情报资料|高超音速导弹系统揭秘
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高超音速导弹再次成为全球国防新闻的头条新闻。2022年1月5日和11日，朝鲜进行了它所声称的“高超音速导弹”的试飞。该公告，发布的图片和飞行路径表明，朝鲜在火箭助推器上测试了一种旋转对称滑翔飞行器，该助推器在飞行期间执行了引体向上和跨程机动。
然而，许多分析人士认为，在这种情况下，可机动再入车辆的标签会更合适。2020年9月，朝鲜测试了所谓的第一枚“高超音速导弹”，这是一种带有楔形高超音速滑翔飞行器的弹道导弹助推器。
这些例子表明，当“高超音速”一词被一系列不同的参与者应用于整个导弹系统时，它是多么令人困惑，并且可能扭曲。这些事件的一些新闻报道还表明，人们对不同类型的“高超音速导弹”，其速度和机动能力的作用，其背后的物理学以及其军事能力和任务缺乏了解。
本文背景介绍旨在提高对高超音速，高超音速导弹系统的性质及其关键子系统和技术的理解。提高决策者和记者之间的理解有助于为政治和公共讨论提供信息，并确定采取有针对性的不扩散和军备控制措施的机会，以减少与之相关的风险。
了解高超音速
术语“高超音速”被广泛定义为超过5马赫的任何速度，这意味着比声速快五倍。该阈值用于定义飞行器的子集，因为一系列物理效应在这种速度下开始成为一项重大的工程挑战。具体来说，当该物体以高超音速飞过地球大气层的密集层时，它会承受巨大的热通量。这种和其他物理效应使得开发用于高超音速飞行的飞行器特别困难和昂贵。然而，也存在一些与“高超音速”的定义有关的问题，以及“高超音速导弹”定义的一部分。
首先，将高超音速定义为超过5马赫的任何速度实际上会导致物体速度的变化，这取决于它的高度。声速定义了1马赫的速度，不仅取决于声音通过的气体的化学成分（在这种情况下，地球大气中的空气），还取决于其温度。最常见的地球大气标准模型，美国标准大气，显示温度随高度的显着变化。这导致对以5马赫的速度移动的导弹的速度（以公里/小时为单位）的不同测量，仅取决于导弹飞行的高度（见图1）。
还有另一个因素可以添加到这种变化中。由于马赫数强烈依赖于物体正在移动的周围气体，因此一旦周围的气体变得越来越稀薄，并且在更高的高度完全消失，使用马赫数来定义就变得越来越困难。虽然科学家和工程师一致认为，在30公里左右的高度谈论马赫数仍然有意义，气象气球和特殊飞机可以到达 。
但在300公里的高度肯定没有足够的大气层 ，卫星已经绕地球运行。由于地球大气层的性质，随着高度的增加呈指数级变薄，因此很难就明确的高度限制达成一致，其中马赫数仍应用作速度的测量，并且有了这个，高超音速导弹可以通过声明此类导弹的行进速度超过5马赫来合理地定义。
区分高超音速武器系统
高超音速通常被认为是使“高超音速”导弹与其他导弹区分开来的关键因素之一，如果不是关键因素的话。然而，弹道导弹的速度（比目前围绕高超音速导弹的炒作早了近一个世纪）在许多情况下远远超过今天的“高超音速导弹”。
作为弹道导弹的祖先，德国的A-4（后来通常被称为V-2）于1940年代首次发射。在上升过程中，它可以达到大于5马赫的速度，并且可以在返回的途中暂时再次这样做。但是，没有人会声称V-2是高超音速导弹。同样，人们是否应该将这一标签应用于在上升和重返大气层时速度超过20马赫的现代洲际弹道导弹？
当然不是，在定义“高超音速导弹”时，还有其他特征经常被引用。然而，虽然专家越来越多地采用各种定义特征的组合，但高超音速导弹在政治和媒体的公开讨论中往往没有得到很好的理解。
媒体将“高超音速飞行”定义为“以5-10马赫的速度穿越约90公里以下的大气层，这是空气解离开始变得显着并且存在高热负荷的速度。然而，根据这一定义，V-2导弹将被归类为高超音速导弹。
总部位于美国的导弹防御倡导联盟指出，“高超音速武器是指飞行速度超过5马赫（约3800英里/小时）并在整个飞行过程中具有机动能力的武器。俄罗斯国际事务委员会发表的一篇文章指出，“有两个主要的定义特征是将武器标记为”高超音速“的先决条件：速度超过5马赫[和]在大气层内以这种速度行进时进行机动（垂直和水平）的能力。许多弹道导弹不属于定义范围，因为它们不符合这些先决条件。
鉴于速度和机动性特征，高超音速武器进一步细分为两种不同类型的导弹系统：高超音速巡航导弹（HCM）和高超音速滑翔飞行器（HGV）。HCM保持恒定的高超音速（通常是高度），并在整个飞行过程中提供动力。相比之下，HGV通常在弹道导弹（通常称为助推滑翔系统）的顶部发射，然后以高超音速滑行回大气层到达目标。
值得考虑高超音速导弹（在本例中为HCM）的速度，并将其与弹道导弹（可能携带也可能不携带HGV作为再入飞行器）的速度进行比较，以了解两种类型到达不同距离的目标需要多长时间（见图2）。
