美國高超音速武器 【飛羽社】AGM-183A下馬後，美國空軍押寶的吸氣式高超導彈到底是啥？

大家好 這裡是飛宇社 2023年3月28日 美國國會就2024財年空軍軍費預算問題召開聽證會 會上 美國空軍部長弗蘭克‧肯德爾證實 在稍早的3月13日 他們進行了AGM-18-3A的第二次彈箭體合一試射 導彈雖然成功與載機分離並點火 但沒有達到其射擊的最高速度 也沒有取得相應的實驗數據 此次試射失敗 弗蘭克‧肯德爾表示 美國空軍的承波體助推滑翔式高超音速導彈 ARW項目已經陷入困境 在當前的時間節點 他更看好HACM項目 同時 這位空軍部長向國會保證 如果在接下來的兩次試射中 AGM-18-3A若仍未能完成定型測試 就會在2024年下馬這一項目 為2025財年截流 3月29日 美空軍採購部長安德魯‧亨特更是直接表示 雖然依然有必要對相關項目保持投入 但空軍已經放棄了採購AGM-18-3A的計劃 也就是說 到了2024年 採用雙錐體構型的LHW-CPS 大概率會成為美軍唯一的助推滑翔式高超項目 如果一些營銷號及其結晶粉 仍然執意開除雙錐體的超級 我的建議是直接飛去華盛頓 西宗拍板你做美國空軍一把手 而被一眾營銷號說成能追平東風-17的神器AGM-18-3A 恐怕往後就只能在美國大片裡一展神威了 不過弗蘭克‧肯德爾的發言也包含著另一個信息 那就是美國空軍將會在ARW項目取消後 傾盡全力壓倒我們今天視頻的主角HACM項目 那麼什麼是HACM項目? HACM即Hypersonic Attack Cruise Missile 是美國於2020年10月啟動的 吸氣式高超音速導彈研發項目 在吸氣式高超音速飛行器領域 美國的技術積累相對較多 早在13年前 美國空軍就和DARPA聯合開發了 並在2010年5月25日進行了試射 在這次試射中 X-51A短暫地達到了5.1馬赫 在接下來的三年中 X-51A又進行了三次試射 其中2011年6月13日的第二次試射 因為近期道故障而失敗 2012年8月14日的第三次試射 因為控制一面故障失敗 2013年5月1日的第四次試射則取得了成功 在5.1馬赫的速度下 巡航了約三分三十秒 在X-51A的基礎上 DARPA和美軍進行了進一步研發改進 開展了全新的Hawk項目 英文全稱Hypersonic Air-Breathing Weapon Concept 亦為吸氣式高超音速武器驗證 這一項目可以視作HACM的預言 也可以視其包含在HACM內 2023年1月30日 DARPA宣佈他們在過去的這個月中 成功完成了Hawk的第四次試射 但拒絕透露具體時間和地點 只表示該飛行器在6萬英尺的高度上 在這次試射前 Hawk已經進行過三次試射 第一次在2021年的9月份 第二次在2022年3月 第三次在2022年的7月 三次試射中Hawk均成功達到了高超聲速 在完成了四次試射後 DARPA宣佈 Hawk項目已經取得了足夠多的實驗數據 其概念驗證的使命已然完成 項目會在今年關停 轉而由雷聲和諾斯洛普 在HACM的框架下開展實用化研究 從Hawk的進度信息來看 美軍的吸氣式高超音速導彈研發非常順利 其試射四連勝的成績 也遠遠好過美國的其他高超音速武器項目 但反常的是 美軍似乎並不認為 該項目能夠快速填補 它們在高超導彈上的缺口 並給出了2027年完成測試的時間節點 