临近空间高超声速飞行器发展现状及其防御问题分析

  近年来，情报信息、指挥控制、火力打击等各种作战手段在临近空间慢慢地发展，使得由空到天 过渡和结合的临近空间成为未来作战的重要领域。根据推进系统发动机分类，高超声速飞行器主要 分为两大类: 一类基于火箭发动机，另一类基于吸 气式发动机。前者目前技术已较为成熟，后者从总体上看还处于关键技术攻关和演示验证阶段，其中美国在这方面的研究处于世界领头羊。本 文针对临近空间高超声速飞行器发展现状及其防 御问题开展分析。

  高超声速飞行器是美国最为重视的未来飞行器种类之一。20 世纪 50 年代中期，超声速燃烧 试验的成功以及超燃冲压发动机概念的提出带来了高超声速飞行器发展的第一个高峰。1986 年， 在超燃技术取得进展后美国开始国家空天飞机计划(NASP) ，从此高超声速飞行器发展进入了一个新的研究高潮。

  2001 年，NASA 和美国国防部联合提出了“国家航空航天倡议”(NAI) ，建议美国发展吸气式高 超声速飞行器，分为三个步骤: 前期重点发展高超 声速巡航导弹; 中期重点发展高超声速轰炸机; 远期发展重复使用的航天运载器。2008 年2 月，美国国防部向国会递交了《国防部高超声速计划路线 图》，目的是为美军提供未来的先进作战能力，即打击/持久作战能力、空中优势/防御能力、快速进入空间能力。

  美国在临近空间领域开展了大量的关键技术演 示验证试验，不断解决实用化过程中出现的问题， 其典型的临近空间高超声速飞行器如表 1 所示。

  X － 51A 是 2003 年美国空军研究实验室 (AFＲL) 与美国国防高级研究计划局( DAＲPA) 联 合主持研制的一类乘波体飞行器，基于 HyTech 计 划中的 PTE /GDE－1 和 GDE－2 发动机，普惠公司 制造了 X－51A 试飞器的动力装置，如图 1 所示。

  2010 年 5 月 26 日，X-51A 进行了第一次飞 行试验，由于遥测信号丢失，终止飞行，超燃冲压 发动机工作了 143 s; 2011 年 6 月 13 日，X-51A 进行了第二次飞行试验，由于超燃冲压发动机的 进气道无法正常启动，飞行试验被迫提前终止; 2012 年 8 月 14 日，X-51A 进行了第三次飞行试 验，超燃冲压发动机无法点火，试验失败; 2013 年 5 月 1 日，美国空军 X-51A 乘波者试验项目最后 一次飞行试验获得突破性进展，6 min 飞越了 426 km。当飞行速度马赫数超过 4.8，X-51A 与固体 火箭脱离，并成功完成了一个平缓的 180°滚转机 动，随后点燃双模态冲压发动机。经过 240 s，燃料耗尽，最大飞行速度马赫数为 5.1，然后又滑行几 分钟。美国空军称: “首次在世界上取得超燃冲压 发动机长时间持续超声速燃烧的成功，首次取得 了最接近应用的重大突破，是具有里程碑意义的 技术发展。”本次试验比前三次的结果虽好，但并 未达到预期目标。X-51A 的飞行试验原定目标是 飞行速度马赫数达到 6 ～ 6.5，发动机上班时间达 到 300 s，而目前的速度用固体火箭发动机或亚燃 冲压发动机就能够达到类似结果。

  单级入轨的空天飞机(NASP) 计 划 失 败 后， NASA 继续执行了一项规模较小的飞行演示验证 (Hyper－X) 计划。Hyper－X 计划验证用于高超声速飞机与可重复使用的天地往返系统的超燃冲压 发动机技术与一体化设计技术。Hyper－X 的第一个无人高超声速验证机是 X－43A，如图 2 所示， 用于验证小型氢燃料超燃冲压发动机。

  2001 年 6 月 2 日，X 43A 第一次试飞由于飞 马座助推火箭发生故障导致失败; 2004 年 3 月 27 日，X-43A 第二次试飞取得了成功，超燃冲压发 动机在 27 km 高空实现超声速燃烧 10 s，飞行速度 马赫数达到 7; 2004 年 11 月 15 日，X－43A 第三 次试飞试验成功，在35 km 高空实现飞行速度马赫 数 9. 8。

