黄志澄：从机动弹头到高超声速滑翔飞行器
从机动弹头到高超声速滑翔飞行器
远望智库特约研究员 黄志澄
近年来，一种用弹道式导弹或火箭发射的高超声速滑翔飞行器，成为媒体上讨论的热点。其实，这种高超声速飞行器由来己久，其发展经历了许多变化。下面我们以美国为例，说明其发展过程、技术障碍和应用前景。
机动弹头的发展
美国在远程弹道式导弹的惯性再入弹头的技术成熟以后，一方面加速弹头的小型化和发展多弹头技术，另一方面，大力研制提高突防能力和打击精度的机动弹头。在机动弹头方面,美国主要发展了助推滑翔技术，即弹头与助推火箭分离后上升到高空，当它下降到较低高度时，进行轨道机动，并滑翔较长距离向目标腑冲。在上世纪60年代到80年代，美国空军研发了多种机动弹头。其中主要有：
（1）助推滑翔弹头（BGRV）。它采用双锥外形，并用射流干扰进行机动。1967年，用宇宙神F火箭对重1362公斤重的弹头进行了两㳄飞行试验。试验结果证明射流控制方案是可行的。但这种方案滑翔时间较长，使敌方增加了拦截距离，同时落点误差也有所增加。
（2）机动弹道式弹头（MBRV)。它的重量为1400公斤，采用4个液圧驱动的控制翼，最大机动过载可达100g,机动距离达500公里左右。1966年用阿特拉斯F火箭进行了4次飞行试验，前3次均失败，最后一次取得成功。但这个方案的尺寸和重量都较大，难于实用。
（3）高级机动弹头（AMaRV）。1976年美国开始研制，它采用双錐外形和控制翼，可改变配平攻角，落点精度较高。虽经过多次飞行试验，但并未装备部队。
（4）潘兴2机动弹头。美军在1974年开始研制潘兴2机动弹头。其外型是细长的双锥外形，在其尾部装有4𠆤舵面。由于采用雷达末制导，落点精度较高。1978年先后进行了5次飞行试验，其精度达到25米。1983年美国在西欧部署潘兴2导弹，1988年在美苏两国在签署了中导条约后，美国开始从欧州撤出并销毁。这是美国唯一装备部队的中程机动弹头。
从美国发展机动弹头的历史经验可见，影响其发展的因素主要是军备控制和技术成熟度。
通用再入飞行器的设想
美国从20世纪90年代中期，开始关注非核打击和太空对地打击。美国航天司令部在1998年4月公布了《长期规划》,在这个长期规划中，首次提出了空间作战飞行器(SOV)系统的概念。太空作战飞行器系统是一个由多种军用航天飞行器灵活组合而成的系统。它由太空作战飞行器（SOV）和它的上面级组成。SOV是一种能够快速发射的重复使用的航天运载器(RLV)，它可以将上面级送入近地球轨道，也可以只达到亚轨道速度。SOV系统的上面级有三种类型：
（1）太空机动飞行器（SMV）。它是一种多用途的轨道飞行器。它具有较强的轨道机动能力，并能返回地面并重复使用。它主要用于对地侦察和监视，对太空目标的监视和识别，也可作为反卫星的平台，还能对军用卫星进行在轨服务。它也可释放CAV而进行远程对地攻击。其试验样机就是后来的X-37B。。
（2）模块嵌入级（MIS），它是一种一次性使用的上面级，主要是用于发射高地球轨道（HEO）和中地球轨道（MEO）的卫星。
（3）通用再入飞行器（CAV）。它是一种高超声速飞行器，它带有精确制导的非核战斗部，主要用于远程对地攻击。与远程弹道式导弹相比，它的升阻比和机动范围要大得多，对地攻击的精度也要高得多。
上面级可以用太空作战飞行器发射，也可用一次性使用的运载火箭(ELV)发射，或用大型飞机进行空中发射(AL)。CAV也可用弹道式导弹(BM)发射。
根据美国空军在2003年4月公布的“美国空军转型路线图”的阐述，CAV作为一个快速响应和精确打击的系统，可在没有提前部署部队的情况下，于任何时间、任何地点攻击敌人。快速响应可以在冲突一开始，在远征部队出动之前，或辅助远征部队打击高价值、关键和严密设防的目标。CAV将使用抗干扰的GPS/惯性导航复合制导，该系统可精确地将CAV置于可有效分散其有效载荷的位置。CAV将速度和机动性结合起来，使得防御它变得十分困难。设想的有效载荷包括：小直径炸弹；无人机；广域搜索自动攻击小型弹药（WASAAMM）或单一的无人战机。
“猎鹰（FALCON）”计划