甚至遠遠晚於屢屢失敗 面臨下馬危機的 ARW和LHW-CPS 兩種助推滑向式高超音速導彈 可以說美國的吸氣式高超音速武器 為什麼會出現這種情況 美國的吸氣式高超音速導彈進展到底如何 要聊這個話題 首先要解釋吸氣式高超音速導彈的原理 顧名思義 吸氣式高超就是採用了吸氣式發動機 作為動力的高超音速飛行器 通常情況下 其所採用的動力為液體燃料的衝壓發動機 與火箭發動機相比 衝壓發動機不需要自身攜帶氧化劑 並且結構非常簡單 因此就有著較好的比重參數 不過實用化的吸氣式高超音速飛行器 卻不能只有吸氣式發動機一種動力 這種導彈都有兩個部分組成 除了衝壓發動機的巡航動力外 它也需要一個採用火箭動力的助推部分 並且往往還是大助推器加小巡航段的模式 即助推器的質量佔比大於巡航段 為什麼不是用小助推器加大巡航段的模式 來讓比重更高的超燃衝壓工作時間更長 比重更小的火箭助推工作時間更短呢 這是因為常用的液體燃料超燃衝壓發動機 對於來流速度的要求較為苛刻 小助推器並不能滿足其進行全推力工作的速度需求 我們在過去的視頻中曾經提到過 超燃衝壓對來流速度的需求 但當時我們只是簡單地給出了約3馬赫的啟動速度數據 實際上這個結論並不完整 因為能啟動並不意味著就能產生 大於當前飛行阻力的推力 我們都知道超燃衝壓發動機的工作原理 是讓來流經由進氣道進入 在衝壓效應的影響下 通過自壓縮來減速增壓 在隔離段轉裂預燃 再來到燃燒室燃燒 最後從噴管中噴出 而在這全部的過程中 來流的速度都是超過音速的 在這樣有約束的發動機流道中 燃燒室內燃燒釋放的熱量 有一部分會被來流吸收 多處的部分會完全以燃燒波的形式傳播 燃燒波受壁面反射 又會很快轉變成上行燃燒波 如果化學能釋放率進一步提高 上行燃燒波就會發展成為上行激波 上行激波的出現 會造成發動機流道內部壓力跳躍 從而產生不必要的能量損失 並且誘發不穩定燃燒 在來流馬赫數較低時 來流不足以抵禦強度夠大的上行激波 就會導致流道堵塞 從而導致燃燒停止 而隨著燃燒停止 上行激波消失 流道再次通暢 燃燒室再次點火並重複以上過程 這就是超音速發動機發生喘震的原因 為了避免喘震 在相對較低的馬赫數來流條件的環境中 超音速發動機經常採用低當量比 來保持燃燒穩定 這裡的當量比又稱燃料係數 它指的是燃料燃燒時 理想狀況下完全燃燒需要的空氣量 與實際供給的空氣量之比 當量比小於1 意味著實際空氣量 超過完全燃燒的理論空氣量 即空氣量過剩 實際情況中往往意味著燃料投入少 此時發動機達不到理論上的順時最大推力 雖然推力小了 但此時燃料釋放的熱量小 燃燒波較弱 可以有效降低前溫所說的上行燃燒波強度 從而降低或避免上行激波的產生 來保證發動機供礦的穩定 我們可以簡單的理解為 超音速發動機在相對較低的來流馬赫數下 需要減少自己的推力 來保證燃燒的持續運行 根據實驗經驗 在來流馬赫數約為5以上時 強大的來流才能衝開上行激波 是碳氫燃料超音速發動機全推力工作 而在剛剛滿足啟動條件的馬赫30 超音速發動機的推力 可能只會有其理論最大推力的十分之一左右 對於必須加速爬升的導彈來說 不能全推力工作的超音速發動機 顯然不能滿足其推力需求 因此實用化的吸氣式高超音速導彈 才會需要一個比巡航段大很多的助推段 將導彈先加速到5馬赫 再使用超音速發動機進行巡航 