  X-43A 的飞行试验虽然成功，但其飞行速度 是固定不变的(马赫数 7 或 10) 。由于其技术水平 仍与实现空天飞机的距离甚大，NASA 放弃了后续以空天飞机为目标的 X-43B，X- 43C 等计划。

  2003 年，美国制定了“从本土实施武力发送与 应用”技术验证计划，即猎鹰(Falcon) 计划。猎鹰 计划初期目标是研制一次性小型运载火箭(SLV) 和通用气动飞行器(CAV) 。之后，CAV 改名为高 超声速技术飞行器(HTV) 。HTV 重点在高空验证 高超声速空气动力学、长时间高超声速飞行下的 制导、导航与控制技术等。洛克希德·马丁公司的 臭鼬团队研制的飞行器 HTV－2，进行了两次飞行 试验。而 HTV－1 和 HTV－3 相继被撤销。Falcon 计划发展路线 所示。

  在 Falcon 计划框架内，于 2010 年 4 月，进行 了 HTV － 2(猎鹰) 高超声速飞行器首次试验，发射 9 min 后，与地面控制站失去联系，试 验 失 败。2011 年 8 月，HTV － 2 升空半小时后与地面失去联 系，第二次试飞失败。

  美国 DAＲPA 已经决定不再进行 HTV － 2 的第 三次试验，并于 2012 年 7 月发布招标综合高超声 速(IH) 计划，计划首次进行“高超声速滑翔飞行器 (HGV) ”飞行试验，计划还将进一步进行全尺寸的 Hypersonic － X 飞行器试验。在 2014 财年 IH 的经 费支持被停止。

  2010 年 7 月，DAＲPA 与海军联合，启动了弧 光(ArcLight) 项目，旨在演示验证无动力高超声速 滑翔技术，设计、制造能够对远程、时间敏感目标 进行快速打击的助推 － 滑翔式高超声速导弹，并 进行了相关试验。该项目的实施，将增强美国海军 利用常规武器应对战术、远距离、时间敏感目标的 能力。其助推器在现有标准－3 导弹基础上改进 而来，并发展一种新的高超声速滑翔器，如图 4 所 示。

  2011 年 11 月 17 日，美国陆军航天与导弹防 御司令部和陆军战略司令部进行了“先进高超声速武器”(AHW) 的首次飞行试验，飞行 3 900 km 最 终击中里根试验场的目标。2014 年 8 月 25 日， 第二次试验由于导弹发射后不久发生故障，被主 动引爆炸毁。根据简氏数据库资料，AHW 飞行器 利用三级推进火箭发射，助推系统和高超声速滑 翔(HGB) 采用带有小翼的锥形设计，见图 5，其质量约 18 t，战斗部约 400 kg，长度小于 10 m，具有 在 35 min 内完成 6 000 km 射程的飞行性能，精度 小于 10 m。尽管第二次飞行试验失败，美国政府仍然坚持 AHW 项目，美国国防部 2015 财年对 AHW 项目的实际经费超过7 000万美元，并计划2017 年和 2019 年再进行两次试验。

  2012 年，美国艾格林空军基地的空军研究实 验室(AFＲL) 发布了“高速打击武器(HSSW) 验证” 项目的公告。2014 年 3 月发布的《美国空军 2015 财年科学与技术》报告披露，空军将在 X － 51A 的 基础上通过分阶段投资发展高超声速技术，近期 将围绕高生存能力和时敏打击能力发展，远期将 发展跨区域情报、监视与侦查( ISＲ) 和打击平台， 工作重点就是 HSSW 项目。

