2010年美国高超声速发展的趋势

2010年美国高超声速发展的趋势

0美国邻近空间高度靠近空间，也称为封闭空间，包括人士气流层、中楼层和部分电离层。根据国际航空联合会(FAI)的定义,临近空间的范围确定在23km~100km;美国空军参谋长JumperJ、国防部航天负责人TeetsP和空军航天司令部负责人LordL共同确定的美国临近空间高度为20km~300km。结合国际空域主权的协议惯例,我国倾向于将临近空间定义为20km~100km,低界选在国际民航组织(ICAO)控制区域之上,高界依据FAI定义。1速速临空间高速目标临近空间目标包括临近空间慢速目标和临近空间高速目标2大类,临近空间慢速目标有临近空间飞艇(速度一般小于150km/h,如美国的“海象”)和临近空间慢速无人机(速度一般小于5Mach、1Mach=1224km/h,例如美国的“全球鹰”),飞行高度一般在20km~30km,慢速临近空间目标运动特征和常规空中目标相似。各国临近空间超高声速研究和试验计划繁多,总体上,临近空间高速目标可归纳为超高速巡航导弹、超高速无人飞机、轨道式再入飞行器3类。这些目标具有速度快、运动轨迹复杂等特点,对探测临近空间目标提出了极大的挑战。1发射速度较快的特点如图1所示,超高声速巡航导弹一般采用超燃冲压发动机提供动力,具有发射平台多样、飞行速度快、可机动飞行、弹道富于变化、能够打击时间敏感目标、突防能力强等突出优势。超高声速巡航导弹的飞行距离一般在1100km~1300km,未来也可能达数千米,飞行速度在6Mach~10Mach,飞行高度在25km~40km。2超高声速无人机如图2所示,超高声速无人飞机可利用载机从常规军用跑道上起飞,并可重复使用。它可装有吸气式超燃冲压发动机、火箭发动机或组合发动机。超高声速无人机飞行速度为6Mach~15Mach,飞行高度为30km~80km(X-43A试验飞行高度为40km),覆盖了临近空间大部分空域,采用“冲压-滑跃”式飞行方式,航程达到16000km,有效载荷5t,可在2h内实现全球到达,完成作战任务。美国空军期望其在2015年前能投入使用,灵活与快速决定了它将成为未来实施全球快速打击作战任务的利器。3助推-滑动式飞行轨迹超高声速机动再入飞行器是由外层空间再入或运载到外层空间释放后再入大气层的飞行器,具有适应稀薄大气层飞行的超高声速、高升阻比的气动布局。其再入后在临近空间的稀薄大气层飞行,可以有动力(火箭发动机或超燃冲压发动机),也可以无动力。无动力时,依靠很高的再入速度在临近空间作超高声速远距离的滑翔甚至波浪式的机动飞行,航程可以达上万千米,能够实现对全球目标的快速精确打击任务。火箭“助推-滑翔”式飞行轨迹是火箭助推到一定高度和速度后再入临近空间,在临近空间无动力滑翔飞行,飞行高度为60km~90km,飞行速度为10Mach~20Mach;火箭“助推-巡航”式飞行轨迹是火箭助推到一定高度和速度后再入临近空间,在临近空间动力巡航飞行,巡航高度为30km~40km,巡航速度为6Mach~10Mach;空天飞机的轨道具有再入式飞行轨迹,平时在太空中做环绕地球的轨道飞行,需要时可从轨道空间再入临近空间(或从轨道空间空天飞机平台发射对地攻击武器再入临近空间),可在轨道空间、临近空间和大气层内往复飞行,图3是X-37B空天飞机示意图。2“kh-4”在美国正式重测空天系统上的使用临近空间飞行器的研究是以美国、俄罗斯为主,欧洲、日本、印度等国也在积极地研究。2010年4月22日,美国空军在佛罗里达州成功试飞X-37B军用无人空天飞机,标志着美国空军以无人驾驶可重复使用的高超声速飞行器为工具,把在蓝色天空执行的情报搜集、目标攻击和通信等军用任务推进到黑色太空的空天领域。