21世紀(jì)各超級大國為追求高超音速而做的事

為什么世界各國的軍隊(duì)都想要能在低空沿著不規(guī)則路徑以5倍音速飛行的導(dǎo)彈？原因很明顯——為了避開一切探測或攔截。美國馬里蘭州約翰斯霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（APL）的高超音速專家布拉德利?惠頓（Bradley Wheaton）說：“可以把它想象成送披薩，只不過它送的不是披薩而已。

在美國，導(dǎo)彈只要15分鐘就能覆蓋東海岸；一枚真正快速的導(dǎo)彈20分鐘就能到達(dá)西海岸。在這樣的速度下，每單位時(shí)間所覆蓋的面積系數(shù)會增加50?！彼?，問題不在于大國為什么都追求高超音速武器，而在于他們?yōu)槭裁船F(xiàn)在追求。原因就在于大國再次陷入軍備競賽。

2018年3月俄羅斯總統(tǒng)普京發(fā)表的演講讓世界廣大地區(qū)的人們第一次聽說了這種武器，演講中描述了俄羅斯的核動力巡航導(dǎo)彈計(jì)劃，該導(dǎo)彈能夠以令人目眩的速度在世界各地飛行，然后在山丘和山谷間蜿蜒飛向目標(biāo)。他大膽的言論（尤其是關(guān)于核能的部分）受到了質(zhì)疑。1年后，俄羅斯北部海岸的一處試驗(yàn)場附近發(fā)生核事故，造成7人死亡，美國情報(bào)官員推測這可能與高超音速試驗(yàn)有關(guān)。

事故的性質(zhì)現(xiàn)在仍然是個(gè)謎，但高超音速方面的研究工作明顯增多。以下綜述了21世紀(jì)各超級大國為追求高超音速而做的事，雖然高超音速并不是一個(gè)新理念。

顯然，中國和俄羅斯正在使用或正在測試的高超音速導(dǎo)彈可以攜帶瞄準(zhǔn)艦船和其他小型軍事目標(biāo)的常規(guī)彈頭，不過，讓防御者沒有足夠時(shí)間發(fā)動報(bào)復(fù)性打擊的高超音速核導(dǎo)彈將更能改變力量平衡，因?yàn)樗鼘⒋輾藗冃列量嗫鄻?gòu)建起來的威懾系統(tǒng)，即“相互保證毀滅”，縮寫比較滑稽——“MAD”。

得克薩斯大學(xué)圣安東尼奧分校的機(jī)械工程教授克里斯托弗?康姆斯（Christopher Combs）說：“核問題是個(gè)非常不穩(wěn)定的因素，因此俄國人會追捧它，但在美國方面，我們認(rèn)為沒有必要這樣做，所以我們追求常規(guī)武器?！?/p>

這確實(shí)是美國的官方政策。不過，2020年8月，也就是在康姆斯接受本刊訪問后的幾個(gè)月，《航空周刊》（Aviation Week）的一篇文章指出，一個(gè)負(fù)責(zé)核武器的空軍機(jī)構(gòu)向各大公司征詢想法，尋求“能夠支持高超音速滑翔器達(dá)到洲際彈道導(dǎo)彈（ICBM）射程的熱防護(hù)系統(tǒng)”。不過很快這一征詢被匆匆撤下，美國空軍不得不重申其政策，即不發(fā)展具有核能力的高超音速武器。

如今各國對高超音速研究的探索有著很深的淵源，可以追溯到20世紀(jì)50年代末的美國和蘇聯(lián)。盡管這項(xiàng)工作持續(xù)了幾十年，但在1994年，也就是冷戰(zhàn)結(jié)束蘇聯(lián)解體幾年后，美國停止了對高超音速飛行的研究，包括其最后一個(gè)也是最大的項(xiàng)目——羅克韋爾X-30（Rockwell X-30）。綽號“東方快車”的X-30本來是一個(gè)載人運(yùn)輸工具，最高時(shí)速是音速的25倍，達(dá)到25馬赫，足以從華盛頓特區(qū)起飛2小時(shí)后降落在東京。20世紀(jì)90年代，俄羅斯經(jīng)濟(jì)一蹶不振，也停止了這方面的研究。

莫斯科物理技術(shù)學(xué)院教授、邊界層高超音速流專家亞歷山大?費(fèi)德洛夫（Alexander Fedorov）解釋說，今天的試驗(yàn)飛行器只是在前人停下的地方繼續(xù)前進(jìn)。他說：“現(xiàn)在飛行的飛行器只是技術(shù)展示，其科學(xué)已有30年歷史了?！?/p>