  美空军通过与 DAＲ- PA 联合支持 HSSW 项目，旨在发展高超声速巡航 导弹技术，并将并行开展两套综合技术验证: 一是吸气式导弹战技术相关验证; 二是通过助推-滑翔式导弹项目发展并验证快速远程打击能力。吸气式导弹 HAWC 项目，由 DAＲPA 和美国空军联合 实施，对高效、低成本空射型高超声速巡航导弹的 关键技术进行飞行演示验证，以实现快速远程打 击能力，2014 ～ 2015 财年 DAＲPA 为 HAWC 项目 分别拨款 1500 万元和 2500 万元( 空军预算投入不详) ; “战术助推 － 滑翔”(TBG) 项目由 DAＲPA 提出，为射程 1852 km 的空射型助推-滑翔导弹， 2014 ～ 2015 财年 DAＲPA 为 TBG 项目分别拨款 2800 万元和 1500 万元(空军预算投入不详) 。两种 HSSW 项目如图 6 所示。

  HSSW 项目计划分为 3 个阶段，共计 74 个月。第一阶段进行初始技术验证武器系统模块设计、零部 件测试及建模仿真; 第二阶段进行最终技术验证 武器系统模块设计、零部件测试以及建模和仿真; 第三阶段进行制造及装配、技术验证武器系统测试及 建模仿线 年，美国洛克希德·马丁公司披 露了其秘密进行的 SＲ-72 高超声速无人侦察机的研制工程，但军方未对 SＲ － 72 做出任何表态。SＲ-72 如图 7 所示。

  2018 年研制一架完全自由选择的有人驾驶飞行研究机( FＲV) ，2023 年实现首飞。FＲV 长约 18.3 m，尺寸与 F-22 相当，配备单台 全尺寸发动机，能够以马赫数 6 的速度飞行数分钟。

  研制实用型 SＲ- 72 高超声速飞机，2030 年投入到正常的使用中。SＲ -72 尺寸和航程都与 SＲ- 71 接近，长约30.5 m，航程约4800 km，但是飞 行速度是 SＲ-71 的 2 倍。美国临近空间高超声速计划发展历史见图 8。按照发展路线 年前完成高速武器系统概念设计、作战概念研究工作; 2016 财年后，高超声速武器系统主要关键技术成熟度可达到 6 级; 预计 2020 年前后正式装备部队，形成区域打击和快速远程打击能力。

  俄罗斯临近空间高超声速飞行器计划方案都采 用了技术成熟的飞机和导弹作为发射平台或者改造 成为实验飞行器，成本低廉，技术风险小。

  20 世纪 80，90 年代，冷计划由俄罗斯巴拉诺 夫中央航空发动机研究院和如科夫斯基中央发动 机研究院等单位共同实施。试飞器为轴对称形状， 系统构成包括氢燃料亚燃/超燃冲压发动机、燃料监控/测量系统、遥控系统等。飞行器总质量为 595 kg，长为 4.3 m，最大直径为 750 mm。1991 ～ 1998 年期间，该计划共进行了 5 次验证性飞行试 验，由 SA － 5 地空导弹发射。5 次试验的成功之处 包括: (1) 实现了亚声速燃烧向超声速燃烧的转 变; (2) 飞行速度马赫数最高达 6.5; (3) 获得了 马赫数 3.5 ～ 6. 45 的飞行速度和高动压条件下有 关亚声速燃烧和超声速燃烧的飞行试验数据。

  针 - 31 计划的试飞器由 C － 300A 防空导弹系 统的 48H6 导弹改型而来，试验由米格 － 31 战斗机 发射。在其前弹体外侧，对称安装 2 台试验用超燃 冲压发动机( 双模态发动机，马赫数 5 ～ 6) ，后弹 体部分为助推器，前后弹体可以分离。

  IGLA 计划由俄罗斯中央航空发动机研究院和 中央空气动力研究院一起发展。IGLA 试飞器为升力体布局，机体下方配置3 台二维三模态再生致冷 超燃冲压发动机。2001 年和 2004 年都曾进行试 验，试验中都使用白杨/镰刀( SS － 25) 导弹作为助 推器，如图 9 所示。

  彩虹-D2 计划由俄罗斯彩虹设计局和巴拉诺夫中央航空发动机研究院共同开展。该高超声速飞行器是用长为 11.3 m、直径为 0.9 m、翼展为 3.6 m 的 AS － 4 空地导弹改装的，发动机长为 6 m，飞行速度马赫数为 2.5 ～ 6. 5，射程为 570 km， 飞行高度为 15 ～ 30 km，最大飞行时间为 70 s。