以X-51A吸氣式高超音速飛行器為例 其超音速發動機的最大推力僅有5000牛左右 並不能從理論上的最低啟動速度 即3馬赫開始 自己加速到5馬赫再進行巡航 因此其工作模式其實是 讓巡航段在火箭助推器的推進下 先加速到4.8馬赫 再由超音速發動機接力加速到5.1馬赫 同理 當下所有的吸氣式高超音速飛行器或導彈 在使用液體燃料超音速發動機時 也會遇到相同的問題 即只能在高馬赫數的情況下全推力工作 對美軍的吸氣式高超音速導彈進行推算時 我們可以假設其發射質量為2噸 這樣就可以被包括F-35在內的 大多數戰術飛機所攜帶 再按照助推段專用比約為0.8進行計算 那麼就至少需要1.25噸的助推器 才能推動750千克的巡航段進入5馬赫 這樣看起來 吸氣式高超音速導彈在結構上 似乎與助推滑翔式高超導彈非常相似 畢竟兩者的主要結構都是一個龐大的助推器 但事實卻並非如此 如果我們將兩者做對比 就會發現前者在很多方面具有顯著優勢 由於超人穿壓發動機的比重 往往在固體火箭發動機的數倍 甚至是十數倍以上 所以即便超人穿壓發動機的巡航動力段 只佔很小一部分 也能給導彈的性能帶來巨大改變 例如在發射質量 載荷全程均速相等的前提下 吸氣式高超往往能獲得更大的射程 或者反過來 在射程載荷全程均速相等的前提下 進一步縮小導彈的體積與質量 大大提高了其靈活性 超人穿壓發動機在馬赫5-6 高度25-30千米時 一般耗油率可以壓低到0.4千克每牛小時 巡航段的巡航升阻比 參考X-51A能夠達到3左右 如果能採用更先進的 進氣道一體化承波前提 則能進一步將巡航升阻比提高到3.5-4 以以上條件進行粗略計算 我們不負責任地推測 美軍吸氣式高超導彈的超人穿壓發動機 想要完成其預想的400秒極限燃燒時長 就需要大約100公斤燃料 以均速馬赫6為基準 其巡航航程能達到約720公里 再加上火箭助推的爬升段和滑翔段航程 其射程很可能會超過1000公里 並且還能保有600千克以上的可用載荷 來分配給其他部件 如可體、激光弘外複合制導裝置 主動雷達導引頭、配電槍 導航設備、線纜 以及200-300公斤的戰鬥部等等 這樣的性能指標要遠遠優於 同重量級別的助推滑翔式高超導彈 在彈道特性上 吸氣式高超音速導彈全程都在大氣層內飛行 巡航高度通常維持在20-30公里間 而助推滑翔式高超導彈的彈道 則通常包括助推段 大氣層外的自由段 以及載入後的滑翔段三部分 雖然部分此類導彈也可以採用全程大氣內彈道 但卻會因此付出射程與末端突防速度嚴重降低的代價 這樣的導彈特性又會帶來部分戰術上的優勢 例如高超音速導彈的首要任務 是穿透各大國愈發成熟的中段反導攔截體系 以較低的損失率實現突防 要實現這個目的 首先要求導彈的彈道高度越低越好 以利用地球曲率遮蔽導彈預警雷達的偵測 助推滑翔式高超音速導彈 由於仍然存在大氣外的自由段 彈道頂點較高 且巡航段高度也不會太低 以關機速度約3000米每秒的 AGM-183A和東風-17為例 這兩種導彈在發揮極限射程時 自由段彈道最高點可以達到約400公里 滑翔段高度則維持在50-60公里間 都遠高於吸氣式高超導彈的20-30公里 這也就意味著助推滑翔式高超 更容易被雷達所偵察到 那麼吸氣式高超相比於助推滑翔式高超導彈 有沒有缺點呢? 