弹道导弹可以飞行的距离取决于它加速的速度 - 它飞得越快，它走得越远，就像扔石头一样。相比之下，HCM以（几乎）恒定的速度行进，这与目标的距离无关。如图2所示，弹道导弹比高超音速导弹更快地到达目标，距离超过600-800公里，因为HCM以5马赫的速度不断行进（取决于高度）。
相反，高超音速导弹在大约1900-2500公里的范围内更快地到达目标，因为HCM以8马赫的速度不断行进，目前这被视为它们使用当前技术可以飞行的最大速度。这意味着HCM通常需要比弹道导弹更长的时间才能到达远处的目标。由于HGV通常由弹道导弹携带，因此它们到达目标所需的时间取决于助推器发射的轨迹，覆盖的距离以及滑翔到目标时执行的机动。
速度、机动性和每一种高超音速导弹系统的特性使它们或多或少地适合于特定的军事任务，并给导弹防御系统带来了挑战。这也影响了它们对战略稳定可能产生的影响。然而，在谈论HGV和HCM时，达到通常隐含的预期性能特征需要克服一系列重大的技术挑战。
高超音速滑翔飞行器的子系统和技术挑战
任何HGV，无论是携带常规，核还是无武器有效载荷，其设计都可以独立执行必要的机动以精确地飞入给定目标。需要传感器和计算能力才能使车辆保持一定程度的自主性。因此，除了推进系统外，HGV需要许多与弹道导弹相同（或至少相似）的基本子系统。由于HGV是在火箭助推器上发射的，因此它通常旨在滑向目标，并且不需要主发动机。
HGV的主要子系统是：
引导和控制系统;
轻质机身（具有足够的热屏蔽）;
有效载荷（对于一些有限的任务，HGV可能仅依靠撞击的动能）。
与弹道导弹系统一样，开发和整合这些子系统非常困难。例如，制导和控制系统需要电源、计算机、传感器和执行器，例如空气动力学控制表面或小型冷气体推进器，以便能够执行操作。当添加电缆，螺栓，螺钉，螺母和固定这些组件的元件时，总重量和所需空间增加。在大多数情况下，还需要有足够的空间来承载实际的有效载荷。因此，HGV通常既不小也不轻，这显着影响了整个系统的功能以及其某些功能之间的必要权衡。
任何HGV都旨在以非常高的速度穿过较厚的大气层，从而产生巨大的热负荷并使其周围的空气电离。这种热负荷给机身带来了巨大的压力，机身也应该能够承受HGV将要执行的机动产生的任何应力。
此外，HGV以高超音速运动产生的等离子体云使得任何类型的传感器都很难感知任何东西，更不用说识别和锁定目标了。因此，HGV必须在没有任何外部帮助的情况下确切地知道它的位置，因此需要非常精确的惯性传感器等。这些要求的技术挑战与设计用于重新进入地球大气层的航天器的挑战相当。但是，由于HGV的尺寸和重量限制更加严格，以及其军事角色的额外要求，它们的要求甚至更高。
设计、建造和运营可靠的HGV带来了许多挑战，包括获得技术、高昂的开发成本和测试要求。
高超音速巡航导弹的子系统和技术挑战
HCM的基本要求与HGV相似，只是速度可能更低。此外，HCM携带推进系统，这些系统必须高度复杂，才能在很长一段时间内保持高超音速。
目前，似乎只有一些先进的冲压发动机和超音速燃烧冲压发动机（超燃冲压发动机）能够满足这些要求。使用长距离空气呼吸发动机的高超音速推进带来了极端的技术挑战。
HGV所需的相同基本元素（尽管设计非常不同）也与HCM相关，增加了推进系统：
引导和控制系统;
轻质机身（具有足够的热屏蔽）;
高效的推进系统（通常是超燃冲压发动机）;
有效负载。
添加推进元件增加了HGV提到的问题，正如美国X-51A“波浪骑士”原型（将是HCM）所说明的那样。X-51A仅用于展示超燃冲压发动机的几分钟高超音速飞行，而没有携带武器有效载荷的能力。X-51A巡洋舰模块的长度超过4米，完全包装（见图3），没有额外的空间用于有效载荷。这表明HCM中任何子系统元件的重量和体积都存在严重限制。
图 3.X-51A子系统封装的剖面图。
与HGV一样，HCM出现了许多相同的技术要求，热负荷可能相当（取决于任务），传感器以及制导系统必须满足可比的要求。可行的超燃冲压推进系统所需的复杂技术目前是HCM开发工作的主要障碍。
不同州的HGV和HCM的能力分别可能因技术，设计和工程选择的复杂程度而有很大差异。因此，评估和比较任何此类系统的实际能力应该比达到大于5马赫的速度和一定程度的机动性的能力更深入。
结论
回到朝鲜报道的高超音速导弹试验，在这两种情况下，实现机动性似乎是明显设计选择背后的主要目标之一。因此，仅仅将这些系统描述为“高超音速导弹”既不能提供对其实际速度的必要理解，也不能提供其机动性或高超音速武器系统的类型。
克服这种缺乏细微差别的现象可能有助于抑制一些竞争动态和炒作驱动的军费开支。例如，一些现有导弹的能力往往已经具备了所需的能力。相反，未来高超音速导弹相对于其他系统的优势有时会被夸大，并且价格很高。考虑到开发和部署可行的高超音速武器系统的技术和经济挑战，有助于为应对高超音速导弹所构成风险的军备控制和不扩散努力提供信息。