《出鞘》2019-10-16：一轮顷刻上天衢：反导系统咋防东风17高超音速导弹？

源济

一轮顷刻上天衢：反导系统咋防东风17高超音速导弹？
新浪军事  2019年10月16日

在今年10月1日举行的国庆阅兵式上，中国火箭军最新的高超音速武器——东风-17常规导弹，终于向外界揭开了神秘的面纱。而就在中国展示东风-17导弹后不久，据美国《防务新闻》网站报道称，美国导弹防御局局长10月7日表示，美军将利用低轨道卫星加快建造高超音速和弹道追踪空间传感器，以填补现有导弹防御系统对高超音速武器的处理漏洞。随着高超音速武器技术的扩散，高超音速武器的防御问题也将成为我国的重要课题，那么我国该如何反制别国的“东风-17”，本期《出鞘》就来谈一谈高超音速武器的防御问题。




不过在谈高超音速武器的防御问题之前，我们还得先理清东风-17的弹道类型。在阅兵式上我们看到东风-17是由两个部分所构成的，第一段是从东风-16常规导弹改进而来的助推段，而第二段则是一个滑翔飞行器，这表明东风-17属于助推-滑翔类的高超音速武器。这种高超音速武器一般是先由助推段发射到大气层外，然后滑翔飞行器再返回大气层并依靠气动升力进行远距离滑翔，这也是我们看到滑翔飞行器有明显的类似机翼结构的原因。




滑翔飞行器重返时能采用的弹道有两种模式，第一种是高度逐渐降低的钱学森弹道，而第二种则是桑格尔弹道，由于其原理非常类似我们小时候打的“水漂”，因此采用桑格尔弹道的导弹又常常被称为“水漂弹”。在飞行器构型上，采用桑格尔弹道的导弹常常表现出明显的双锥体造型（例如我国的东风-15B），而由于钱学森弹道的升阻比需要比桑格尔弹道的高，所以采用钱学森弹道的导弹，还会在双锥体上增加一些短小的弹翼，以提供额外的滑翔升力。




不过采用箭簇形扁平升力体的东风-17常规导弹，却并不属于以上两种弹道，而是一种更新的全程滑翔弹道。该弹道要求火箭发动机在上升段快出大气层前就关闭，然后弹体依靠重力作用自然停止上升并转向，此时火箭发动机二次启动水平加速弹体，最后转入滑翔阶段，其关键在于弹体在大气层内起滑，因此弹道顶点较低，降低了被地平线上预警雷达给侦测到的几率，而且弹道全程不可预测。不过全程滑翔受空气阻力影响较大，因此射程损失也较大。




除了上面提到的助推-滑翔类飞行器，高超音速武器家族还有另一种在稠密大气层内进行较长时间飞行的高超音速巡航飞行器。相比助推-滑翔类飞行器能轻松达到10马赫，这类飞行器的飞行速度往往只在6马赫左右。这是因为6马赫是吸气式发动机性能变化的一个临界点，一般超过6马赫会大大提高发动机的成本，导致性能降低，而低于6马赫时又会影响飞行器的作战生存能力。




但飞行速度相较助推-滑翔类高超音速飞行器低，并不代表高超音速巡航导弹在技术上就更加容易实现，因为它还需要克服自身携带的超燃冲压发动机所带来的种种问题。超燃冲压的燃烧控制相当于要在台风中点燃一根火柴，而且还要燃料在一个非常短的时间内实现很高程度的分解，并且还不能烧毁发动机，这对超燃冲压发动机的设计和专用碳氢燃料的研制提出了很高的要求。由于这些原因，各国的高超音速巡航导弹研制目前基本都还处于试验阶段。




虽然目前尚没有国家研制出理想中的高超音速巡航导弹，但是这并不影响各国军队的对其的研发热情。从各国技术验证机的数据来看，未来理想中的高超音速巡航导弹将采用高性能的超燃冲压发动机，射程能够超过1000公里，但成本却仅在100万美元上下。此外高超音速巡航导弹还有一大优势，那就是能够兼容不同的发射平台，比如可以在战斗机、轰炸机、水面舰艇或者潜艇上发射，发起攻击的突然性和弹道的不可预测性，比滑翔-助推类飞行器更好。




由于高超音速武器的高机动性，造成了传统导弹防御系统的能力缺失，因此就连印度这样的武器进口大户，都纷纷开始上马高超音速武器。除了中国之外，美俄两国是现今世界上研发高超音速武器的另外两大主力。美国最早在上世纪80年代，就利用X-30国家空天飞机计划，向超燃冲压发动机技术发起冲击，并在后来演变为了X-51“乘波体”。苏联解体后，俄罗斯也开展了代号为YU-70、YU-71的高超音速助推-滑翔飞行器研制，并以此为基础发展了以洲际弹道导弹为助推器的“先锋”高超音速助推-滑翔导弹。