答案是也有不少 例如速度上限較低的問題 吸氣式高超所採用的液體超音速發動機 目前主要使用煤油作為推進劑 但煤油這種碳氫類燃料 當飛行器來流條件達到馬赫9時 飛行器表面來流溫度也會達到約3000卡爾文 這時碳氫燃料的燃燒就幾乎無法提供推力了 實際上 馬赫9下碳氫液體燃料超音速發動機的運作 也只能在風洞中實現 因為如果要讓飛行器在飛行中自行加速 在考慮到阻力問題後 碳氫液體燃料超音速發動機驅動的飛行器 極速實際上也只能達到7馬赫 這也就意味著 適合碳氫液體燃料超音速發動機的工作速度區間 也只有5-7馬赫這麼一個狹窄的範圍 因此傳統構型的吸氣式高超導彈的最大速度 和平均速度都難以超過7馬赫 而對於助推滑翔式高超音速導彈來說 其速度的極限完全取決於助推器能做多大 以美軍的LHW助推滑翔式高超導彈為例 它的最大速度能達到4300米每秒 平均速度則在8馬赫以上 而LHW的雙錐體彈頭CHGB 也曾在使用北極星A3潛射彈道導彈進行實驗時 以5300米每秒的極速完成過載入滑翔 在2009年的HTV-2承波體助推滑翔高超項目中 美國更是以大吹服誇風的姿態 進行了6000米每秒的載入滑翔測試 當然,這一項目和它的兩次試射 最終都因為美方高超技術尚不成熟等原因而失敗 這時有些觀眾可能就想問了 既然問題出在燃料上 那麼能不能通過更換燃料來解決吸氣式高超速度上限的問題呢? 嚴格意義上說也不是不行 如果我們將超暗沖壓發動機的燃料由碳氫類的煤油換為液氫 理論上就可以將其最大速度提升到10馬赫 儘管這比起奉行大力出奇蹟的火箭發動機來說仍有差距 但已經好過碳氫燃料太多了 然而就目前而言 液氫燃料超暗沖壓發動機卻幾乎不具備實戰價值 因為液氫不僅昂貴 從經濟性上來說 將這種燃料用於本就成本高昂的重型火箭尚可接受 從安全性來說 火箭發射場遠離居民區的特點 也能抵消掉液氫洩漏事故的一部分風險 但如果要用於超暗沖壓發動機 液氫就顯得很不合適了 以超暗沖壓發動機的主要應用目標戰術導彈和空天飛機為例 首先兩噸級的空射導彈體積不會太大 難以留出充足內部空間安裝為液氫燃料儲罐降溫的設備 也無法解決有可能出現的氫萃洩漏問題 這樣一來唯一的選擇就只有在出擊前臨時為導彈加註液氫燃料 這顯然不符合軍用裝備快速反應的需求 而對於空天飛機來說 如果我們想要按照效率最高的方案 即使用現有民航機場運作空天飛機來建設航班化航天體系 那麼將數十架甚至數百架空天飛機所需的上萬噸液氫燃料儲存在民航機場中 其巨大的風險就更不言而喻 由於液氫燃料超充發動機的應用前景非常狹窄 這使得當前全球各國都缺乏對這種發動機進行深入研究的動機 自然也不可能搞出像樣的成品 另一種解決方案是使用固體燃料超燃沖壓發動機 固體超充不僅能夠推動飛行器達到10馬赫的最大速度 其啟動速度也只有1.6馬赫左右 工作區間遠遠優於液體超充 但是這種發動機目前也有著尚未攻克的技術難點 在研發的各環節上都很不成熟 而且在實驗的過程中 各院所機構一致認為其短時間內很難被實用化 具體原因受限於篇幅今天不再展開 感興趣的觀眾請點關注 我們以後有機會再聊 同時吸氣式高超巡航高度較低的特性 也會在硬突防時帶來一定劣勢 聽到這裡有觀眾可能又要問了 前面不是剛說過吸氣式高超的低巡航高度是優勢嗎? 