高超音速导弹的关键技术有哪些?它们难在哪里?

谢邀请。

助推滑翔高超音速导弹

制导系统,动力引擎及耐高温的弹体弹头复合材料是超高音速导弹的先决硬件,目前除俄罗斯外,就连美国这个世界霸主都想做梦拥有,美国科技一流,军工体系庞大完整,这款导弹的引擎动力系统和制导系统一直是美国越不过去的一道坎,研制了多年,到头来颗粒无收。如今俄罗斯装备了“匕首”,“先锋”,“锆石”三款超高音速导弹,用于常规战争攻击美国本土指挥大本营,战略目标及游戈于大洋中任何角落的美国十一艘核动力航母,俄罗斯三款导弹一直是美国挥之不去的心头阴影。

助推滑翔式飞行弹道图

该型导弹主要是利用火箭把弹体发射到亚轨道,进入大气层后就可以利用气动升力进行远距离滑翔飞行。当飞行器达到40千米左右高度时,关闭发动机,弹体靠惯性滑行到60千米。然后弹体回落,升力逐渐增大,当达到35千米高度时,短暂启动发动机,弹体再次爬升。这样反复进行几次,每几分钟进行一次“跳跃”,与打水漂有类似之处。这就是著名的钱学森弹道,我国的DF-17导弹就是此类导弹。

高超音速滑翔弹头气动布局技术

一般采用楔形弹头,具有复杂的气动布局,一般需要大型风洞进行极为复杂的实验。

  • 发动机与弹体一体设计技术

高超音速导弹有点小难难,对于一流的科技大国来说,面前还有数只拦路虎。俄罗斯2019年有三款高超音速导弹入役,既有战略导弹,也有战术导弹,面对记者为何如此之难的提问,普京一语中的,弹体表面高达1700多摄氏度的高温,这对弹体内部精密的元器件是个考验。

其制导方式为,惯性+卫星+中继+雷达等多种方式的复合制导模式;而我国临近空间反舰巡航导弹的制导模式也一样,只是导弹头部没有方向陀,采用火箭喷管和尾部方向陀转向来调节方向,最大飞行速度6马赫,巡航速度4马赫,远远低于机动变轨弹道导弹的速度。

目前的高超音速导弹有多种,按照速度超过5倍音速来定义的话,广义上可分为:普通弹道导弹、机动变轨弹道导弹、乘波体滑翔导弹、临近空间巡航导弹、空射弹道导弹和吸气式乘波体巡航导弹等。

超高音速导弹是除核弹头外,用于常规战争杀伤力最大,最难于拦截的导弹,因为超高超音速导弹突防能力太强,可以攻击地球上任何目标,超高超速导弹属于洲际轨道式导弹,是将弹头送入地球卫星的轨道上,并控制弹头在目标区域上空制动,使弹头再入大气层垂直攻击目标。

上图为俄罗斯“伊斯坎德尔”短程弹道导弹挂载在米格-31战机上,然后改名为“匕首”高超音速导弹,其实就是弹道导弹空射,不具备精确打击能力。

首先先解释一下助推滑翔式高超音速导弹和吸气式高超音速导弹的含义。

  1. 自主制导与控制技术

  2. 弹头高速穿越大气层,会在弹体周围产生电离层,这个时候会外界的控制信号无法进入,需要弹头在高速运动中具备自主的制导和控制技术,是很难实现的。

    最主要的就是热胀和热胀之内的通信问题。

    由于全程需要动力支撑,需要把发动机与弹体一体化设计,技术难度很大。

    • 最后说助推滑翔式导弹与吸气式导弹区别,各有优劣,滑翔式导弹似乎射程是一个限制,不过已在“先锋”得以成功解决。

      2.吸气式高超音速导弹

      热防护技术

    长时间在大气层边缘进行高超音速飞行,会产生几千摄氏度的高温。如何进行隔温处理很关键。如果处理不当,弹头就很可能在大气层内部焚毁。

    • 美国并非行行世界第一,也有它的短板,高精密军用轴承比不过瑞典,战机仪表依赖瑞士,隐形材料离不开日本,气动系统更是不如英国的罗罗公司。俄罗斯航天发动机更是捏住美国的命脉,俄罗斯超高音速导弹技术是独门绝活。等美国搞出了超高音速导弹,相信俄罗斯现在当下正研制拦截超高音超导弹的大杀器。

      需要发动机具有较高的冲压比,且具有较长的工作时间,技术较为复杂,只有少数国家掌握该技术。

      • 该型导弹主要的技术难点如下:

