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对当前美国空军高超声速领域发展态势和方向的研判

  根据2017年7月中旬美国国防部两位官员在美国亚特兰大召开的AIAA推进与能源会议期间透露的信息,对美空军即将制定的首个高超声速武器装备发展路线图及相关项目发展情况进行了梳理。结合近2年来美国空军在高超声速领域的相关动向,对其在高超声速导弹、高超声速飞机以及高超声速试验条件建设领域的发展态势和方向进行了分析和研判。
 
  据美国《航空周刊》2017年7月31日报道,7月12-13日,在美国亚特兰大召开的AIAA推进与能源会议期间,美国空军部负责科学、技术与工程的代理副部长柯林•塔克尔上校称空军即将制定首个高超声速武器装备发展路线图。会上塔克尔上校以及 DARPA 战术技术办公室主任布莱德•图斯雷均透露了一些有关美国在高超声速导弹、高超声速飞机以及高超声速试验条件建设领域的重要发展方向。
 
  信息披露要点总结
 
  根据此次AIAA推进与能源会议上美国国防部2位官员的讲话,可将其披露的信息要点总结如下:
 
  披露美国空军将面向实战化目标着手制订首个高超声速武器装备谱系的发展路线图
 
  美国高超声速技术经过半个多世纪的发展,历经多次起伏。由于近年来中俄高超声速武器技术进展迅速,塔克尔上校称,“目前形势下,我们已认识到现在是必须制订装备转化战略的时候了。”当前美国在推进、材料和控制技术方面的技术成熟度已达到一定水平,制订一份面向实战化应用的高超声速打击武器和执行 ISR 使命任务的高超声速飞机已具备可行性。美国空军即将着手制定的首份高超声速武器装备发展路线图,将涵盖高超声速导弹、高超声速飞机等一系列装备。
 
  披露空军首型进入工程研制的空射型高超声速武器将基于高速打击武器(HSSW)的技术成果,并采用固体火箭发动机
 
  尽管当前美国正在开展一系列保密的高超声速导弹项目,但向外界公开的主要是DARPA和空军研究实验室(AFRL)联合开展的高速打击武器(HSSW)项目 ,包括高超声速吸气武器概念(HAWC)和战术助推滑翔(TBG)两个技术验证项项目。其中,TBG项目由洛•马公司承担,HAWC 项目由雷声和洛•马两家公司同时开展。通过利用在上述项目中的技术成果,空军已同时开始着手发展一型空射型的高超声速常规打击武器(HCSW)。该武器采用固体火箭发动机动力,采用 GPS/INS 复合制导模式。其研制合同将在2018 年年初签订。
 
  披露高超声速飞机的发展将采取“先爬 - 再走-最后才跑”的渐进方式,SR-72 将是第一步
 
  塔克尔表示,“在实现一次性使用的高超声速打击武器实战化部署的基础上,最终目标是将这一能力进一步扩展,形成鲁棒的、可重复使用的高超声速作战平台。”这种高超声速作战平台在功能上要像一架真正的飞机,应具备可维护性、经济可承受性和作战实用性,而非一种实验性的飞机。为满足高节奏作战的需求,开发商需要重点提高推进系统和其他子系统的鲁棒性。“采用火箭动力的高超声速飞行器(如DARPA 和波音公司正在研发的 XS-1)只能使用很短的时间,我们不可能在每次飞行期间都对发动机进行翻修,这种方案是不具备可持续的。”
 
  塔克尔指出,高超声速飞机的发展不可能一蹴而就,空军正在寻求一种“先爬 - 再走 - 最后才跑”的方式,并将承担相应的发展风险.并且特别提到,洛•马公司正在发展的吸气式动力的马赫数 6飞机 — SR-72,将是高超声速平台的第一步。
 
  塔克尔表示,需要开展更多的地面和飞行试验,并对基础设施进行投资。过去那种“走走停停”的发展模式无法建立一支扎实的人才队伍。现在我们必须稳打稳扎地在这一领域开展工作,直至发展出实用化的作战装备。
 
