使地空导弹成功发射,面对疾如闪电的拦截目标,速度较慢的地空导弹几乎无从招架。如果拦截目标此时再进行机动变轨,或采用多弹头技术,地空导弹的引导系统要重新解算并引导攻击就难上加难。这也是目前各国都无法拦截远程洲际弹道导弹的主要原因。

 

身手敏捷难以预测

高超音速武器的飞行轨迹复杂得令人难以判断。由于采用了空气稀薄区和稠密区的大气激波反弹原理,它在飞行中段大多通过大气激波提供升力,以类似“打水漂”的方式行进,就像骑着震幅渐弱的正弦波一样向目标上空疾驰。因此,高超音速武器又被称为“驭波武器”。这种弹道与所处瞬时位置的大气层密度差值密切相关,对方几乎难以判断和拦截。而X-37B 空天飞机是美军获得进入近地轨道、低成本可重复使用的最有效手段,X-37B 2.5 万千米的时速在轨运行,加之其具备快速变轨能力,敌方很难对其定位并攻击。

 

惊世骇俗的毁伤效能

据计算,1.5 千克的高超音速飞行体的动能就足以使一座桥梁解体。因而,除了高超音速突防能力强外,打击威力巨大也是各国争相研发高超音速武器的原因。目前,美国军方对高超音速巡航导弹侵彻力的要求是对钢筋混凝土611 米,对一般土层则要达到40 米。

动能武器打击威力主要通过射弹的动能以及运载炸药量(填充满炸药时)来衡量,而有的高超音速武器如电磁炮、“箭-2”拦截弹干脆不装炸药,仅凭自身动能直接撞击的方式就能摧毁目标。根据动能公式EK= 12 mv2,在质量相同的情况下,速度越快,打击目标的动能就越大。作为动能武器的电磁炮依靠电磁轨道给弹丸定向加速,具有推力大、射向稳、隐蔽性好、发射能量可调和经济实惠等诸多优点。2010 12 月,美国海军研发的电磁炮发射了20 磅的弹丸,以5 倍音速精确击中了200 千米外的目标,其射程是该国常规武器的10 倍,而且威力惊人。美国海军计划给未来战舰装备的电磁炮射程达321 千米,能在敌舰防区外发动攻击。如果说电磁炮已经备受人们的关注,那么2012 年曝光的一款名为“上帝之杖”的太空武器则更吸引眼球。据称,美军计划依托太空平台搭载大量高密度金属棒,在卫星制导下利用小型火箭助推和自由落体产生的巨大动能,可在任何时间对地球上任何地区的高价值战略目标实施快速、精确打击,并能毫不费力地摧毁大型建筑群和几百米深的地下掩体。“上帝之杖”能发挥类似核武器的威力,又没有核辐射的隐忧。由此看来,高超音速武器的确能带来“点石成金”的效果!

 

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>>上帝之杖

 

从某种角度上讲,社会发展史是世界各国的科学竞争史。当国家之间出现科技代差时,实力弱的一方就失去了话语权,危机必然随之降临。因此,一个国家的科技创新一旦停滞就会落后于时代,落后就会挨打!因此争夺军事科技的制高点也成为当代各军事强国纷纷致力研发的原动力。

 

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>>电磁炮

 

名词卡片

侵彻力它亦称贯穿力,指弹头钻入或穿透物体的能力。其大小主要取决于侵彻体质量与飞行速度、侵彻体直径和被侵彻物的材质与角度等,通常以侵彻物体的深度来表示。





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