助推-跳跃滑翔跨层级飞行制导武器的研究动态

助推-跳跃滑翔跨层级飞行制导武器的研究动态

特点及发展的必要性第二次世界大战后，超级国家根据战略和战术需要集中力量发展了两种类型的武器，即弹道武器和飞机武器。弹道导弹是一个技术密集的复杂系统,具有射程远、威力大、精度高、破坏性强等特点。特别是远程弹道导弹作为国家战略威慑的重要手段,是维护国家权益的有力保障。飞航导弹是实现“以攻为主”作战思想的主要手段。实战表明,在局部战争、周边战争和突发事件中,飞航导弹是快速进攻性精确制导武器的典型代表,可对敌方实施全天候、全时段、全方位、全空域、全程覆盖、精确打击。然而美国从1958年开始研制弹道导弹防御系统,经过多年不懈的努力,其弹道导弹防御技术已取得了质的飞跃。而且针对中远程弹道导弹的海基中段防御系统、地基中段防御系统的拦截试验已取得多次成功,这对常规弹道式导弹和飞航式导弹提出了严峻的挑战。同时,现代战争的战例分析表明,那些高空飞行、弹道比较固定的导弹,即使作高超声速(马赫数为5~8)飞行,也容易被防空系统击落。例如海湾战争中伊拉克飞毛腿导弹被美国的爱国者导弹击落的战例。因此有必要发展一种非常规弹道、能突破防御系统或航空母舰战斗群防线的精确制导武器。近年来,一种基于助推-滑翔弹道概念的超声速跨大气层飞行器成为国内外的研究热点。这种高超声速飞行器可以携带军事武器的有效载荷,实现全球性攻击,也可以作为远距离空间输运系统,输送物资或人。1高速压缩系统目前为止,科学家们所研究的助推-滑翔弹道主要有两种形式。1948年秋天,钱学森教授在美国火箭学会举行的年会上报告了一种可以完成洲际飞行的火箭助推-再入大气层滑翔机动飞行的高速运输系统。这就是被称为钱学森弹道的一种助推-滑翔弹道的形式,图1为它与弹道式弹道和飞航式弹道区别的示意图。另一种是由德国科学家EugenSaenger提出的一种助推-跳跃滑翔弹道,其弹道主要特点是滑翔阶段在大气层边缘跳跃飞行,其基本弹道形式如图2所示。2dyna-soar计划的提出背景关于助推-滑翔空间飞行器的概念研究以及相关的研制计划在国外已有半个多世纪的发展历史,以下几种飞行器为典型代表:1)Saenger的银鸟,一种跳跃滑翔的概念飞行器;2)美国贝尔公司研制的名为Bomi的轰炸机;3)美国空军资助的Dyna-Soar高超声速飞行器。助推-跳跃滑翔概念是20世纪30年代由Saenger提出,当时他还是维也纳工学院的一名博士生。他构想了一种有翼空间飞行器,这是一个名为银鸟的概念飞行器,它以马赫数10的超声速在160km高空滑翔。之后Saenger多次研究了这种超声速助推-滑翔飞行器的气动外形,并进行了助推火箭发动机的设计。1944年,Saenger和他的同事IreneBredt(他后来的妻子)发表了一篇长达400页的关于助推-跳跃-滑翔全球射程飞行器的论文。他们的研究引起了德国军方和政府的关注。但此时第二次世界大战爆发,使德国政府更愿意将有限的资源投入到技术成熟的武器研制中,他们构想的这种超声速飞行器没有得到政府的资助。然而,随着战争的继续,绝望的德国军队统治者开始重新考虑Saenger的构想,他们希望研制一种能在战争中发挥重要作用的突破性武器。此时Saenger向德国高级司令部提出一种能够袭击当时的纽约城的跳跃滑翔轰炸机。他设计的轰炸机是由助推火箭送到亚轨道高度,然后沿大气层边缘跳跃飞行,当飞到纽约上空时投放4t重的炸弹。之后该飞行器再经过一系列幅值衰减的跳跃后滑翔至发射点。然而,由于战争的巨大消耗,此时的德国已没有足够的财力、物力和时间来实现Saenger的银鸟设想。