  会上还介绍了DARPA 牵头开展的先进全速域发动机(AFRE)项目。据 DARPA 战术技术办公室主任布莱德•图斯雷称,“如果 AFRE 项目验证成功的话,这将为我们后续与空军等部门的合作开辟出一条道路,我们将与空军、海军以及其他部门一道,发展出一型水平起降的、真正意义上可重复使用的高超声速飞机。”
 
  备注 :AFRE 项目旨在研发和地面验证一种能够在马赫数 0 ~5+ 范围内无缝工作的可重复使用、碳氢燃料、全尺寸涡轮基冲压组合(TBCC)发动机,以支撑实现能够在拒止环境下执行情监侦(ISR)任务的高超声速飞机。目前美国空军并未参与到该项目中。
 
  披露空军当前正在集中力量开发一种类 X-15 的“飞行风洞”,用于加快技术验证和实战化步伐
 
  塔克尔透露,空军当前正在集中力量开发一种类似 X-15 火箭飞机的“飞行风洞”,通过创造真实的高超声速飞行环境,支撑一系列采用吸气式动力和火箭动力的一次性武器和可重复使用平台的研发。塔克尔表示,尽管当前还不明确这种类 X-15 的试验平台具体采用什么方案,具体该怎么用,但空军认为,这对于空军高超声速技术发展顺利“往前推进一步”、进而发展出具备实战能力的武器装备至关重要。
 
   披露空军作战部门将在高超声速武器的研制早期介入,并采用兵棋推演等手段确保生成实际战斗力
 
 塔克尔称,“实现高超声速武器真正生成战斗力的关键是确保用户的早期介入和参与;研发采办部门将与军方作战部门联合起来,以确保开发的高超声速武器是作战部门真正能用的装备。”“我们将采用建模仿真和兵棋推演的手段,不仅仅从技术的角度,而是要从形成作战能力的角度,以明确高超声速武器怎么用,会给我们带来什么影响。”
 
  对美国高超声速领域后续发展态势和方向的研判
 
  基于上述美军两位官员的讲话,结合近期美国在高超声速领域的一系列相关动态,我们对后续美国高超声速领域的发展态势和方向做出如下判断:
 
  美空军首个高超声速武器装备发展路线图的制订,将有力牵引美国高超声速导弹和高超声速飞机快速发展
 
  在 2017 年 3 月召开的第 32 届国防工业协会上,美空军装备司令部(AFMC)官员首次将高超声速武器装备发展比喻成一项“曼哈顿工程”,表明美国已将加快高超声速武器发展的重要性提升到国家战略竞争的高度,预示将美国将集中资源加快装备发展进程,与对手开展时间赛跑,争夺高超声速武器装备的战略制高点。
 
  为了赢得这场战略博弈,美国正从顶层规划、管理机制、经费投入和研保条件建设等方面全面加快后续一系列高超声速武器装备的实战化步伐。
 
  从顶层规划上,此前美国空军在高超声速领域制定发布的发展规划主要停留在技术发展层面,此次将制定的规划则是空军首个高超声速装备型号谱系的发展规划,将围绕实战化应用,针对高超声速打击武器、高超声速飞机平台以及高超声速试验条件建设给出具体的发展路线图。
 
  从管理机制上,据 2017 年 7月美国国会众议院武装力量委员会发布的2018 财年国防授权法案(NDAA)第215条,“高超声速联合技术办公室”(JTOH)将更名为“联合高超声速转化办公室”(JHTO),以确保当前和未来国防部高超声速技术项目能够更好地协调发展和顺利向装备转化。
 
  从经费投入上,近年来空军在高超声速领域研发经费大幅增长。2012年空军在高超声速技术领域的研发经费不足7900万美元,但在2018财年预算提案中,空军申请了2.92亿美元的研发经费(其中9000万美元用于高超声速样机研制)。
 