費(fèi)德洛夫曾在美國講學(xué)；他甚至指導(dǎo)過美國研究生的研究。他對軍備競賽扼殺了國際合作感到遺憾，并表示他本人對普京兩年前鼓吹的軍事項(xiàng)目“一無所知”?！暗抑廊藗冋趶氖逻@方面的工作。”他補(bǔ)充道。

費(fèi)德洛夫說，在新的競賽中，俄羅斯有經(jīng)驗(yàn)但沒有多少資金，中國有資金卻沒有太多經(jīng)驗(yàn)，而美國兩者都有。盡管美國恢復(fù)研究的時(shí)間比俄羅斯和中國都晚，但現(xiàn)在正在迎頭趕上。2021財(cái)年，美國研究機(jī)構(gòu)為所有高超音速武器研究編列了32億美元的預(yù)算，高于前一年的26億美元。

印度和澳大利亞也在開展其他項(xiàng)目；甚至以色列和伊朗也作為旁觀者參加了這場競賽。費(fèi)德洛夫認(rèn)為中國值得關(guān)注。他說，中國過去常在國際會議上發(fā)言，但現(xiàn)在大多數(shù)時(shí)候只是在聽，所以我們會猜測中國是不是真的開始研究新想法了，而且他重申，中國展示出來的想法很少很少。所有競賽國展示的飛行器都“非常保守”，他說。

激進(jìn)設(shè)計(jì)稀有的一個(gè)原因是研究開支巨大。工程師們只能通過在地面上進(jìn)行測試、使用計(jì)算流體流動模型和高超音速風(fēng)洞來學(xué)習(xí)到這些東西，而這些的成本都是非常高的（并且只能模擬高超音速飛行的一些有限的方面）。工程師們需要讓自己發(fā)明的飛行器試飛，而且通常試飛的時(shí)候，他們會用盡測試飛行器。這使得設(shè)計(jì)迭代非常昂貴。

高超音速原型機(jī)經(jīng)常失敗，這不足為奇。僅僅在超音速飛行中，超過1馬赫很容易分辨：飛機(jī)超過它傳給空氣的聲波，產(chǎn)生一個(gè)沖擊波，形成我們熟悉的兩拍音爆。不過，當(dāng)飛行器超過5馬赫時(shí)，沖擊波后面的空氣密度就會降低，從而使沖擊波在飛行器表面聚集。這一有別于傳統(tǒng)的邊界層不會產(chǎn)生空氣動力學(xué)問題，當(dāng)它光滑平穩(wěn)時(shí)甚至可能是一個(gè)優(yōu)勢，但它會在一瞬間變成洶涌的湍流。

“很難預(yù)測它何時(shí)會變成湍流?！奔s翰斯?霍普金斯APL的惠頓說，“預(yù)測這一點(diǎn)很重要，因?yàn)楫?dāng)它變得洶涌時(shí)，溫度會升高，會影響控制面如何控制方向。此外，還有更多阻力?！?/p>

高超音速飛行的先驅(qū)們以慘痛的方式認(rèn)識了湍流。在1967年的一次飛行中，美國空軍X-15高超音速試驗(yàn)飛機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，飛行員邁克爾?J.亞當(dāng)斯（Michael J. Adams）喪生。他確實(shí)是真正的“太空英雄”。

高超音速導(dǎo)彈有兩種類型。第一種是用彈道導(dǎo)彈的尖端發(fā)射到太空，沖入大氣層，然后利用動量進(jìn)行機(jī)動飛行。這種“助推滑翔”導(dǎo)彈沒有噴氣發(fā)動機(jī)，所以不需要進(jìn)氣口，因此其造型很容易實(shí)現(xiàn)對稱，它通常是一個(gè)帶有錐形尖端的管狀物。導(dǎo)彈外皮的每一部分都同等程度地暴露在空氣中，在這種速度下，空氣會分解成等離子體羽流，就像使宇航員在重返大氣層時(shí)保持無線電靜默的羽流一樣。

助推滑翔導(dǎo)彈現(xiàn)在已在使用中。中國似乎部署了第一款這種導(dǎo)彈——東風(fēng)-17，它是一種攜帶滑翔飛行器的彈道導(dǎo)彈。據(jù)說其中一些滑翔導(dǎo)彈能夠擊潰美國海軍的超級航母。在這樣的任務(wù)中，它不需要攜帶核彈頭，甚至不需要攜帶常規(guī)彈頭，而是依靠其巨大的動能來摧毀目標(biāo)?，F(xiàn)在任何一個(gè)國家都無法抵御它。

