高超聲速武器，和它的“克星”

從技術(shù)上講，高超聲速飛行（器）速度在馬赫5和馬赫10之間——高于聲速。在這樣的速度下，工程上必須考慮空氣的分子鍵，因?yàn)樗鼈兛梢愿淖兛諝馐┘釉陲w行器上力的大小。在更高的速度下，飛行器周圍會(huì)形成帶電的等離子。

高超聲速飛行器的電子封裝需要經(jīng)得起極高的的速度、溫度和壓力（考驗(yàn)）。隨著今天的高超聲速武器設(shè)計(jì)采用節(jié)流火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，用于中程攻擊或防御其他導(dǎo)彈或（攔截）攜帶這些導(dǎo)彈的載具，飛行面臨著更多的挑戰(zhàn)。

今天的全球大國繼續(xù)在反應(yīng)最快的導(dǎo)彈方面展開競爭。2019年，《大眾機(jī)械》雜志預(yù)測(cè)，俄羅斯將成為第一個(gè)擁有高超聲速武器的全球大國。旨在攻擊海洋或陸地目標(biāo)的高超聲速導(dǎo)彈將使包括核武器在內(nèi)的有效載荷非常難以攔截。俄羅斯海軍從2020年開始測(cè)試3M22“鋯石”-一種可以8或9馬赫飛行的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)巡航導(dǎo)彈-并報(bào)告說，該型導(dǎo)彈于當(dāng)年10月份在白海和巴倫支海成功發(fā)射。

俄羅斯高超聲速導(dǎo)彈組合中的另一種武器，僅次于“匕首”和“先鋒”高超聲速滑翔飛行器，速度可達(dá)27馬赫。像其他高超聲速武器一樣，部署或?qū)惯@些武器的主要戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)是它們能夠以非常高的速度在低空機(jī)動(dòng)。

據(jù)稱，中國擁有兩種高超聲速導(dǎo)彈：2019年在北京閱兵式上首次亮相的東風(fēng)-17中程高超聲速滑翔飛行器，以及實(shí)驗(yàn)性的“星空2號(hào)”(Starry Sky-2)飛行器。東風(fēng)-17目前屬于公路機(jī)動(dòng)發(fā)射，使得要在導(dǎo)彈發(fā)射前瞄準(zhǔn)這些高超聲速武器存在實(shí)際困難。

2020年3月，北京理工大學(xué)的一篇論文提出，這一領(lǐng)域的下一次升級(jí)可能是“高超聲速集群”，即在高超聲速組件中飛行的無人飛行器。這就遇到了使高超聲速飛行器能夠進(jìn)行通信的問題，所以論文的重點(diǎn)是讓擬議中的無人機(jī)通過一種新型的移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互通信。雖然目前這似乎僅限于學(xué)術(shù)領(lǐng)域，但許多小型飛行器而不是一架大型飛行器的想法可能是一個(gè)值得關(guān)注的領(lǐng)域。

為應(yīng)對(duì)中俄的威脅，防御方需要同樣快速的技術(shù)，以及一觸即發(fā)（高敏感度）的高空雷達(dá)。

例如，L3哈里斯公司（L3Harris）正在與美國導(dǎo)彈防御局簽訂一份價(jià)值1.21億美元的合同，從太空進(jìn)行高超聲速武器和彈道跟蹤。它將展示該公司的高超聲速武器和彈道跟蹤空間傳感器(HBTSS)項(xiàng)目的解決方案，該項(xiàng)目提供空中之眼-具體地說，紅外傳感器和用于導(dǎo)彈預(yù)警和防御的低地球軌道太空結(jié)構(gòu)的先進(jìn)處理能力。

節(jié)流火箭也將會(huì)發(fā)揮作用，因?yàn)楫?dāng)涉及到應(yīng)對(duì)其他高度機(jī)動(dòng)的高超聲速導(dǎo)彈和發(fā)射這些導(dǎo)彈的載具等可變距離威脅時(shí)，節(jié)流火箭可以提供更大的機(jī)動(dòng)性。特別是，美國海軍呼吁能在不到一小時(shí)的時(shí)間內(nèi)，向世界各地發(fā)動(dòng)攻擊的導(dǎo)彈，這包括其他高超聲速武器和將發(fā)射這些武器的艦艇。美國海軍于2021年3月發(fā)布了一份海軍常規(guī)快速打擊武器系統(tǒng)平臺(tái)——將在三艘隱形“朱姆沃爾特”級(jí)驅(qū)逐艦艦上集成高超聲速武器。