        • 上图为珠海航展上CM-401高超音速反舰巡航导弹的宣传广告。

          DF-17高超音速导弹

          过去几年自美国单方面退出《中导条约》并重启中程高超音速武器研发开始,先后包括美国/日本在内的众多国家相继选择公布本国高超音速武器研发进度,其中尤以美国昔日最大的竞争对手俄罗斯率先亮相自家的高超音速武器。既包括在2019年末俄罗斯宣布俄罗斯第一款陆基”先锋“高超音速导弹系统进入战斗值班状态,同期空射版本的”匕首“高超音速武器也正式开始战斗值班状态。当然在俄罗斯两款高超音速武器正式开始战斗值班之前的10月1日国庆节,我国在国庆70周年阅兵庆典上,率先公布了我国第一款高超音速武器装备—东风17高超音速导弹系统。并且在去年年末日本也率先公布了自家高超音速武器研发进度和计划,当然在这些高超音速武器中,各国发展的方向还是有所分别的,比如俄罗斯和我国已经开始战斗值班状态的高超音速导弹都是用的火箭发动机,而此前美国多次试验的X-51A高超音速导弹使用的却是需要吸入外界空气参与的超燃冲压发动机,那么这种助推滑翔式高超音速导弹和吸气式高超音速导弹都有哪些优缺点呢?首先对于高超音速武器来说,普遍面临最大的三个问题就是高温隔热/通信黑障/推进效率降低这三大技术限制。以高温隔热技术难点来说,高超音速武器最大飞行速度必须超过5马赫才算是高超音速武器,但是更大的飞行速度下,导弹蒙皮和外界空气的高速摩擦会在导弹弹体表面产生上千度的高温,也被称为“热障”。这么高的温度不光会对导弹自身材料的抗高温性能有很高的要求,同时也会产生很高的红外特征成为对方反导系统拦截最耀眼的目标,所以这就需要在材料上苦下功夫,既要求材料在具备更轻质量更高结构强度的前提下,还要具备长时间耐受上千度高温烤蚀的能力。第二个是通信黑障问题,导弹在高超音速飞行下,导弹外表蒙皮受热后会在导弹表面形成一个隔热障碍层,这层障碍层不光会增加导弹自身的空气阻力,降低其最大飞行速度,也会隔绝导弹内部导引头和通信设备和外界的联系,所以称之为”通信黑障“。那么在黑障的限制下,首先导弹在高超音速飞行阶段无法和后方的指挥通信系统实时取得联系,失去了灵活机动改变目标的能力,那么也就失去了随时改变弹道增强突防能力的能力。而且被黑障影响的导弹内部的导引头也无法在末端准确瞄准目标,也就失去了定点打击高价值战略目标的能力。第三个是推进效率降低的问题,这个问题核心还是要分不同类型的推进发动机来有所区别的,比如俄罗斯和我国已经开始战斗值班状态的高超音速导弹都是用的火箭发动机,而此前美国多次试验的X-51A高超音速导弹使用的却是需要吸入外界空气参与的超燃冲压发动机,所以光是从需要吸气的高燃冲压发动机和不需要吸气的火箭发动机就能分别解析出两种发动机在推进效率上的差别。首先以并不常见的超燃冲压发动机来说,在说超燃冲压发动机之前需要先说一下冲压发动机,简单来说冲压发动机就是撇弃了传统喷气发动机内部的压气机/涡轮等活动部件,主要借助导弹在超音速飞行阶段下,迎面而来的高速气流在通过进气道的过程中,将高速气流的超音速动能转换成亚音速气流产生的压力能,并经过压缩后进入燃烧室与燃料混合后经喷管高速喷出,所以有着结构简单/重量轻/成本低的优势。不过其缺点也很明显,因为进入进气道后的高速气流速度已经成为亚音速气流,所以受限于其推进效率的原因,冲压发动机最大飞行速度普遍不会超过6马赫,而且因为冲压发动机需要借助其他助推器完成从零到超音速加速阶段,所以实际应用中通常需要借助火箭助推器完成加速助推,比如美国的X43A高超音速武器在试飞时,就是借助火箭助推器完成助推加速过程的。