二战结束后,美国科学家获取了Saenger的相关研究资料,他们开始意识到制造一种像一般的飞行器一样的在太空飞行的航天飞机是完全有可能的。1946年,美国成立了一个“高速飞行研究所”,任务就是研究载人高速飞行的课题。研究火箭助推飞行器的先驱Bell于1950年开始研制载人跳跃滑翔轰炸机。他最初设计的这种轰炸机是一个两极飞行器,第一级配有两名飞行员,起飞后经过约2min加速,与上面级分离,飞回发射基地。第二级有一个简单的自动驾驶仪,分离后自动导向目标。第一级采用可存储的液体推进剂,轰炸机在30km高度可以Ma=4最高速度飞行,滑翔距离可达6000km以上。图3中显示了轰炸机外形以及两种不同的助推方案。1954年美国空军开始支持这种超声速飞行器的研究,并取名为Bomi计划。1955年9月,Bell与美国空军签订的Bomi计划扩展为研制一种特殊的超声速侦察机。直至1957年,苏联的人造卫星发射上天,刺激了美国政府加快超声速载人飞行器的研制,合并了包括Bell的研究在内的三项超声速飞行器研制计划,发展为后来的Dyna-Soar计划。Dyna-Soar(DynamicSoaring)计划在1957年由美国航空咨询委员会提出,并于1958年正式签署,由美国空军怀特航空发展中心直接负责,这是一项“轨道再入滑翔机”的研究计划。一种依靠大气反弹,可绕地球进行滑翔飞行的飞机就被命名为Dyna-Soar。它由大力神运载火箭发射,上面一级为三角翼动力滑翔机,也是现在航天飞机的先辈。在整个计划的研制周期中,Dyna-Soar是试验机。1963年10月,计划被取消,原因是与美国空军的“空天飞机计划”重复。3国外关于推动滑翔机行业研究现状3.1家庭和外来—美国到1998年,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的工程人员向美国军方高级官员介绍了一种可在大气层上面“跳跃”飞行的超声速飞行方案,当它作为轰炸机使用时,可在2h内将武器投放到地球表面任一地点。美国空军希望将这种超翱翔轰炸机发展成为一种全球到达/攻击飞行器。超翱翔的基本飞行过程为:经助推段爬升到40km,进入一个周期性“跳跃式”飞行轨迹,该航迹的最高点约为60km,最低点在35km~40km。当飞行器在一个周期的“波谷段”时,通过发动机短暂点火(约20s)重新跃升到“波峰”。这种周期性的“跳跃”飞行,可使超翱翔在大气层内飞行段有效使用空气发动机,又可利用跨大气层飞行有效增加飞行距离。超翱翔以Ma=10的速度飞行,可以在不到2h飞到20000km以外,因而可以对全球进行快速远程攻击。由于它有很快的飞行速度和远距离机动性,因而具有很高的生存性。另外,美国X计划中的X-41也是一种远程、无人、精确打击的再入滑翔制导炸弹。该计划中的飞行器名为通用大气飞行器(CommonAeroVehicle,CAV)实际上是一种用于军事目的、精确制导的再入高超声速滑翔炸弹或飞航导弹。X-41可以从航天飞机投放或用一枚民兵弹道导弹作为运载火箭从地面发射,质量仅为454kg,航程可达19312km,可以在发射后90min内到达世界上任何地方。3.2平飞段的工作几年前,俄罗斯开展了鹰高超声速技术发展计划,其核心在于研究和试验一个带超燃冲压发动机的高超声速试飞器,该飞行器采用了一种特殊的飞行弹道,其前段是典型的助推-滑翔弹道,为超燃冲压发动机的启动创造必要条件;后段为冲压发动机工作超高空、高超声速飞行的平飞段;最后,飞至着陆区回收。还有,俄罗斯20世纪90年代研制、部署的最新战略导弹型号白杨-M导弹,它是90年代国外部署的唯一新型陆基洲际弹道导弹。