此外，2019年6月，位于弗吉尼亞州阿靈頓的美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)發(fā)布了“作戰(zhàn)火力(OpFires)”綜合武器系統(tǒng)項(xiàng)目的招標(biāo)。成品需要“穿透敵方現(xiàn)代化防空系統(tǒng)，并迅速打擊時(shí)間敏感目標(biāo)”，包括來襲導(dǎo)彈。這使他們有能力在快速變化的任務(wù)中進(jìn)行快速防御，例如來自機(jī)動(dòng)核導(dǎo)彈的襲擊。這份合同被提供給洛克希德·馬丁公司，后者于2020年初開始工作。

這只是美國為不同能力和用途研發(fā)的一系列高超聲速武器之一。美國空軍正在與美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)合作研發(fā)一種高超聲速吸氣式武器概念(HAWC)的高超聲速導(dǎo)彈，盡管這種導(dǎo)彈可能太大，不能安裝在航空母艦升降機(jī)上。另一個(gè)名為“尖嘯之箭”(Screing Arrow)的高超聲速項(xiàng)目要求在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)以高超聲速運(yùn)行之前，先用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)射超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

與此同時(shí)，洛克希德·馬丁公司正在研發(fā)AGM-183A“先進(jìn)快速反應(yīng)武器”(ARRW)，其飛行速度可達(dá)20馬赫，在當(dāng)今的設(shè)計(jì)中具有十足的競爭力，此外還有一種高超聲速常規(guī)打擊武器(HCSW)目前也正在研發(fā)中。根據(jù)美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration)的報(bào)告，在撰寫本文時(shí)，AGM-183A似乎正在為其在西海岸的首次試飛做準(zhǔn)備。

在美國，高超聲速領(lǐng)域最新的備受矚目的項(xiàng)目是海軍研究辦公室的“尖嘯之箭”——一枚高超聲速反艦導(dǎo)彈。2020年3月的一份征集要求一種吸氣式超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的武器安裝在F/A-18E/F“超級(jí)大黃蜂”多用途戰(zhàn)斗機(jī)上。國防部負(fù)責(zé)航空、力量投射和綜合防御的部門發(fā)布了征集書，但截至2021年3月5日，征集活動(dòng)被取消。

但這并不意味著整個(gè)項(xiàng)目被取消了-它也可能被移到更高的級(jí)別。該項(xiàng)目涵蓋了該武器從發(fā)射到撞擊（目標(biāo)）的所有能力。

隨著國防技術(shù)滲透到工業(yè)領(lǐng)域中，工業(yè)領(lǐng)域也在努力尋找解決軍事需求的尺寸、重量和功率(SWaP)的答案。

在高超聲速下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須仔細(xì)考慮振動(dòng)、壓力和溫度。確保電池不會(huì)耗電太多，也不需要太多重量。同時(shí)要求數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的功耗較低，這可以通過確保關(guān)閉不使用的通道和其他現(xiàn)有方法來實(shí)現(xiàn)。

位于加利福尼亞州查茨沃斯的美艾達(dá)（Aitech）防御系統(tǒng)公司的軍事和航空航天產(chǎn)品總監(jiān)兼工程總監(jiān)埃米爾·海菲茨表示，對(duì)于高超聲速導(dǎo)彈來說，電子產(chǎn)品的尺寸、重量和功率是關(guān)鍵參數(shù)。

• 電子產(chǎn)品需要體積小、重量輕、功耗低，以最大限度地減少實(shí)現(xiàn)和保持高超聲速所需的能量。

• 除了尺寸、重量和功率，還應(yīng)考慮其他高空運(yùn)行條件，如冷啟動(dòng)溫度(遠(yuǎn)低于典型的零下40攝氏度)和有源組件的單粒子效應(yīng)(SEE)緩解技術(shù)。

