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【科普中国军事科技】“1小时打遍全球”高超音速武器有何难点?

来源:光明网-科普中国2023-07-24 10:37

  2022年3月18日,根据俄罗斯国防部发布的消息,俄罗斯使用“匕首”高超音速导弹摧毁了乌克兰武装部队位于弗兰科夫斯克州的一个大型地下导弹和航空弹药库。俄罗斯表示,这是人类首次在战场使用高超音速武器,也是对俄罗斯“匕首”高超音速导弹的一次实战检验。那么,什么是高超音速?目前在军事上有哪些运用?又将对未来战场产生什么影响?

【科普中国军事科技】“1小时打遍全球”高超音速武器有何难点?

  什么是高超音速?

  飞行速度经常被用来与音速相比较。飞行马赫数达到1时形成激波,造成所谓的“音障”,此时称为音速。如果马赫数小于而接近1称“亚音速”;如果大于1则称为“超音速”。形象地说,声音在空气中传播的速度大约是汽车在高速行驶速度的10倍。民航客机通常以亚音速的速度飞行;现代战斗机以超音速的速度飞行,通常可以达到马赫2或马赫3。然而,一旦飞行速度等于或大于马赫5,则被称为高超音速飞行,而马赫25是高超音速飞行的上限。

  高超音速武器最大的特点?

  所以,至少以马赫5的速度飞行的武器才能被称为高超音速武器,此时的速度大约是每小时4000英里,具体来说,从纽约飞到北京仅仅需要1小时40分钟。从这个意义上讲,现阶段许多弹道导弹的末端飞行都能达到并大大超过这个速度,都可以在广义上被称为高超音速武器。但很明显的缺点就是此类导弹在火箭发射器脱离之后将以固定的轨迹飞行,就像飞镖从手上脱离的瞬间其飞行路径就不能再改变,极易被防空系统拦截。

  因此,现在提到的高超音速武器通常只是狭义的高超音速导弹,以突防和对地打击为主,大部分时间在大气层内飞行,最大速度超过5马赫,甚至在20马赫以上。根据美国国会研究服务局的报告,新式高超音速武器不再按照可以预先判断的弧形轨迹飞行,而是可以实施大幅度机动。新型高超音速导弹在飞向目标的过程中呈现高度低、速度大、机动性强的特点,而且因为高速、灵活、轨迹难以预测的特点导致现有的导弹防御系统难以对其做出有效反应。可以说,新型高超音速导弹最大的特点不是速度,而是能够在远距离的飞行中将速度与飞行机动性相结合。

  高超音速导弹的分类和需要解决的技术难题?

  新型高超音速导弹因为使用的技术路径不同可以分为两类,一类是高超音速滑翔飞行器;另一类是高超音速巡航导弹。

  高超音速滑翔飞行器,利用运载火箭作为载具,将其运送到大气层外或边缘释放,飞行器利用地心引力和自身发动机加速冲向地表,在与空气接触的角度合适时,就如同石子在水面打水漂一样弹跳飞行,因此也被称为滑翔弹或水漂弹,其飞行轨迹很难预测,且中途可以变轨,从而难以被拦截。俄罗斯的“先锋”陆基高超音速洲际导弹;中国的东风-17高超音速中短程常规弹道导弹都属于这一类。

  高超音速巡航导弹则是在大气层内发射,与传统巡航导弹最大的差别是采用超音速燃烧冲压发动机作为动力来源,以实现高超音速飞行。与助推滑翔飞行器相比,该巡航导弹的弹道更低,留给敌方预警的时间更少,对飞行高度、速度和机动性的适应能力都更强。俄罗斯的“匕首”空射高超音速导弹、“锆石”高超音速反舰导弹都属于该类导弹。

  高超音速武器的工作原理听上去简单,然而在实践中却需要解决三个技术难题。首先,高超音速飞行的状态下,空气动力和飞行控制的设计是最大的挑战。第二点有关材料科学的发展。试想,高超音速状态下的飞行仿若飞入焊喷枪,飞行速度越快,飞行器周围的压力和温度将以指数方式提升,因此飞行器所用的材料,必须能够在较长时间内忍受高温的状态。第三项挑战是设计高超音速巡航导弹的推进系统。飞行速度一旦达到马赫5, 传统的喷气式飞机无力飞得更快。此时需要完全不同的发动机设计,确保发动机内的高超音速气流通畅、稳定且持续燃烧。人们将这比作在每小时2000英里的风速中点燃一根火柴。不仅如此,将上述提到的各项技术集成在一个武器系统中,这本身也是一项挑战。

【科普中国军事科技】“1小时打遍全球”高超音速武器有何难点?

  高超音速武器的优势和对未来战场的影响?

  首先,高超音速武器在很大程度上属于战术而非战略武器,因此更有可能被运用在有限的地面冲突中,而且高超音速武器也能携带核弹头,这规避了现代战争中对战略性武器使用的限制。这使得在常规冲突中,任何海上、陆上军事单位的生存都受到了严重的挑战。

  其次,高超音速武器最大的优势在于突然性,导致难以拦截,具体来说就是难以发现并及时做出反应。众所周知,高超音速武器的突然性将迫使对方的防空系统不得不以更快的速度做出反应,进而及时防御。目前美军有计划将防空系统的“发现-开火”的时间缩短至5秒内,这不仅要依靠人力,更要依赖智能化技术辅助。但探测发现的工作真的非常棘手,导弹飞行时形成的等离子云导致其难以被传统的主动雷达发现,因此就不得不开发新的态势感知手段进行侦测。目前,美国人选择主要依靠太空的军用卫星长时间监控敌方军事单位,并在高超音速导弹升空后的早期就迅速发出预警并传输弹道数据,确保指挥中心有更充裕的时间开展分析并发射导弹反击。截至目前,各国相关系统的开发仍停留在探索阶段,但在未来十年乃至更长远的时间内,以美俄为代表的各国将全力构建自己的“反高超音速武器系统”。

  最后,对于未来战场来说,态势感知能力将愈发成为各国军队发展的重中之重,而远程打击有可能产生致命性的影响,毕竟高超音速武器的战场使用限制更少,成本要低于战略性武器,有机会实现大规模使用。

  出品:科普中国

  监制:光明网科普事业部

  制片人:战钊 宋雅娟

  科学审核:梁春晖(军事科普工作者)

  策划:高歌(海军专家)

  导演:金赫

[ 责编:肖春芳 ]
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