据俄罗斯战略导弹部队司令称,白杨-M导弹的技术性能比美国陆基战略导弹要领先5~6年。俄罗斯多次称,白杨-M弹头具有机动再入能力或特殊飞行弹道,其飞行弹道已不是普通的惯性弹道,在飞行过程中可机动滑翔,从而多次改变弹道高度。反导系统难以发现和跟踪,使国外目前研制的弹道导弹防御系统难于拦截。在2004年3月,俄罗斯战略演习中,还试验了一种能够在大气层内外自由穿梭的高超声速飞行器,它与普通飞行器的区别是:可以在最后阶段独立地按原先设定的程序或到达目的地后调整飞行轨迹,同时保持高超声速状态。4高超声速跨大气航天器如图4所示在军事上的应用价值助推-滑翔式弹道的制导武器可以实现短时间内的全球攻击,且采用非常规弹道,可以有效对抗美国导弹防御系统,具有很好的生存性能。这样的飞行器无论是在军事上,还是在民用上,都具有非常大的潜在价值。一方面,美俄等军事大国都在竞相研究这种高超声速跨大气层飞行器,并已进入试验阶段。另一方面,国外的该类相关的技术属于敏感技术,基本无法通过公开渠道获取,但其巨大的潜在应用价值促使这类研究需要尽快开展。本文将对助推-跳跃滑翔弹道的制导武器的基本方案进行初步分析:1采用跨大气企业的长拔刀根据Saenger提出助推-跳跃滑翔弹道概念,这种超声速制导武器的基本弹道可以是在大气层边缘做类似正弦曲线的机动,或是在40km~60km高度范围内做微幅震荡平飞等。这种跨大气层的跳跃滑翔弹道可以有效增大射程,非常规弹道和高马赫数飞行可以使攻击效能倍增。而且飞行器在大气层外飞行时间相当长,不仅不会有气动加热问题,而且可通过辐射散发机体热量。2无动力飞行段苏联出版的《军事百科词典》指出,滑翔式弹道是弹道式弹道和在稠大气层内依靠空气动力面升力的滑翔段相结合而成的,以便增大射程。参与滑翔弹道的导弹通常具有不大的气动力面和自主式或复合式控制系统。助推-滑翔弹道的滑翔段采用无动力飞行,当飞行器进入大气层的飞行段,采用气动舵面调整其姿态,产生一定的攻角,从而控制其飞行轨迹。美俄的助推-滑翔弹道跨大气层飞行器在大气层飞行段一般都采用动力飞行,如俄罗斯的鹰计划采用超燃冲压发动机,美国的超翱翔轰炸机则采用组合循环火箭发动机来完成跳跃飞行。然而国外对新型高超声速航天运载器是采用火箭发动机,还是吸气式组合发动机为动力装置的问题一直存在很多争论。因为吸气式发动机虽然可以有效利用空气中的氧,但必须使用组合式发动机才能完成空天飞行的任务,而组合发动机增加了系统结构质量和设计的复杂程度。因此采用无动力滑翔对于初步研究这种跨大气层飞行器具有更好的可实现性。3飞行扩大验证及关键技术为有效利用气动力,实现跳跃滑翔飞行,这种助推-滑翔制导武器应采用高升阻比、带翼的气动外形。像超翱翔和通用大气飞行器CAV都是采用一种高升阻比的乘波外形,它可将机身和机体高度融合。发展助推-滑翔制导武器的主要关键技术如下:·助推-滑翔制导武器的弹体设计技术;·气动力控制滑翔飞行的气动布局;·超声速飞行气动热防护技术;·助推-跳跃滑翔弹道的优化设计;·跨大气层飞行远程(或洲际)导弹的制导与控制技术。上述关键技术问题可以从现有的超声速飞行器、航天飞机等飞行器的设计经验得到借鉴,同时,远程或洲际导弹的一些制导控制问题的研究也可以作为重要参考。还有轨迹优化和弹道设计技术与气动力辅助变轨的最优轨迹设计有类似之处,比如热流、过载等性能指标仍然适用。助推段可以采用类似于一般运载火箭助推方案,适用助推火箭将制导武器发射到预定高度,然后弹体与助推级分离并开始滑翔,通过气动控制面控制其飞行轨迹,实现对目标的攻击。同时,飞行末段可采用一般战术弹道导弹的某寻的技术,以实现高精度的攻击。当然,上述关于助推-滑翔跨大气层制导武器的方案设想和关键