中國「航母殺手」示威 高超音速的技術競賽與挑戰

東風21D彈道導彈

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中國8月26日在南海軍演中從陸地向海上目標發射了一枚東風-21D和東風-26B導彈,顯示了用導彈導彈攻擊海上目標的能力。

最近中國向南海試射了兩枚被稱為「航母殺手」的彈道導彈,展示威懾力。中國要實現彈道導彈和高超音速武器末端的機動性並且提高精度需要克服哪些技術障礙呢?

中國8月26日在南海軍演中從陸地向海上目標發射了東風-21D和東風-26B導彈。這兩種彈道導彈具有攻擊海上移動目標的能力,因此被稱作「航母殺手」。

除了上述兩種公路移動的路基「航母殺手」,中國軍隊還裝備了世界第一款超高音速滑翔導彈東風-17。這種導彈在2019年度國慶閲兵中首次亮相,是一種帶翼飛標形狀的導彈。

中國官媒《環球時報》報道引述「接近中國軍方的消息人士」說,從青海發射的東風-26和從浙江發射的東風-21在偵察飛機、雷達、衛星和軍艦的引導和協調下鎖定並擊中海上目標。

報道說,中國的彈道導彈以20倍音速的速度重返大氣層,大大增加了反導彈攔截的難度。

等離子和精度難題

圖像來源,Getty Images

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專家說, 帶翼類似飛鏢的流線體在高速高溫狀態下能避免在敏感天線部分外殼形成電離層,避免電子信號被阻斷中國軍隊還裝備了世界第一款超高音速滑翔導彈東風-17。

美國《國家利益》雜誌的編輯、防務專家克里斯•奧斯本(Kris Osborn)撰文說,雖然美國對被稱為「航母殺手」的導彈威脅不敢掉以輕心,但是對於導彈能力仍然存在許多疑問。例如,中國報道說,在先進網絡和制導系統配合下,導彈有能力作機動飛行並摧毀包括航母在內的海上艦船等移動目標。

奧斯本說,這種能夠在導彈飛行中重新瞄凖的制導系統是過去幾年中出現的最新技術,還不清楚中國軍隊是否具有這種能夠讓導彈在機動飛行中精確擊中目標的網絡能力。

BBC麥克爾•丹普西(Michael Dempsey)的報道也說,提高精度是高超音速導彈研發面臨的主要的挑戰。

圖像來源,Reuters

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美國評論員說,雖然不清楚具體技術細節,但中國擁有被稱為「航母殺手」導彈的事實本身就足以讓美國航母遠離中國海岸(美國羅斯福號航母)

雖然中國擁有被稱為航母殺手的彈道導彈和超高音速導彈的事實本身足以讓美國航母遠離中國沿海,但BBC記者報道說,要想擊中能夠以30節或更高速度(每小時35公里-56公里)航行的核動力航空母艦,導彈需要更精確的飛行軌跡,但對於以5馬赫速度飛行的導彈,實現上述機動難度很大。

導彈外殼在高超音速飛行中發熱產生所謂的等離子體鞘(sheath of plasma),或在彈頭外層形成等離子氣包。這種等離子層能夠阻擋信號發送和接收,諸如接收衛星通訊信號,這樣導彈內部的瞄凖系統就無法對移動目標進行探測。

BBC記者丹普西的報道說,高溫狀態導致等離子增加。錐形的導彈在高速高溫條件下外表會均勻產生等離子層,但是帶翼類似飛鏢的流線體可能會避免在敏感天線部分外殼形成電離層。

材料和衝擊波挑戰

圖像來源,USAF

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2010年美國的B-52轟炸機在高空投擲了被稱為X-51A的超高音速飛行器,飛行器使用超燃衝壓發動機達到超高音速

高超音速飛行的難點還有許多,如化學離解和衝擊波。所謂化學離解就是在高溫高速條件下連接化合物的原子分散,這就令高超音速進氣發動機工作的化學原理更加複雜。

在2010年美國進行的試驗中,高空飛行的B-52轟炸機投擲了被稱為X-51A的高超音速飛行器,飛行器先使用火箭加速達到4.5馬赫的速度,然後主要啟動超燃衝壓發動機。空氣高速流入衝壓發動機的進氣道,發動機內部燃料燃燒後,加速的空氣向後噴出達到高超音速。

這意味著幾分鐘內進氣溫度達到1,000攝氏度。X-51A飛行器在高超音速的高溫狀態下飛行了5分鐘。丹普西報道說,五分鐘在長途飛行中並不算長,但是在克服高超音速飛行障礙中就是個了不起的成功。

據中國媒體報道,去年亮相的東風-17導彈也使用了高燃衝壓發動機技術。

研發X-51A高超音速飛行器的航空噴氣公司(Aerojet Rocketdyne)是位於美國加利福尼亞的一個高度保密的公司。丹普西報道說,該公司的僱員在X-51A試驗過後7年才在匿名情況下發表意見,這足以說明高超音速技術的敏感和保密性質。

該公司的一個高超音速專家這樣描述X-51A:「飛行器真正熾熱的部分是形成衝擊波的頭部,所以那就是材料研究投入的所在。」

高超音速未來發展

圖像來源,USAF

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X-51A的高超音速飛行器

英國反應發動機公司(Reaction Engines)正在研發一種被稱為「佩刀」的高超音速發動機。他們借鑒了美國1960年代X-15火箭飛機和航天飛機項目的經驗。該公司已經掌握了一種能夠讓航空發動機在超高音速吸入超高溫氣體而不出故障的技術。

反應發動機公司在美國業務的負責人迪塞爾(Adam Dissel)說,「佩刀」式發動機安裝了被稱為「前冷卻器」的部分,即發動機最先遇到高超音速高溫空氣的部分。

2019年10月反應發動機公司在美國科羅拉多的試驗場對「佩刀」發動機進行模擬高超音速空氣流速的嚴苛測試。他們把超音速航空發動機固定在地面,後面噴射出氣體進入「佩刀」發動機的進氣口。

這時候「佩刀」發動機的前冷裝置發揮作用,將冷卻劑通過導管高壓送入發動機系統,在發動機內部實現空氣和燃料混合。

這種發動機對材料要求十分複雜。航天飛機應對高溫高速的辦法是使用了一種燒蝕防熱復合材料製成的陶瓷瓦做外層保護,應付重返大氣層期間白熱化的環境。

除了抗燒蝕防熱復合材料,另外一種辦法是使用被稱為英高鎳合金(Inconel)的一種鎳合金應對象火山岩漿那樣熾熱的高溫氣流 。

迪塞爾說,反應發動機公司採納了英高鎳合金和冷卻渠道降溫技術。他認為複雜的熱處理系統加上英高鎳合金是未來高超音速發動機的發展方向。