而更进一步的超燃冲压发动机是一种全程使用超音速气流完成混合燃烧的升级版冲压发动机,所以其最大的优势就是最大飞行速度可以扩展到5–16马赫,不过其技术难度也要比冲压发动机更高。当然具体来说的话,超燃冲压发动机也是有优缺点的,比如其优点就是发动机工作时间更长,而且因为属于吸气式发动机所以射程更远,但是有一个很大的缺点就是高空氧气稀薄的时候,其整体冲压式发动机推进效率会下降,并且因为整个飞行阶段需要吸气,所以不光存在高超音速飞行阶段,进气道内部高超音速气流整流和降速降温问题,而且因为吸气所以最大飞行高度有一定限制。当然超然冲压发动机也和冲压发动机一样需要助推,不过现阶段已经可以提前在设计阶段可以将固体火箭助推器集成在超燃冲压发动机燃烧室内,这样便可以大大缩短发动机整体长度。当然更具体说超燃冲压发动机最大的技术难点的话,肯定就是其发动机燃烧室内如何保证稳定燃烧的问题了,试想一下冲压发动机进入燃烧室内与燃料混合燃烧的高速气流已经被减速成亚音速气流,所以还是有办法完成稳定燃烧的。但是对于进入燃烧室参与燃烧的气流是随着飞行速度越高气流速度越快的超音速甚至高超音速气流时,首先这会带来两个问题,一个是气流速度增加后,经过燃烧室的时间几乎是毫秒级别,所以如何在这么短的时间内将燃料和超音速甚至高超音速气流完成高效混合再点燃就存在很大的技术难度,其次就是这么大速度的气流进入燃烧室,如何保证燃烧室内的高温燃气稳定燃烧更是技术难点,这种技术难度真的不亚于”在龙卷风中点燃火柴并稳定燃烧“。再说一下技术难度更低的火箭发动机,首先其导弹内部自带燃烧剂和氧化剂,因为不需要外界介质的参与,所以没有复杂的进气道设计,也没有高度限制。所以在高超音速武器的研发上,理论上来说,只要火箭发动机使用的燃料比冲更高,那么这种高超音速导弹的最大的飞行速度将有一个更大的提升,至少将最大飞行速度提升到马高超音速门槛的5马赫不是什么难点。但是现阶段火箭助推有一个很大的缺点就是受限于火箭固体燃料虽然推重比更高,但是比冲较低,所以存在最大飞行速度有上限的缺点,而且因为其纯燃料工作的属性,导弹最远飞行距离也有一定的限制,如果要保证导弹射程的话,那么就是导弹的体积无法很好的缩小。当然从两种不同类型的发动机来说,火箭发动机虽然技术难度更低,但是其局限性还是更大,所以从技术发展的长远角度来说,还是吸气式的超燃冲压发动机更有发展前景,当然只要能够很好的解决超燃冲压发动机的种种缺点,这种飞行速度/推进效率随飞行速度正比提升的发动机将会有更远的射程和更高的飞行速度,这对于未来战争实现十分钟打遍全球将不是可遇而不可求的梦。最后再说一下助推滑翔式高超音速导弹,助推滑翔式导弹具体体现在导弹的飞行路线上,因为传统的导弹普遍遵循水平式飞行路线和抛物线弹道飞行路线,但是这两种飞行路线有一个很大的缺点就是敌方很容易通过导弹前段飞行路线推算出后段飞行路线,继而提前进行拦截准备,所以就存在突防能力低下的缺点,哪怕是飞行速度更高的弹道导弹也是如此。所以早在冷战时期,我国航天泰斗–导弹之父钱学森先生就提出来一种类似石头划过水面打水漂的滑翔式飞行弹道,这种打水漂般的飞行路线因为飞行路线不具备统一性,所以敌方根本无法根据已知弹道准确的判断出下一阶段飞行路线,所以在突防能力上提升了很高一级。同时因为其滑翔式飞行弹道的优势下,导弹借助在大气层上以打水漂的方式可以大大增加导弹的射程,比如东风17体型和东风16这种近程导弹长度差不多,但是由于其弹头采用了打水漂一样的滑翔飞行方式,所以这种导弹的射程反而能够达到堪比中远程弹道导弹的射程,这将是滑翔式弹头很有优势的体现。
          毕竟通过换装弹头既可以提升导弹的射程,而且这种类型的弹头飞行路线根本无法判断,所以对于任何一个国家的反导系统来说都将是噩梦。

