高超声速武器，和它的“克星”

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2021年6月4日《军事与航空航天电子》发表了题为《满足高超声速飞行所需要的电子和传感器的尺寸大小、重量和功率》（Meeting SWaP needs for electronics and sensors for hypersonic flight）的文章。文章指出，为满足高超声速武器飞行所需，其上搭载的电子组件需要具备耐热和抗振动的特性，同时满足小尺寸、轻重量和低功耗等要求。

文章仅供参考，观点不代表本机构立场。

为满足高超声速飞行所需，电子和传感器所需具备的要求

编译：学术plus评论员  解兵

1.背景

从技术上讲，高超声速飞行（器）速度在马赫5和马赫10之间--高于声速。在这样的速度下，工程上必须考虑空气的分子键，因为它们可以改变空气施加在飞行器上力的大小。在更高的速度下，飞行器周围会形成带电的等离子。

高超声速飞行器的电子封装需要经得起极高的的速度、温度和压力（考验）。随着今天的高超声速武器设计采用节流火箭发动机，用于中程攻击或防御其他导弹或（拦截）携带这些导弹的载具，飞行面临着更多的挑战。

 图：这张图体现了低轨道高超声速飞行在高温、冲击和振动方面的极端情况

2.国防运用

高超声速在国防上的运用

2.1在中俄军事中的应用

今天的全球大国继续在反应最快的导弹方面展开竞争。2019年，《大众机械》杂志预测，俄罗斯将成为第一个拥有高超声速武器的全球大国。旨在攻击海洋或陆地目标的高超声速导弹将使包括核武器在内的有效载荷非常难以拦截。俄罗斯海军从2020年开始测试3M22“锆石”-一种可以8或9马赫飞行的超燃冲压发动机巡航导弹-并报告说，该型导弹于当年10月份在白海和巴伦支海成功发射。

俄罗斯高超声速导弹组合中的另一种武器，仅次于“匕首”和“先锋”高超声速滑翔飞行器，速度可达27马赫。像其他高超声速武器一样，部署或对抗这些武器的主要战术优势是它们能够以非常高的速度在低空机动。

据称，中国拥有两种高超声速导弹：2019年在北京阅兵式上首次亮相的东风-17中程高超声速滑翔飞行器，以及实验性的“星空2号”(Starry Sky-2)飞行器。东风-17目前属于公路机动发射，使得要在导弹发射前瞄准这些高超声速武器存在实际困难。

2020年3月，北京理工大学的一篇论文提出，这一领域的下一次升级可能是“高超声速集群”，即在高超声速组件中飞行的无人飞行器。这就遇到了使高超声速飞行器能够进行通信的问题，所以论文的重点是让拟议中的无人机通过一种新型的移动无线网络进行相互通信。虽然目前这似乎仅限于学术领域，但许多小型飞行器而不是一架大型飞行器的想法可能是一个值得关注的领域。

2.2美军的应对

为应对中俄的威胁，防御方需要同样快速的技术，以及一触即发（高敏感度）的高空雷达。

例如，L3哈里斯公司（L3Harris）正在与美国导弹防御局签订一份价值1.21亿美元的合同，从太空进行高超声速武器和弹道跟踪。它将展示该公司的高超声速武器和弹道跟踪空间传感器(HBTSS)项目的解决方案，该项目提供空中之眼-具体地说，红外传感器和用于导弹预警和防御的低地球轨道太空结构的先进处理能力。

节流火箭也将会发挥作用，因为当涉及到应对其他高度机动的高超声速导弹和发射这些导弹的载具等可变距离威胁时，节流火箭可以提供更大的机动性。特别是，美国海军呼吁能在不到一小时的时间内，向世界各地发动攻击的导弹，这包括其他高超声速武器和将发射这些武器的舰艇。美国海军于2021年3月发布了一份海军常规快速打击武器系统平台——将在三艘隐形“朱姆沃尔特”级驱逐舰舰上集成高超声速武器。

此外，2019年6月，位于弗吉尼亚州阿灵顿的美国国防高级研究计划局(DARPA)发布了“作战火力(OpFires)”综合武器系统项目的招标。成品需要“穿透敌方现代化防空系统，并迅速打击时间敏感目标”，包括来袭导弹。这使他们有能力在快速变化的任务中进行快速防御，例如来自机动核导弹的袭击。这份合同被提供给洛克希德·马丁公司，后者于2020年初开始工作。

图：美国国防部高级研究计划局(DARPA)的“猎鹰”高超声速试验飞行器(Falcon Hypersonic Test Vehicle)从火箭头锥中出来，准备重新进入地球大气层

这只是美国为不同能力和用途研发的一系列高超声速武器之一。美国空军正在与美国国防部高级研究计划局(DARPA)合作研发一种高超声速吸气式武器概念(HAWC)的高超声速导弹，尽管这种导弹可能太大，不能安装在航空母舰升降机上。另一个名为“尖啸之箭”(Screing Arrow)的高超声速项目要求在超燃冲压发动机以高超声速运行之前，先用火箭发动机发射超燃冲压发动机。