美軍參謀長聯(lián)席會議主席馬克?米利（Mark Milley）將軍今年2020月在國會作證時(shí)說：“這些事情發(fā)展得太快了，你永遠(yuǎn)追不上?！?/p>

你可能會覺得從彈道開始就沒了驚喜，但事實(shí)并不完全如此。一旦高超音速導(dǎo)彈從俯沖變?yōu)樗斤w行，它就對稀疏排列的雷達(dá)隱形了，特別是太平洋上零星的雷達(dá)。平坦的飛行路線可以使其發(fā)生很大轉(zhuǎn)向。這并不是任何人工智能管理產(chǎn)生的魔術(shù)——飛行器只是遵循預(yù)先編程的一套隨機(jī)轉(zhuǎn)彎規(guī)則，但這對防御者的影響是一樣的：他們還沒找到錢包，披薩就已經(jīng)送到了。

第二種高超音速導(dǎo)彈的主要動力來自噴氣發(fā)動機(jī)，它能夠非?？焖俚匚肟諝猓瑢⒖諝馀c燃料一起旋轉(zhuǎn)，在燃燒室停留的瞬間燃燒混合物，然后將其作為廢氣噴出去。因?yàn)檫@些發(fā)動機(jī)不需要壓縮機(jī)，而只是利用向前運(yùn)動的力量將空氣壓入內(nèi)部，而且燃燒是以超音速進(jìn)行的，所以它們被稱為“超音速燃燒沖壓發(fā)動機(jī)”，簡稱“超燃沖壓發(fā)動機(jī)”（scramjet）。

與助推滑翔導(dǎo)彈相比，超燃沖壓發(fā)動機(jī)的一個(gè)優(yōu)勢是它能夠保持在雷達(dá)視線外，同時(shí)繼續(xù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離機(jī)動，直到到達(dá)目標(biāo)。此外，由于它從不進(jìn)入外太空，所以不需要乘坐火箭助推器，不過它需要一些強(qiáng)大的助力才能先達(dá)到?jīng)_壓噴氣發(fā)動機(jī)的工作速度，然后達(dá)到超燃沖壓發(fā)動機(jī)的工作速度。

超燃沖壓發(fā)動機(jī)的另一個(gè)優(yōu)勢在于，它原則上可以用于民用目的，運(yùn)送必須迅速到達(dá)的人員或包裹。歐洲有這樣一個(gè)項(xiàng)目，中國也有，而且波音公司已經(jīng)展示了一款概念機(jī)。每個(gè)人都在談?wù)撨@種可能性，因?yàn)樘孤实卣f，這是有關(guān)高超音速飛行技術(shù)唯一的和平話題。不過，別忘了，很久以前發(fā)生的那次超音速商業(yè)飛行沒賺到錢就結(jié)束了，而且，超音速飛行容易得多。

超燃沖壓發(fā)動機(jī)有一個(gè)很大的缺點(diǎn)：技術(shù)難度很大。任何高超音速飛行器都必須抵擋外部快速移動的空氣，空氣會將前緣加熱到3 000攝氏度。這種高溫和壓力與超燃沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)的“地獄之火”完全不同。在內(nèi)部，熱量無法散發(fā)，很難讓火焰保持燃燒狀態(tài)，內(nèi)部會逐漸熄滅，從而影響氣流和穩(wěn)定性。對它來說，五分鐘已經(jīng)是很長的時(shí)間了。

正是因?yàn)槿绱?，超燃沖壓發(fā)動機(jī)雖然誕生于20世紀(jì)50年代，但相關(guān)技術(shù)仍在研究中。21世紀(jì)初，美國國家航空航天局（NASA）的X-43在飛行中使用了大約10秒的超燃沖壓發(fā)動機(jī)。2013年，波音公司的X-51乘波體（Waverider）在超燃沖壓發(fā)動機(jī)動力下以高超音速飛行了210秒。