這確實沒錯 但降低被雷達所發現的距離 只是提高對煩惱系統突防率的手段之一 助推滑翔式高超60到85千米的滑翔高度 儘管更容易被雷達發現 但卻也高於大多數防空導彈的射高 而擁有核式射高的中段煩惱攔截彈 在稀薄大氣中又不具備助推滑翔高超的機動能力 所以就實現了你能看到我但卻打不到我的效果 吸氣式高超則恰恰相反 考慮到其最大速度受限的特點 這也就意味著吸氣式高超在打擊縱深目標時 會不可避免地長時間處於敵方防空導彈射界內 使其被攔截的概率相較於助推滑翔導彈大大提高 總的來說高超音速飛行器的兩種技術路線 都具有自己獨特的優勢與劣勢 對於吸氣式高超來說 其突出特點就是非常適合小型化 在給定較小發射質量的前提下 吸氣式高超能夠迴避自己最大速度受限的缺點 發揮高比衝高射程的優勢 正是基於這種原因 有著積載高超導彈需求的美國空軍 長期以來都在對吸氣式高超音速武器的研發項目 進行持續投資 其成果就是開頭我們提到的 那一系列吸氣式高超音速飛行器項目 但為什麼說美軍的吸氣式高超導彈 還遠遠沒有摸到實戰的門檻呢 第一個原因是目前美軍所研發的 所有吸氣式高超音速飛行器 都以驗證動力系統原理可行性為目的 即便是已經套上了武器一次的Hawk DARPA也大概率沒有為其設計太大的載荷艙 來容納戰鬥部和完整的制導系統等等子系統 而完成了原理驗證工作的Hawk 也在今年基本關停 由一個名為MOHAWK的後續項目繼續推進 制導系統尺寸縮減 子系統可靠性提高等後續收尾工作 負責HACM開發的雷神和諾格 也需要一定時間才能將實驗產品轉化為實際產品 第二個原因是Hawk項目所實現的指標 還沒有達到吸氣式高超的最佳水平 前文我們講過 採用碳氫液體燃料超音衝壓發動機的飛行器 理論上最大飛行速度可達7馬赫 而目前Hawk取得的成果 是在5馬赫下持續工作近400秒 這僅僅是邁進一個門檻 仍有提升空間 想要擁有實戰能力 至少應該提升到6馬赫以上 並進一步延長極限工作時間 這樣纔能有效對抗新型遠程防空導彈 如標準6、紅7、9B的攔截 別看Hawk目前距離理論上的性能差距並不大 但由於吸氣式高超在機動和速度上本就沒有優勢 這1到2馬赫的提升也意義重大 而為了這一小跨度的性能提升 相關研發團隊恐怕要付出許多年的努力 以之前的經驗為參考 在超人衝壓發動機領域 美國方面為了將指標從X-51A的5馬赫工作210秒 提升到Hawk的5馬赫工作400秒就花掉10年 如果想要進一步提升性能 那麼制定2027年完成研發工作的時間節點 其實並不算悲觀 在研發完成後 美軍方面也需要從零開始建立超人衝壓的產業鏈 這同樣需要消耗大量時間 但即便如此 美國空軍依然對吸氣式高超有著超長的期待 而這種期待直觀地表現在了財政傾斜上 在吸氣式高超驗證機連續試射成功後 美軍在2023財年為Hawk和HACM總計申請了近5億美元 達到了AGM-183A開發經費的3倍以上 而在2022財年這個數字才僅有2億美元 在28日的預算聽證會上 美軍表示希望為HACM在2024財年申請3.82億美元 並在2025財年到2028財年間再申請15億美元 美國空軍如此看重HACM項目 不僅僅是因為其出色的試射成績 也有助推滑翔式高超ARW項目不爭氣的原因 如果ARW研發的AGM-183A 最終因為定位不明確進度太緩慢等原因落得下馬命運 那麼HACM就會成為美國空軍高超武器的毒苗 在這種情況下空軍方面不會允許其失敗 不然能不能拿來對付中國暫且不說 在自家陸軍和海軍面前也會顯得不太好看