  法国国防部 1992 年就开始实施一项耗资 3． 8 亿美元的 吸 气 式 高 超 声 速 推 进技术探讨研究计划 (PＲEPHA) 。目前已成功研制了马赫数为 7． 5 的超 燃冲压发动机，开展的临近空间高超声速项目主要是 Promethee 导弹计划和 LEA 计划。

  德国的高超声速导弹(HFK) 于 2002 年 2 月进行了一次低空飞行试验，导弹达到了马赫数 6.61 的飞行速度; 于 2003 年 8 月进行了第二阶段飞行 试验，速度达到马赫数 7 以上，这次试验是 HFK 计划的最后一次试验。德国航天局( DLＲ) 进行的 “高超声速尖锐前缘飞行试验”(SHEFEX) 计划中， SHEFEX 1 飞行试验于 2005 年 10 月 27 日获得成 功; 2012 年 6 月 22 日，SHEFEX 2 获得成功。SHEFEX 2 飞行器如图 11 所示。

  临近空间飞行器根据功能分类，可分为三类 平台: 全球快速到达的高超声速临近空间飞行器; 快速打击时敏目标的高超声速临近空间飞行器; 以快速进出空间为背景的高超声速临近空间飞行器。

  针对反入驻和庞大的后勤保障等制约因素， 美国通过了《美国空型飞行计划》，计划提出 了“从本土运用和投送军事力量”实施全球精确打 击的武器系统发展思路和计划。美国猎鹰(Falcon) 计划为此类飞行器项目，但美国已停止了对该计 划的经费支持。

  以远程(非全球到达) 助推滑翔飞行器为代表 的无动力滑翔类高超声速飞行器越过高超声速动 力等关键技术瓶颈，重点突破气动外形、热防护等 关键技术，是有望早日实现工程化的发展途径。目前美国财政支持的高超声速飞行器计划主要为此类飞行器项目，具体有: 美国陆空军的“战术助推 － 滑翔”( TBG) 项目、美国陆军的 AHW 项目、美国海军的弧光(ArcLight) 项目等。另外，基于超燃 冲压发动机推进系统的 HAWC 项目目前也得到了 美国财 政 支 持。美关岛地区至北京直线 km 计算，平均飞行速度马赫数为 6 的高超 声速巡航导弹仅需飞行 34 min，快速缩短中国防 空反导体系的防御反应时间和重要目标的机动规 避时间。因此美国财政目前正在支持研究的高超 声速飞行器如果在第一岛链和第二岛链部署，通 过陆基、空基和海基发射，可对中国构成直接威 胁，是要重点研究的防御目标。

  高超声速飞行器目前主要由航空飞行器或地 ( 海) 基火箭搭载，达到一定高度后从航空平台起 飞或火箭平台弹射，助推段固体火箭发动机工作， 使飞行速度升到一定马赫数，之后助推火箭脱离，超燃冲压发动机点火，趋于临近空间时，进入无动力巡航飞行，具体飞行示意图如图 14 所示。

  临近空间高超声速武器作为一种“改变战争规 则”的新型武器，对未来国家空天安全形成重大威胁。临近空间高超声速武器典型的攻击目标如下: 打击核心通信、指挥枢纽; 打击战略机动弹道导弹 武器系统; 打击大型水面舰艇。总之，高超声速武器“速度隐身”，弹道不确定，突防能力强，主要用 于对作战体系内关键节点进行点打击，达到使敌方作战体系失效的目的，以此来实现以战术手段打击敌方的战略要点，摧毁或削弱敌方的战略攻击和防御能力。

  临近空间防御和相关机载武器系统还处于概 念探索的阶段，虽然部分有关技术具有一定的基 础，但还达不到技术应用的水平。现有武器装备也 不具有临近空间高超声速目标防御的能力。就目 前的武器系统技术水平来说主要还存在以下问题:

  (1) 现有的武器系统在高度上大多难以企及， 防空武器及其平台的最高作战高度多处在 20 ～ 25 km 以下，而临近空间高超声速目标均处在 25 km 以上;

  (2) 预警和反应时间不足，目前还不具备针 对临近空间高超声速目标的有效快速预警体系， 即使具有特定射高的战术导弹武器系统，其反应 能力也明显不足;