图：一名空军技术人员使用罗德维奇风洞来测量高超声速研究飞行器的压力、温度和流场

与此同时，洛克希德·马丁公司正在研发AGM-183A“先进快速反应武器”(ARRW)，其飞行速度可达20马赫，在当今的设计中具有十足的竞争力，此外还有一种高超声速常规打击武器(HCSW)目前也正在研发中。根据美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration)的报告，在撰写本文时，AGM-183A似乎正在为其在西海岸的首次试飞做准备。

图：洛克希德·马丁公司AGM-183“空射快速反应武器”(ARRW)是美国空军一种实验性高超声速武器，使用助推滑翔飞行器推进至20马赫的最高速度。

2.3“尖啸之箭”项目的兴衰

在美国，高超声速领域最新的备受瞩目的项目是海军研究办公室的“尖啸之箭”——一枚高超声速反舰导弹。2020年3月的一份征集要求一种吸气式超燃冲压发动机的武器安装在F/A-18E/F“超级大黄蜂”多用途战斗机上。国防部负责航空、力量投射和综合防御的部门发布了征集书，但截至2021年3月5日，征集活动被取消。

但这并不意味着整个项目被取消了-它也可能被移到更高的级别。该项目涵盖了该武器从发射到撞击（目标）的所有能力。

随着国防技术渗透到工业领域中，工业领域也在努力寻找解决军事需求的尺寸、重量和功率(SWaP)的答案。

3.综合考量

关于尺寸、重量和功率的考量

在高超声速下，系统设计者必须仔细考虑振动、压力和温度。确保电池不会耗电太多，也不需要太多重量。同时要求数据采集产品的功耗较低，这可以通过确保关闭不使用的通道和其他现有方法来实现。

位于加利福尼亚州查茨沃斯的美艾达（Aitech）防御系统公司的军事和航空航天产品总监兼工程总监埃米尔·海菲茨表示，对于高超声速导弹来说，电子产品的尺寸、重量和功率是关键参数。

• 电子产品需要体积小、重量轻、功耗低，以最大限度地减少实现和保持高超声速所需的能量。

• 除了尺寸、重量和功率，还应考虑其他高空运行条件，如冷启动温度(远低于典型的零下40摄氏度)和有源组件的单粒子效应(SEE)缓解技术。

4.环境影响

极端物理环境对传感器造成的影响

为避免飞行产生的大量热量对设备的影响，需要将热量输送到防护罩或飞行器的其他部分，数据采集电子设备是传导冷却的，而设计的其他方面将热量从电路板转移出去。根据需要，液体冷却可能也将被采用。

除了极端的高温、机械和化学环境外，设备还需要经得起冲击波的考验。随之而来的是滚烫的热量，这进一步会导致电离分子等化学反应，这是导致无线电断电的一个因素。

当涉及到传感器以及数据收集和检索时，所有这些都会造成重大问题。美国国防部高级研究计划局(DARPA)创建了高焓孔径技术(HEAT)项目，专注于高超声速导弹和飞机上射频和红外线孔径面临的挑战。三家公司--纽约州尼斯卡尤纳的通用电气(General Electric GE)全球研究部门、佛罗里达州奥兰多的洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin Corp.)导弹和火控部门以及亚特兰大的佐治亚理工学院研究公司(George Tech Research Corp.)--赢得了开发保护传感器免受高温和振动影响的材料的合同。

图：高超声速武器必须承受类似于航天器重新进入地球大气层时的高温

5.数据安全

军事装备的另一个主要因素是数据安全。如果飞行器被拦截或丢失，坚固或加固的传感器不能为了其独特的应用而牺牲数据安全。在这种情况下，美国国家标准与技术研究所(NIST)为保护遥测数据流提供加密认证。当飞行器在美国境外飞行时，还必须考虑其他具体因素。在试飞期间，对手可能会试图拦截它们。

柯蒂斯-赖特公司的库克指出，最终的问题是，如何展示一种今天在地球上飞得那么快、那么远的飞行器。我们所有的飞行试验都是在美国进行的，而高超声速飞行器可能会飞越太平洋上空，飞越美国所有的设施。对于高超声速行业来说，能够展示一种环游世界并在30分钟内到达那里的飞行器，这是一个更大的挑战。能够安排你要经过哪些国家来展示这种飞行器可能比设计这种飞行器要困难得多。

6.结语

自第一次实现飞行以来，人们对速度5马赫以上的飞行的了解有所提高。华盛顿史密森国家航空航天博物馆的专家指出，在4.99马赫和5.01马赫之间，空气的颜色或音效没有明显的戏剧性变化，就像1马赫的音爆一样。重要的因素是在超过5马赫的速度下所经历的物理现象的强度。

在这样的速度下运行，要对部件进行足够的加固，可能包括改变它们的内部加热和散热，这可能是困难的。电子产品需要控制尺寸、重量和功率这些关键参数以最大限度地减少实现和保持高超声速所需的能量，极端的物理环境下对传感器造成的影响也应该被重视。

同时针对高超声速飞行器的试验也面临很多难题，预计将以高超声速飞行的飞行器或武器在进行试验和展示时可能是困难和昂贵的。

（全文完）

作者专栏 

解兵，学术plus评论员，专注研究外军军情，装备追踪等。

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