2010年美國高超聲速發展的趨勢

0美國鄰近空間高度靠近空間，也稱為封閉空間，包括人士氣流層、中樓層和部分電離層。根據國際航空聯合會(FAI)的定義,臨近空間的范圍確定在23km~100km;美國空軍參謀長JumperJ、國防部航天負責人TeetsP和空軍航天司令部負責人LordL共同確定的美國臨近空間高度為20km~300km。結合國際空域主權的協議慣例,我國傾向于將臨近空間定義為20km~100km,低界選在國際民航組織(ICAO)控制區域之上,高界依據FAI定義。1速速臨空間高速目標臨近空間目標包括臨近空間慢速目標和臨近空間高速目標2大類,臨近空間慢速目標有臨近空間飛艇(速度一般小于150km/h,如美國的“海象”)和臨近空間慢速無人機(速度一般小于5Mach、1Mach=1224km/h,例如美國的“全球鷹”),飛行高度一般在20km~30km,慢速臨近空間目標運動特征和常規空中目標相似。各國臨近空間超高聲速研究和試驗計劃繁多,總體上,臨近空間高速目標可歸納為超高速巡航導彈、超高速無人飛機、軌道式再入飛行器3類。這些目標具有速度快、運動軌跡復雜等特點,對探測臨近空間目標提出了極大的挑戰。1發射速度較快的特點如圖1所示,超高聲速巡航導彈一般采用超燃沖壓發動機提供動力,具有發射平臺多樣、飛行速度快、可機動飛行、彈道富于變化、能夠打擊時間敏感目標、突防能力強等突出優勢。超高聲速巡航導彈的飛行距離一般在1100km~1300km,未來也可能達數千米,飛行速度在6Mach~10Mach,飛行高度在25km~40km。2超高聲速無人機如圖2所示,超高聲速無人飛機可利用載機從常規軍用跑道上起飛,并可重復使用。它可裝有吸氣式超燃沖壓發動機、火箭發動機或組合發動機。超高聲速無人機飛行速度為6Mach~15Mach,飛行高度為30km~80km(X-43A試驗飛行高度為40km),覆蓋了臨近空間大部分空域,采用“沖壓-滑躍”式飛行方式,航程達到16000km,有效載荷5t,可在2h內實現全球到達,完成作戰任務。美國空軍期望其在2015年前能投入使用,靈活與快速決定了它將成為未來實施全球快速打擊作戰任務的利器。3助推-滑動式飛行軌跡超高聲速機動再入飛行器是由外層空間再入或運載到外層空間釋放后再入大氣層的飛行器,具有適應稀薄大氣層飛行的超高聲速、高升阻比的氣動布局。其再入后在臨近空間的稀薄大氣層飛行,可以有動力(火箭發動機或超燃沖壓發動機),也可以無動力。無動力時,依靠很高的再入速度在臨近空間作超高聲速遠距離的滑翔甚至波浪式的機動飛行,航程可以達上萬千米,能夠實現對全球目標的快速精確打擊任務?；鸺爸?滑翔”式飛行軌跡是火箭助推到一定高度和速度后再入臨近空間,在臨近空間無動力滑翔飛行,飛行高度為60km~90km,飛行速度為10Mach~20Mach;火箭“助推-巡航”式飛行軌跡是火箭助推到一定高度和速度后再入臨近空間,在臨近空間動力巡航飛行,巡航高度為30km~40km,巡航速度為6Mach~10Mach;空天飛機的軌道具有再入式飛行軌跡,平時在太空中做環繞地球的軌道飛行,需要時可從軌道空間再入臨近空間(或從軌道空間空天飛機平臺發射對地攻擊武器再入臨近空間),可在軌道空間、臨近空間和大氣層內往復飛行,圖3是X-37B空天飛機示意圖。2“kh-4”在美國正式重測空天系統上的使用臨近空間飛行器的研究是以美國、俄羅斯為主,歐洲、日本、印度等國也在積極地研究。2010年4月22日,美國空軍在佛羅里達州成功試飛X-37B軍用無人空天飛機,標志著美國空軍以無人駕駛可重復使用的高超聲速飛行器為工具,把在藍色天空執行的情報搜集、目標攻擊和通信等軍用任務推進到黑色太空的空天領域。