地面測試則取得了較好的進(jìn)展。據(jù)《南華早報(bào)》報(bào)道，2020年5月，中國科學(xué)院的工作人員操作超燃沖壓發(fā)動機(jī)運(yùn)行了10分鐘。兩年前，該項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人范學(xué)軍告訴《南華早報(bào)》，他們正在建造一家工廠，目的是生產(chǎn)各種各樣的超燃沖壓發(fā)動機(jī)，其中一些據(jù)說是民用發(fā)動機(jī)。發(fā)動機(jī)將采用聯(lián)合循環(huán)方式，還有一臺用于起飛的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)、一臺用于加速到接近高超音速的沖壓噴氣發(fā)動機(jī)、一臺速度超過5馬赫的超燃沖壓發(fā)動機(jī)，甚至可能還有補(bǔ)充推力的火箭。這需要很多活動部件，其雄心可與埃隆?馬斯克媲美。不過，即便是馬斯克也可能對普京提出的利用核反應(yīng)堆生產(chǎn)能源的提議猶豫不決。

開發(fā)超燃沖壓發(fā)動機(jī)的成本只是經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)的一部分。另一項(xiàng)挑戰(zhàn)是降低發(fā)動機(jī)價(jià)格，使其便宜到可以按常規(guī)方式部署和使用。要做到這一點(diǎn)，我們需要可以依賴的燃料。早期的研究人員研究了一類在接觸空氣時(shí)會發(fā)生反應(yīng)的高能燃料，比如三乙基鋁。

約翰斯霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的大衛(wèi)?范?維（David Van Wie）解釋了為什么沒有認(rèn)真考慮三乙基鋁：“這是一種非常棒的超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃料，但其毒性非常強(qiáng)，有點(diǎn)像現(xiàn)在火箭中使用的聯(lián)氨燃料，這成為了一個(gè)阻礙因素?！?/p>

此外還有液氫，它非?；顫?，但需要復(fù)雜的冷卻。更糟糕的是，在給定體積內(nèi)，它壓縮的能量相當(dāng)少，而且作為低溫燃料，它不便于儲存和運(yùn)輸。液氫一直被用于試驗(yàn)性導(dǎo)彈，如X-43。

如今，實(shí)際導(dǎo)彈中采用的是碳?xì)浠衔?，它與噴氣燃料屬于同類，但更加昂貴。與世界上其他國家一樣，中國燃燒了10分鐘的超燃沖壓發(fā)動機(jī)采用的也是碳?xì)浠衔?。其中的問題在于，如何快速分解碳?xì)浠衔锏拈L分子鏈，以便分子在物質(zhì)相遇并結(jié)合時(shí)，在分解的瞬間與氧氣結(jié)合，然而，僅僅一瞬間是不夠的，我們需要不斷這樣做，維持一個(gè)又一個(gè)的瞬間，正如人們常引用的2004年NASA發(fā)言人加里?克里奇（Gary Creech）說的那句話：“就像讓一根火柴在颶風(fēng)中保持不滅一樣?！?/p>

超燃沖壓發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)是想通過塑造流入的幾何結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生渦流，從而保護(hù)火焰，形成一個(gè)類似颶風(fēng)眼的無風(fēng)區(qū)。導(dǎo)彈開始飛行，擾亂氣流時(shí)，燃燒中斷是個(gè)特別令人擔(dān)憂的問題?！斑@是一種‘未啟動’現(xiàn)象，進(jìn)氣口處的沖擊波會使發(fā)動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，飛行器就會失去動力?！眻D拉荷馬田納西大學(xué)太空研究所的研究員約翰?D.史密瑟（John D. Schmisseur）說。這是只有在實(shí)際飛行中才會遇到的麻煩，他補(bǔ)充道。

吸入龍卷風(fēng)時(shí)，除了熄火之外還有其他問題。一位要求匿名的專家這樣說：“如果你吸入的是空氣，那它就不再是空氣了；而是電離空氣的復(fù)雜混合物?，F(xiàn)在沒有水了，全是氫和氧，并且氮是部分元素，而不是分子。所以燃燒不是空氣和燃料產(chǎn)生的，而是你吸入的任何東西，無論它是什么，也就是說進(jìn)氣口的化學(xué)物質(zhì)才重要?！?/p>

化學(xué)反應(yīng)模擬是高超音速風(fēng)洞試驗(yàn)易出問題的地方。機(jī)翼對5馬赫的空氣動力學(xué)反應(yīng)很容易看出來，只需冷卻空氣，音速就會下降，給定的空速會帶來更高的馬赫數(shù)。不過吹冷空氣只是問題的一小部分，因?yàn)樗柚沽四阆胙芯康乃谢瘜W(xué)反應(yīng)。誠然，我們也可以以快速、高溫和密集的方式運(yùn)行風(fēng)洞（用專門術(shù)語來說，就是“高焓”風(fēng)洞），但是很難讓漩渦持續(xù)超過幾毫秒。