当天,美国在加利福尼亚州范登堡空军基地试验了从太空以20Mach返回地球的“猎鹰”飞行器HTV-2,使1h之内携带弹头击中世界上任何角落的目标成为可能;2010年5月26日,X-37B尚未返航,X-51A超高声速巡航导弹又在爱德华空军基地进行了首次试飞,成功在21.3km高度以5Mach的速度飞行了近3.5min,实现了迄今为止以超燃冲压发动机为动力的飞行器最长飞行时间,为全球侦察、攻击、进入空间等应用领域奠定了基础。临近空间飞行器主要研究和试验项目见表1。综上所述,临近空间超高声速飞行器有2大类(3种)典型飞行特征,如图4所示。3基于国土纵深目标的观测系统常规国土防空预警系统探测区域高度覆盖约为25000m,不能探测在25000m以上高度临近空间飞行的临近空间目标。针对临近空间目标的预警探测有以下难点:1)使用地基探测手段,采用封边、封海的搜索屏探测方式对临近空间高速目标的有效预警时间短。使用地面雷达在边境周边建立搜索屏可以搜索截获在临近空间内运动的高速和慢速目标,包括超高速巡航导弹、高速无人机和临近空间飞艇,而受地平线限制,只能在距离边境线约580km(高度20km)~1300km(高度100km)间发现目标,如图5所示。(1)对从临近空间进入国境的高速目标,使用地基雷达的有效预警时间短。针对国土周边的预警时间(发现后判定为临近空间目标)只有约3min(按高度为20km、速度为10Mach的目标计算)~11min(按高度为100km、速度为6Mach的目标计算)。针对国土纵深重点城市和区域(距边境1000km)的预警时间也只有8min~19min。(2)对在国境内陆(或在轨道空间飞行、在国土纵深再入)上空飞行的临近空间高速目标,需要部署地基雷达进行全程监视。使用地基探测手段,采用封边、封海的搜索屏探测方式可以在国土周边区域有效截获目标,但由于临近空间目标飞行轨迹复杂多变,难于像卫星目标进行轨道预测,还必须使用地基跟踪雷达在国土境内进行全程跟踪,实现对境内所有目标的全程监视。2)使用空基和临近空间平台探测手段,采用封边、封海的搜索屏探测方式对临近空间高速目标的有效预警时间增加有限。(1)使用空基平台(3000m高度的飞艇)探测手段在边境周边建立搜索屏,比地基雷达的预警时间增加约2min~3min,针对国土纵深重点城市和区域(距边境1000km)的预警时间也只有10min~22min;(2)使用临近空间平台(20000m高度的飞艇)探测手段在边境周边建立搜索屏,比地基雷达的预警时间增加约3min~5min,针对国土纵深重点城市和区域(距边境1000km)的预警时间可达11min~24min。但受平台能源供应能力的限制,短期内空基和临近空间平台探测雷达的威力相对较小,预警时间的增加达不到上述期望值,只有在解决能源供应后才能获得上述预警时间。3)使用中低轨道预警卫星光学、红外和雷达的复合探测手段,理论上可以实现对全球区域临近空间目标的全程跟踪监视,是解决临近空间目标探测最有效手段,但实际探测效能受到物理原理和能源供应能力等客观因素的制约。(1)当临近空间目标位于地球阴影中或位于太阳和预警卫星之间时,光学探测手段不能探测目标,对于20km~100km的近地空间目标,上述影响更加严重,天基光学探测手段的时间可用度低(每天只有数小时),限制了天基光学探测手段的效能;(2)由于大多数临近空间高速目标使用无动力飞行或动力滑翔交替飞行模式,动力飞行时间短,需要研究临近空间高速飞行产生的热效应对红外探测性能的影响,判定天基红外探测手段对临近空间目标探测的有效性;(3)中低轨卫星载雷达探测可以实现对临近空间目标的全程跟踪监视,但受到能源供应能力的限制,星载雷达在短期内难于发挥应有的潜力。例如,以约2000km高度的太阳同步轨道计算,如果每条轨道使用8颗卫星(需要多条轨道才能实现对全球覆盖),需要的星载雷达威力约为3300km,使用16颗卫星,雷达威力约为1600km,在可预见的未来,在星载平台上难于实现这种雷达规模。4高超声速航天器的突出动作能力2010年是临近空间平台及武器发展不平凡的一年,美