  从研保条件建设上,美国也开始在多年来“试验设施能力不足、难以支撑高超声速技术发展”的呼吁声下开始实质性地大幅增加对高超声速试验设施建设的经费投入,以确保预研攻关和后续工程研制阶段顺利开展。2017年3月空军装备司令部全寿命周期管理中心在其公开的《美国空军高超声速试验能力提升计划》中明确指出,未来5年(2017—2021财年)将为高超声速试验能力建设投资3.5亿美元。
 
  美国高超声速飞机发展的第一步将采用空射型方案,动力形式为Strutjet 火箭基组合循环(RBCC)发动机
 
  基于此次空军代理副部长塔克尔和 DARPA 的战术技术办公室主任布莱德•图斯雷透露的消息,结合近期其他相关论据,我们判断,美国高超声速飞机发展的第一步将采用空射型方案,动力形式为“管道火箭 +双模态冲压发动机”的火箭基组合循环(RBCC)动力方案,基于 TBCC 动力方案的水平起降型高超声速飞机将是远期方案。
 
  事实上,据美国空军研究实验室(AFRL)2016 年 8月公开发布的名为“高速作战系统支撑技术”(ETHOS)的调研公告透露,AFRL 将在 2025 年前将用于ISR 和打击的高速作战平台涉及的各项技术发展提升到技术成熟度6 级,在 2028 年前完成可翻修后重复使用的高速作战系统验证机试飞,在2035 年前完成可快速周转、不经翻修即可完全重复使用的验证机试飞。该公告明确指出,验证机将采取“先机载发射、再水平起降”的思路分两步发展,即:利用载机从空中放飞,分离后利用火箭助推到高超声速,再利用吸气式动力巡航 ;采用组合发动机,实现在常规跑道上水平起降。
 
  此次 AIAA 推 进与能源会 议 上,塔克尔明确表示,美国高超声速飞机的发展将采取 “先爬 - 再走 - 最后才跑”的渐进式方式,在排除了类 XS-1 这种火箭动力的高超声速平台的前提下,透露洛•马公司的 SR-72飞机将成为高超声速飞机发展的第一步。
 
  2013 年 11月,洛•马公司首次披露 SR-72飞机时,对其动力方案的推断大多为基于“现货涡轮发动机+ 超燃冲压发动机”的 TBCC 组合循环发动机。但据洛•马公司负责预研的副总裁兼总经理罗博•维斯在 2017 年 6月召开的 AIAA 航空 2017 论坛上透露,SR-72 将采用火箭基组合循环发动机(RBCC)的一种典型结构 — 支板引射火箭发动机(Strutjet),并提出了如下时间节点 — 即本世纪 20 年代早期开展 SR-72 验证机的首飞 ;同年代晚期,将开展下一步更大尺寸验证机的首飞。这一消息表明,显然洛•马公司已经根据空军研究实验室 ETHOS 项目反映的发展思路,对 SR-72 的发展规划及具体方案进行了调整。这一发展节奏不仅吻合了塔克尔提出的渐进式思路,也与 ETHOS 公告的时间节点大致吻合。
 
  Strutjet 为 Aerojet 公司于 20 世纪90 年代末提出的一种采用“管道火箭 +双模态冲压发动机”的 RBCC 组合循环动力方案。鉴于早期的 Strutjet 方案和 Aerojet 公司 2011 年公开的 Trijet 动力方案的技术负责人均为亚当•赛本哈尔,推断两者之间有一定的关联性,Trijet 应该是 Strutjet 的一种进化方案。Strutjet 不能支持零速启动,需要火箭助推。
 
  而从布莱德•图斯雷在介绍 AFRE 项目时的表态来看,AFRE 项目在定位上仍然是一种预研特点比较显著的技术验证项目,技术验证成功后才会联合空军等用户进行技术转化,这也表明基于现货涡轮的TBCC 动力方案当前并不成熟,基于TBCC 的水平起降型高超声速飞机仍是一种远期才有可能实现的方案。
 