          乘波体滑翔导弹和吸气式乘波体巡航导弹,人们常常狭义的把这两种导弹称为:高超音速导弹。

          从精确打击来定义的话,应该把普通弹道导弹和空射弹道导弹排除在外;因为弹道导弹采用的是惯性制导模式,惯性制导存在误差累积,射程越远误差越大,全凭威力大来实现大概率的毁伤效果。

          普京的话不是空穴来风,当是意有所指。世上就有一个超级大国,被挡在了表面温度上面,陆海军三军开发不下4款高超音速导弹,全都归于失败。失败的原因自有很多,其中一项,可能就是温度。温度都解决不了,其它无从谈起。关于高超音速,美国开发得最早,宣传也比较高调,导弹未出,就要一小时打遍全球,口号喊得山响没有用,起了一个大早,赶了个晚集。

          该型导弹技术难点如下:

          • 乘波体滑翔式导弹,比如我国的DF-17和俄罗斯的“先锋”高超音速导弹。这两种导弹是利用火箭助推器发射到太空最高点,然后弹头与助推器分离,弹头再入大气层,利用弹头再入大气层产生的激波,使激波始终保持在弹头的前沿和下表面,利用激波的浮力打水漂机动滑翔飞行。制导方式为,惯性+中继+雷达的复合制导模式。

            中国DF-15A与俄罗斯“伊斯坎德尔”一样都是短程弹道导弹,明显可以看出头部没有方向陀和反向推力喷嘴,所以,没有机动变轨能力,不是精确打击导弹。而DF-15B、DF-11A、DF-21C/D和DF-26都是弹头部位安装有方向陀和反向推力喷嘴,因此,都属于精确打击导弹。

            热防护技术

          超燃冲压发动机技术

        该型导弹是利用超燃冲压发动机作为推进系统,把导弹以5马赫以上的速度在大气层中长时间高速飞行的导弹,典型是美国的X-51A。

        与前面讲的一样,不过多赘述。

        • 材料与制造工艺

        滑翔弹体需要高强度的航空材料和及其严格的加工工艺(焊接技术、高精度加工技术等),考验一个国家材料技术及工业加工实力。

        • 俄罗斯“锆石”、美国X-51A和中国“星空二号”都是吸气式乘波体高超音速导弹。这种吸气式的乘波体导弹弹头安装有超燃冲压发动机,利用火箭助推器发射,使速度逐步达到3马赫以上超燃冲压发动机点火启动,然后抛弃助推器,弹头利用超燃冲压发动机提供动力,使速度逐步加速到6~10马赫之间;飞行高度一般在2~3万米,超过3万米高度空气稀薄,氧气稀少,不利于超燃冲压发动机吸取氧气作为氧化剂,就算自带氧化剂,也不利于发动机工作的条件。这种导弹一般也会采用复合制导模式,使导弹能够进行机动变轨飞行,从而精确打击目标。

          科技大国没问题,多少先进武器都是一流的,然而并非所有武器都能高出他人一头,乍出一臂来,有些装备落后再正常不过。只是这态度不成,技不如人,兀自不服,不服不成,事实就摆在面前了呢。


          瘦死的骆驼比马大,俄罗斯继承前苏联的军事遗产也足够叫美国及北约忌惮三分,夹缝中生存的俄罗斯只能背水一战,研发超高音速导弹用于自卫。

          超高音速导弹的难点关键是动力推进系统制导系统精密电子电路原件要经受住大气层运行过程中产生的高温高压而正常运行。

          关键的技术,主要是原料的爆发力,其他都差不多。

          自主指导与导航技术

        与前面赘述一样。X-51A失败的原因就是在20千米以上高度飞行时,地面遥控数据流中断,控制失败,不得不自毁。

        高超音速导弹难在那里,这一直捆绑科技人员的手脚,无从下手,其中涉及机密很多,连老美都望门兴叹,能突破难关的焦点是导弹推进剂,至此,能涉及机密,无须过分论之。

        上图为俄罗斯“锆石”高超音速反舰巡航导弹的想象图

        2020年抖擞精神,誓言2023年即入役成军,话说面对温度之问,得到答案没得?更何况俄之高超音速导弹的绝活不只温度一个,还有诡异飘忽的弹道,还有高超机动的设计等等,美国不缺技术基础,毕竟身为高科技大国,似乎一切皆可搞得掂,目前信心满满,信誓旦旦,可得而得吗?仍具有很大不确定性。与其说信心十足,不如说着了急,拉在他人后面不甘心,投入重金,相信重赏之下必有勇夫。

        高超音速机动导弹最大的特点就是速度快,机动变轨能力强,打击精度高。要保证这些性能的发挥,最关键的就是让制导系统稳定工作。众所周知,弹头在大气层高速飞行时会与空气摩擦,从而加热导弹外壳,速度越快产生的温度越高,弹头容易被高温烧蚀,也会产生等离子效应,从而影响制导系统稳定工作,甚至因高温烧坏电子元器件,导致高超音速导弹在飞行中自毁。美国的高超音速飞行器试验常常失败就是这个原因——耐热材料不过关。所以,高超音速导弹的关键技术就是材料技术。

展开阅读全文

一支军队野战能力的强弱主要受哪些因素影响?

上一篇

电视剧《我的团长我的团》 中,日军攻打树堡时为什么没有使用大炮?

下一篇

你也可能喜欢

插入图片
高超音速导弹的关键技术有哪些?它们难在哪里?

长按储存图像,分享给朋友