“獲得足夠快的空速以啟動化學(xué)反應(yīng)，而反應(yīng)會消耗能量?！蓖瑯釉谔锛{西大學(xué)太空研究所工作的航空航天專家馬克?格拉斯頓（Mark Gragston）說。使用這樣的怪物機(jī)器也不容易?！霸谖覍γ娴陌⒅Z德空軍基地，空軍在做高焓風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?！彼f，“這些風(fēng)洞提前3年就訂滿了。”

其他國家有更多必要的風(fēng)洞，甚至印度也有十幾個(gè)。現(xiàn)在，美國正在花費(fèi)大量資金建造這些機(jī)器以趕上俄羅斯和中國。可以說，現(xiàn)在存在風(fēng)洞缺口，這也是美國研究人員熱衷于試飛的另一個(gè)原因。

另一件有關(guān)冷卻空氣的事是：它對任何內(nèi)燃機(jī)都有奇效，包括推動活塞的內(nèi)燃機(jī)。英國阿賓頓的反應(yīng)引擎公司（Reaction Engines）似乎是第一家嘗試在飛行中應(yīng)用這種現(xiàn)象的企業(yè)，該公司使用了一種特殊的預(yù)冷裝置。在其不那么雄心勃勃的計(jì)劃中，預(yù)冷器位于標(biāo)準(zhǔn)渦輪噴氣發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣口前面，提高了功率和效率。在其更具雄心的概念機(jī)（協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動機(jī)，SABRE）中，發(fā)動機(jī)以聯(lián)合模式工作：它作為渦輪噴氣發(fā)動機(jī)在預(yù)冷器的輔助下起飛并加速，直到?jīng)_壓噴氣發(fā)動機(jī)可以啟動，從而增加足夠的推力達(dá)到（但不超過）5馬赫。接下來，隨著飛行器爬升，大氣層變薄，發(fā)動機(jī)切換到純火箭模式，最終將有效載荷送入軌道。

原則上，預(yù)冷器可以在超燃沖壓發(fā)動機(jī)中工作，但如果有人在嘗試，他們就不會談?wù)撨@個(gè)問題了。

5年后，多個(gè)國家將毫無疑問地部署“助推滑翔”導(dǎo)彈。再往后推15到20年，世界上的超級大國將擁有超燃沖壓發(fā)動機(jī)導(dǎo)彈。

那又怎樣？這些東西不還是排在彈道導(dǎo)彈之后嗎？防御方不也會有發(fā)言權(quán)，推出超高速反導(dǎo)彈和巴克?羅杰斯式的定向能武器嗎？

也許不是。防御方的工作總是比較困難。正如美國前總統(tǒng)肯尼迪在1962年的一次采訪中所說的，談到反彈道導(dǎo)彈防御時(shí)，我們所要做的就是用一顆子彈射中另一顆子彈。他還說，你要擊落的不是一顆，而是許多顆，包括誘餌的保鏢裝置。

今天確實(shí)有反導(dǎo)防御系統(tǒng)可以保護(hù)特定目標(biāo)不受彈道導(dǎo)彈的攻擊，至少保護(hù)其不在大規(guī)模開火的情況下被擊中，但你守衛(wèi)不了一切，因此大國仍然靠相互保證毀滅原則來進(jìn)行威懾。按照這個(gè)邏輯，如果你能很快發(fā)現(xiàn)巡航導(dǎo)彈，你至少能讓發(fā)射導(dǎo)彈的人后悔發(fā)射。

要做到這一點(diǎn)，我們需要在空中部署更好的監(jiān)測。2019年美國《航空周刊》報(bào)道，美國軍方希望拿到約1億美元的資金，用于低軌道空間傳感器研究，以探測低空飛行的高超音速導(dǎo)彈。

高超音速飛行的最新進(jìn)展幾乎沒有一項(xiàng)來自新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)；幾乎所有的進(jìn)展都源于政治意愿的變化。挑戰(zhàn)國際現(xiàn)狀的大國已經(jīng)找到了資源和意愿來形成對自己有利的軍備競賽。受益于現(xiàn)狀的大國（尤其是美國）則以同樣的方法做出了回應(yīng)。政客們扣響了發(fā)令槍，技術(shù)人員們正奮力向前邁進(jìn)。

意義何在？沒有意義。這是一場軍備競賽。