  空军首型高超声速导弹瞄准快速部署的需求,将采用较为成熟的技术,性能指标相对保守
 
  结合2017年7月21日空军装备司令部(AFMC)发布的HCSW招标公告,作为即将进入工程研制的首型空射型高超声速导弹,将采用技术成熟的火箭发动机、GPS/INS复合制导方式和现货战斗部,从其技术方案推断,该导弹将是一款功能简单、性能指标较为保守的武器,旨在满足领先竞争对手、实现快速部署的紧迫需求。
 
  据美国空军2018财年科研预算文件表明,高速打击武器(HSSW)下的2个技术验证项目仍在按计划持续推进高超声速武器化关键技术(如末制导导引头等) 的成熟并完成飞行演示验证,且未来5年保持高水平经费投入,旨在为后续进一步发展性能指标更为先进的高超声速导弹奠定基础。
 
  前面塔克尔也提到,“在实现高超声速导弹实战化部署的基础上进行能力的进一步扩展,最终形成可重复使用的高超声速作战平台”,鉴于可重复使用的高超声速作战平台必然基于吸气式高超声速导弹,再考虑到最近吸气式高超声速武器方案(HAWC)的监管权将从主管预研的 DARPA 转交给直接用户空军(2017年7月美国国会众议院武装力量委员会发布的 2018财年国防授权法案(NDAA)第 216 条),表明空军正在加快推动吸气式高超声速导弹尽早实现装备、具备实战化能力。
 
  作为飞行试验平台的 HyRAX 项目已真正落地,将大大加快高超声速导弹和高超声速飞机形成战斗力的步伐
 
  塔克尔在此次AIAA会 议 上 透露,空军当前正在集中力量开发一种类似 X-15 的“飞行风洞”,以支撑一系列采用吸气式动力和火箭动力的高超声速武器和平台的研发,尽管当前尚不明确这种类 X-15的飞行试验平台具体采用什么方案,但十分强调其对加快高超声速技术实战化步伐的重要性。结合 2016 年 5月空军研究实验室发布的“高频次、低成本高超声速飞行试验”(HyRAX)项目信息征询书的内容和目的,我们判断,塔克尔提到的类X-15的“飞行风洞”极有可能就是HyRAX飞行试验平台。
 
  HyRAX项目旨在通过研制一型可重复使用的高超声速试验平台(要求具有200 ~400架次的使用寿命),用于开展高频次、低成本、航时较长的高超声速飞行试验,提升包括气动、自主控制、材料、推进、结构和机载系统在内的高超声速技术成熟度,同时掌握高超声速科学测量方法及测试技术。项目目标是在不超过4年的时间内(即2020年前)实现平台首飞,用于支撑完成后续至少5年时间内(即2025年前)的各类飞行试验。HyRAX项目的信息征询书中明确指出,旨在征求关于高超声速试验台的设计思路、设计方法和设计途径方面的信息,对潜在承包商的能力进行广泛摸底,但并不一定会授予正式合同。而从此次塔克尔透露的信息判断,作为飞行试验平台的 HyRAX项目已在实质性推进过程中,将大大加快美国高超声速导弹和高超声速飞机形成战斗力的步伐。
 
  结束语
 
  美国空军即将制定首个高超声速武器装备发展路线图,标志着美军开始真正面向实战化需求、系统开展高超声速武器装备的需求深化论证。此次会上空军部代理副部长科林•塔克尔上校透露的有关美国高超声速导弹、高超声速飞机以及高超声速试验条件建设等方面的信息,或将体现在后续发布的路线图内容中。需要指出的是,路线图的制定作为美国军方作战部门、军内科研部门以及工业界“统一思想”的手段和过程,其内容必将随着军事需求的变化和高超声速技术的发展(尤其是飞行演示验证的结果)而不断迭代和更新,其未来发展动向需要保持持续跟踪和关注。(文/胡冬冬 叶蕾)
 
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