  (3) 射程和精度存在矛盾，为弥补反应时间的不足，增加武器攻击射程是有效手段之一，但具 有远射程的武器系统不具有攻击高速机动目标的 精度，而具有精确杀伤能力的导弹武器通常不具 有远程攻击的能力;

  (4) 对高超声速目标的精确制导毁伤技术还 不成熟，目前还没有可供借鉴的在临近空间内针 对高超声速机动目标的精确毁伤技术，需要在反 导拦截技术的基础上进行更有明确的目的性的技术改进研究。

  基于机载武器的临近空间高超声速飞行器防 御系统最重要的包含预警探测系统、机载探测系统、拦 截武器、指挥决策中心等; 其中预警指挥通讯系统 包括预警探测系统、综合指挥与信息处理中心。反 临作战过程中需要各个组成部分及所有的环节有机 配合、协调一致，在时间上相互衔接，在任务上环 环相扣，才能最终实现有效拦截。

  对于临近 空间高速飞行目标，理论上防御系统的探测预警 能力须达到 800 ～ 1000 km，才能赢得必要的防御 作战反应时间。因此预警探测一定要通过合理部 署地基、海基、空基、临基和天基探测器，综合红 外、雷达、定向能等多模式的探测技术，构成防 空、防临近、防天区域内的全方位、大纵深预警探 测网，需要具备大空域远距离快速预警、大空域远 距离目标探测、地基雷达低仰角复杂环境下快速 检测、超高速机动目标精确跟踪等能力，其主要特 点为适应大气密度变化强烈的临近空间复杂环境 下大空域、远距离、低仰角、高精度探测能力。

  预警信息处理 要与预警探测系统的能力有一定的要求相匹配。由于预警 探测距离远、空间覆盖区域大，因此探测到的目标 数目多、类别杂，对信息处理的要求高。大多数表现 在: 一是信息处理批次多; 二是信息容量大，信息 处理与目标分选困难; 三是要实现目标识别和威 胁预判难度较大，或将是系统的瓶颈之一。预警信 息传输要解决预警探测系统、指挥决策系统、作 战单元之间的互联互通问题，实现实时、准确、高 可靠、保密的目的。

  对于部 署的多种探测和拦截装置，需要高性能指挥控制 中心实时调配和控制以发挥最大作用。指挥控制 系统要有较高的自动化水平，利用高性能计算 机、网络化技术、智能技术提高连通性、协调性和 自主决策能力，合理规划部署天基、空基、地基和 海基结合的防空武器拦截系统，灵活根据需要，自 动组网，形成特定战场态势图，在网络化情报和信 息支援下，实现对临近空间飞行器的全程拦截打 击，形成战略、战役、战术行动的一体化指挥、拦截网。

  美国 NCADE 等项目设计时以中近程助推段/上升段的 弹道导弹为主要目标，与弹道导弹助推段相比，临 近空间高空高速飞行器在飞行高度 30 km 左右、飞行速度马赫数 4 ～ 8 时均小于弹道导弹关机点( 约 100 km) ，因此在射程和速度能力上，拦截助推段 弹道导弹的武器也可对高空高速临近空间飞行器 进行截击。空基拦截系统具有灵活性、研发成本 低、部署方便、远程拦截和快速响应等优势。因此 基于现有空空导弹进行改进，实现机载导弹在临 近空间具有协同作战、高精度快响应制导控制、远 程高精度自寻的和高效毁伤等能力，是一个低风 险、高效益的防御临近空间高超声速目标的技术 途径。03

  由空到天过渡和结合的临近空间在未来的制 空、制天权争夺中具有核心的战略地位。当前，各 军事强国都在临近空间高超声速飞行器研究领域 不断取得新的进展，临近空间逐步成为各国争夺 的重要战场。各类临近空间高超声速武器必将逐 步走向战场，将给空天安全带来新的威胁。为有效 应对挑战，应沿着非对称发展原则的思路，开展临 近空间高超声速目标防御武器系统研究。机载拦 截导弹研制既有利于完善中国的临近空间防御体 系，又可为临近空间高速飞行器目标防御武器系 统的研制提供技术支撑，是一个低风险、高效益的可行途径。