而在中国周边，最新加入高超音速武器战团的则是日本。去年9月日媒报道称日本防卫省已经决定加快研制“高速滑空弹”，用于“岛屿防卫作战”。这种导弹能够在敌方防空导弹射高之上进行高速滑翔，具有很明显的助推-滑翔弹道特征。由于能够利用日本在开发“标准-3”Block IIA拦截弹发动机时所积累的技术，这种导弹研发成功的可能性，应该要比自卫队的高超音速巡航导弹方案更高。而随着高超音速武器技术的扩散，研究防御技术就很必要了。




由于高超音速巡航导弹尚未进入大规模实用化阶段，因此我们这里仅主要讨论东风-17这类助推-滑翔高超音速飞行器的防御问题。这类高超音速武器原本就有比较明显的雷达特征，此外在进入滑翔段后由于蒙皮气动加热，还具有显著的红外特征，虽然这比发射时的火箭发动机尾焰已经要减弱得多了，基本能达到“骗过”天基红外卫星跟踪的程度，但因为巡航高度还是比较高，因此仍然有被一些向前部署的地基雷达和空基预警机给侦测到的可能。




此外与弹道导弹相比，由于弹道导弹在关机点后基本就是在做无动力飞行，所以关机点的运动状态就决定了打击精度，故弹道导弹只需要测量和控制好关机点的状态就行了。而助推-滑翔高超音速飞行器由于在滑翔段需要依靠空气动力飞行，而且飞行速度快、飞行距离远、飞行轨迹多变，现有常规巡航导弹所采用的地形匹配制导模式已经不再适用，对卫星制导和实时测量的依赖性增强，这就对高超音速飞行器的导航、通信和制导控制提出了很高的要求。




由于高超音速武器所具备的以上这些特征，其对现有的导弹防御系统主要形成了这几方面的挑战。首先是防御的不确定性提高。比如高超音速武器的发射平台非常多样化，既可以依托战斗机或轰炸机，实现空中发射，也能由舰艇搭载在海上发射，因此防御方需要在更为广阔的区域内展开作战；再加上高超音速武器的飞行距离远，且横向机动范围广，这对现有专门针对弹道导弹进行固定弹道探测和拦截的导弹防御系统，提出了很高的技术挑战。




其次是现有导弹防御系统的反应能力跟不上。比如高度20公里、飞行速度10马赫的助推-滑翔飞行器，现有导弹防御系统针对国土边境的预警时间仅在3分钟，针对距边境1000公里国土纵深要地的预警时间也不过仅在8分钟左右；在这么短的时间内，指挥控制系统需要组织各类作战资源，完成情报处理、威胁判定和指挥拦截各关键环节，这对系统的作战响应能力有着极高的要求。




最后则是现有拦截弹难以拦截的问题。现有拦截弹主要的末制导探测方式是可见光和红外探测，但光学探测在大气层内却面临着复杂的气动光学效应问题，容易导致目标图像的偏移和模糊；此外由于高超音速武器一般采用高升阻比的气动布局，因此现有拦截弹的机动过载要求并不能达到拦截要求，需要在气动力的基础上再采用直接力以提供过载，但在临近空间这又会产生更复杂的侧喷气动干扰等问题。




目前尚未有国家建立针对高超音速武器的拦截体系，不过由于现有反弹道导弹系统所配备的探测体系和拦截导弹的飞行高度速度，都更接近拦截高超音速武器的要求，因此可以以反弹道导弹系统为基础，来发展高超音速武器拦截系统。不过还需要解决几个技术问题，首先便是完善现有探测系统，无缝覆盖临近空间，能尽早提供关于临近空间目标的实时预警信息，并建设一个能大范围快速有效传输和分发信息的通信系统作为保障。




在反应能力方面，现有导弹防御系统一方面要强化自身对临近空间目标实施超视距不间断跟踪的能力，并根据其运动模型准确预测未来航迹和落点；另一方面要在推动多传感器融合处理，使各传感器能跨越时间、地域和频域有效工作的基础上，将现有指挥控制方式扁平化，从而实现快速决策、快速分配拦截目标并进行拦截效果评估。




而在现有拦截弹的改进上，首先是要降低拦截高度下限偏高的问题，此时拦截弹可以采用高抛弹道末端俯冲与目标交会的拦截方式，但此时复杂的地面红外背景辐射会给采用红外末制导的拦截弹造成探测上的困难，因此还要改为多模末制导方式。此外为了解决控制的问题，现有拦截弹还需要采用空气动力/姿轨控符合控制技术，从而实现较强的机动过载能力和轨迹修正能力。




在国庆阅兵展示东风-17导弹之后，网上有不少人认为中国高超音速技术已经完全碾压美国。对于这个观点我们要辩证地来看，因为从目前能拿得出手的实质武器来看，中国的确是领先美国的，但我们也要客观地认识到，这是美国在发展高超音速武器上走了弯路所造成。美国一直以来的重点都在高超音速巡航导弹上，但因为超燃冲压发动机的技术难度过大，所以才造成了今天的困境。而随着美国退出《中导条约》，他们未必不能在助推-滑翔类飞行器上追赶上来，我们仍需继续前进。那本期《出鞘》就到这里，我们下期再见。