為避免飛行產(chǎn)生的大量熱量對(duì)設(shè)備的影響，需要將熱量輸送到防護(hù)罩或飛行器的其他部分，數(shù)據(jù)采集電子設(shè)備是傳導(dǎo)冷卻的，而設(shè)計(jì)的其他方面將熱量從電路板轉(zhuǎn)移出去。根據(jù)需要，液體冷卻可能也將被采用。

除了極端的高溫、機(jī)械和化學(xué)環(huán)境外，設(shè)備還需要經(jīng)得起沖擊波的考驗(yàn)。隨之而來的是滾燙的熱量，這進(jìn)一步會(huì)導(dǎo)致電離分子等化學(xué)反應(yīng)，這是導(dǎo)致無線電斷電的一個(gè)因素。

當(dāng)涉及到傳感器以及數(shù)據(jù)收集和檢索時(shí)，所有這些都會(huì)造成重大問題。美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)創(chuàng)建了高焓孔徑技術(shù)(HEAT)項(xiàng)目，專注于高超聲速導(dǎo)彈和飛機(jī)上射頻和紅外線孔徑面臨的挑戰(zhàn)。三家公司--紐約州尼斯卡尤納的通用電氣(General Electric GE)全球研究部門、佛羅里達(dá)州奧蘭多的洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin Corp.)導(dǎo)彈和火控部門以及亞特蘭大的佐治亞理工學(xué)院研究公司(George Tech Research Corp.)--贏得了開發(fā)保護(hù)傳感器免受高溫和振動(dòng)影響的材料的合同。

軍事裝備的另一個(gè)主要因素是數(shù)據(jù)安全。如果飛行器被攔截或丟失，堅(jiān)固或加固的傳感器不能為了其獨(dú)特的應(yīng)用而犧牲數(shù)據(jù)安全。在這種情況下，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)為保護(hù)遙測(cè)數(shù)據(jù)流提供加密認(rèn)證。當(dāng)飛行器在美國境外飛行時(shí)，還必須考慮其他具體因素。在試飛期間，對(duì)手可能會(huì)試圖攔截它們。

柯蒂斯-賴特公司的庫克指出，最終的問題是，如何展示一種今天在地球上飛得那么快、那么遠(yuǎn)的飛行器。我們所有的飛行試驗(yàn)都是在美國進(jìn)行的，而高超聲速飛行器可能會(huì)飛越太平洋上空，飛越美國所有的設(shè)施。對(duì)于高超聲速行業(yè)來說，能夠展示一種環(huán)游世界并在30分鐘內(nèi)到達(dá)那里的飛行器，這是一個(gè)更大的挑戰(zhàn)。能夠安排你要經(jīng)過哪些國家來展示這種飛行器可能比設(shè)計(jì)這種飛行器要困難得多。

自第一次實(shí)現(xiàn)飛行以來，人們對(duì)速度5馬赫以上的飛行的了解有所提高。華盛頓史密森國家航空航天博物館的專家指出，在4.99馬赫和5.01馬赫之間，空氣的顏色或音效沒有明顯的戲劇性變化，就像1馬赫的音爆一樣。重要的因素是在超過5馬赫的速度下所經(jīng)歷的物理現(xiàn)象的強(qiáng)度。

在這樣的速度下運(yùn)行，要對(duì)部件進(jìn)行足夠的加固，可能包括改變它們的內(nèi)部加熱和散熱，這可能是困難的。電子產(chǎn)品需要控制尺寸、重量和功率這些關(guān)鍵參數(shù)以最大限度地減少實(shí)現(xiàn)和保持高超聲速所需的能量，極端的物理環(huán)境下對(duì)傳感器造成的影響也應(yīng)該被重視。

同時(shí)針對(duì)高超聲速飛行器的試驗(yàn)也面臨很多難題，預(yù)計(jì)將以高超聲速飛行的飛行器或武器在進(jìn)行試驗(yàn)和展示時(shí)可能是困難和昂貴的。