當天,美國在加利福尼亞州范登堡空軍基地試驗了從太空以20Mach返回地球的“獵鷹”飛行器HTV-2,使1h之內攜帶彈頭擊中世界上任何角落的目標成為可能;2010年5月26日,X-37B尚未返航,X-51A超高聲速巡航導彈又在愛德華空軍基地進行了首次試飛,成功在21.3km高度以5Mach的速度飛行了近3.5min,實現了迄今為止以超燃沖壓發動機為動力的飛行器最長飛行時間,為全球偵察、攻擊、進入空間等應用領域奠定了基礎。臨近空間飛行器主要研究和試驗項目見表1。綜上所述,臨近空間超高聲速飛行器有2大類(3種)典型飛行特征,如圖4所示。3基于國土縱深目標的觀測系統常規國土防空預警系統探測區域高度覆蓋約為25000m,不能探測在25000m以上高度臨近空間飛行的臨近空間目標。針對臨近空間目標的預警探測有以下難點:1)使用地基探測手段,采用封邊、封海的搜索屏探測方式對臨近空間高速目標的有效預警時間短。使用地面雷達在邊境周邊建立搜索屏可以搜索截獲在臨近空間內運動的高速和慢速目標,包括超高速巡航導彈、高速無人機和臨近空間飛艇,而受地平線限制,只能在距離邊境線約580km(高度20km)~1300km(高度100km)間發現目標,如圖5所示。(1)對從臨近空間進入國境的高速目標,使用地基雷達的有效預警時間短。針對國土周邊的預警時間(發現后判定為臨近空間目標)只有約3min(按高度為20km、速度為10Mach的目標計算)~11min(按高度為100km、速度為6Mach的目標計算)。針對國土縱深重點城市和區域(距邊境1000km)的預警時間也只有8min~19min。(2)對在國境內陸(或在軌道空間飛行、在國土縱深再入)上空飛行的臨近空間高速目標,需要部署地基雷達進行全程監視。使用地基探測手段,采用封邊、封海的搜索屏探測方式可以在國土周邊區域有效截獲目標,但由于臨近空間目標飛行軌跡復雜多變,難于像衛星目標進行軌道預測,還必須使用地基跟蹤雷達在國土境內進行全程跟蹤,實現對境內所有目標的全程監視。2)使用空基和臨近空間平臺探測手段,采用封邊、封海的搜索屏探測方式對臨近空間高速目標的有效預警時間增加有限。(1)使用空基平臺(3000m高度的飛艇)探測手段在邊境周邊建立搜索屏,比地基雷達的預警時間增加約2min~3min,針對國土縱深重點城市和區域(距邊境1000km)的預警時間也只有10min~22min;(2)使用臨近空間平臺(20000m高度的飛艇)探測手段在邊境周邊建立搜索屏,比地基雷達的預警時間增加約3min~5min,針對國土縱深重點城市和區域(距邊境1000km)的預警時間可達11min~24min。但受平臺能源供應能力的限制,短期內空基和臨近空間平臺探測雷達的威力相對較小,預警時間的增加達不到上述期望值,只有在解決能源供應后才能獲得上述預警時間。3)使用中低軌道預警衛星光學、紅外和雷達的復合探測手段,理論上可以實現對全球區域臨近空間目標的全程跟蹤監視,是解決臨近空間目標探測最有效手段,但實際探測效能受到物理原理和能源供應能力等客觀因素的制約。(1)當臨近空間目標位于地球陰影中或位于太陽和預警衛星之間時,光學探測手段不能探測目標,對于20km~100km的近地空間目標,上述影響更加嚴重,天基光學探測手段的時間可用度低(每天只有數小時),限制了天基光學探測手段的效能;(2)由于大多數臨近空間高速目標使用無動力飛行或動力滑翔交替飛行模式,動力飛行時間短,需要研究臨近空間高速飛行產生的熱效應對紅外探測性能的影響,判定天基紅外探測手段對臨近空間目標探測的有效性;(3)中低軌衛星載雷達探測可以實現對臨近空間目標的全程跟蹤監視,但受到能源供應能力的限制,星載雷達在短期內難于發揮應有的潛力。例如,以約2000km高度的太陽同步軌道計算,如果每條軌道使用8顆衛星(需要多條軌道才能實現對全球覆蓋),需要的星載雷達威力約為3300km,使用16顆衛星,雷達威力約為1600km,在可預見的未來,在星載平臺上難于實現這種雷達規模。4高超聲速航天器的突出動作能力2010年是臨近空間平臺及武器發展不平凡的一年,美