2003年6月17日，美国空军和国防部高级研究计划局(DARPA)联合对“猎鹰（FALCON）”计划招标。它是一个技术开发和武器系统演示验证计划，涉及四个主要项目：通用再入飞行器（CAV）、增程型通用再入飞行器（ECAV）、小型运载火箭（SLV）和高超声速巡航飞行器（HCV）。“猎鹰”计划的主要目标是研制、试验和验证可以满足近期和长期全球瞬时打击任务能力的技术，同时还要演示验证可进行快速空间发射的能力。整个“猎鹰”计划的技术基础是要开发一套通用的技术和演示验证途径，既可以满足近期SLV/CAV具备初始瞬时全球打击能力的要求，又可以满足远期发展HCV目标的要求。这套通用的技术包括：高升阻比的气动外形、轻质耐高温材料、防热技术、目标修正和自动飞行控制等。这些技术将在进行首次飞行试验前逐步成熟，并设计成一个集成的武器系统，然后通过一系列的飞行试验对其进行验证。
2004年美国国会审议猎鹰计划时，美国参议院极力要求取消CAV的预算，不过众议院则对CAV情有独钟，要求加大拨款。最终两院达成妥协，通过了预算拨款但取消了猎鹰计划中的武器部分，规定不能用于武器化的CAV开发，也禁止使用陆基或是潜射弹道导弹发射CAV。在这之后，CAV改名为高超声速技术飞行器(HTV)。HTV作为高超音速技术演示和验证计划的一部分，着眼于进行在较高的高空，验证与高超声速飞行相关的技术，如高超声速空气动力学、长时间高超声速飞行的防热技术、高超声飞行下的制导、导航与控制技术等。在计划的执行过程中，HTV-1、HTV-3相继被撤消，只有由洛克希德马丁公司的臭鼬团队研制的HTV-2飞行器，进行了两次飞行试验。
技术障碍
2010年4月，行了猎鹰HTV-2首次飞行试验，在发射9分钟后，与地面控制站就失去了联系，试验宣告失败。2010年末，DARPA公布了独立的工程审查委员会对HTV-2的调查结果，指出首飞失控最可能的原因是偏航超出预期，它同时伴耦合滚转，这些异常现象，超出了姿态控制系统的调节能力，触发了飞行器坠毁。2011年8月13日凌晨，又进行了HTV-2的第二次试飞，但HTV-2在升空大约半小时后，便与地面失去联系，试飞再次宣告失败。DARPA对事故分析后表示，高超声速飞行导致飞行器大部分外壳损毁。研制者推测，部分外壳因局部烧蚀损坏后，快速形成的损伤区在飞行器周围，产生了意料之外的强大激波，导致飞行器的飞行迅速终止。
由于高超声速飞行的时间较长，必须进行防热、气动和控制的一体化设计，其难度就远远高于一般的再入飞行器。高超声速飞行也意味着要求更快反应的控制，而困难在于目前还未全面掌握高超声速下实现空气动力控制的规律。在HTV-2第一次飞行试验失败后，其项目主管克里斯•舒尔兹（ChriesSchulz）就表示：“在M数为20的飞行条件下,我们对飞行器的空气动力学现象还存在认识上的盲区。”盲区之一就是高超声速边界层转捩。目前应用不同的地面试验和预测方法的边界层转捩结果，差异很大。
最近，美国国防部负责采购、技术和后勤的副部长办公室的武器系统主管斯普鲁•利科迪斯（SpiroLekoudis）更加明确指出：在30到50公里飞行的高超声速飞行器，要经历非连续流动、层流、转捩、湍流流动，迎风面和背风面的压力有数量级的差别、压力中心移动很大，因此，其控制面临多重挑战。为此，必须将飞行器设计和控制系统设计紧紧耦合，要协调好稳定和不稳定的边界。由于这些边界可能被破坏，所以，控制系统对扰动的鲁棒性就十分关键。发展高超声速飞行器要研究新的空气动力控制技术、可能的机动和控制的方案。包括气动、推进或两者的组合方案。此外，气动载荷的快速变化、材料在加热时的性能退化和气动外形的变化，也是这种飞行器面临的困难。由于地面设备无法复现全部的真实飞行条件，使得问题更加复杂。
另外，性能较低的美国陆军的先进高超声速武器（AHW）在2011年8月进行了首次的行试验，取得成功，但2014年8月的第二次飞行试验却宣告失败。2014年，美国空军和美国国防高级研究计划局（DAPRA）合作，启动了“战术助推滑翔(TBG)”项目。
应用前景
对于任何一种武器应用前景的预测基于三个因素即任务需求的迫切性、技术成熟度和经费的承受能力。从这三个因素出发，可以预测在2020年到2025间，类似美国陆军AHW这样的高超声速战木助推滑翔武器可望列装。在2025年左右更高M数的高超声速滑翔弹头技术可望成熟，是否列装取决于当时的世界格局和军控的进展。至于美国空军设想的通用再入飞行器，则是一个更长期的发展设想。
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