临近空间高超声速飞行器进展及防御策略分析*

王鹏飞,罗畅，白炎

(1.陆军炮兵防空兵学院，安徽 合肥 230031；2.中国人民解放军78092部队，四川 成都 610000；3.空军装备部驻沈阳地区第一军事代表室，辽宁 沈阳 110000)

0 引言

在空天一体化作战的趋势下，临近空间因其特殊的空间位置越来越多地受到人们关注。临近空间通常是指距海平面20～100 km的空域[1]，由于该区域存在电磁辐射强、空气寒冷稀薄等恶劣自然条件，因此一度成为传统飞行器的“禁区”。但随着科学技术的不断进步，以往的“禁区”现已成为各个军事大国争相拓展的“疆土”。

临近空间高超声速飞行器便是一种飞行在临近空间，能够进行高超声速飞行的一类新型飞行器。相比于传统的航空飞行器，它具有飞行速度快、高度高，打击覆盖区域广等突出优势；相比航天飞行器，它又具有无需复杂发射平台、造价低廉、机动能力强等特殊优点。因此，具备极强打击和突防能力的临近空间高超声速飞行器，填补了航空与航天之间的空隙，具有极为广阔的军事应用前景。

自古以来，“矛与盾”之争始终贯穿了武器装备的发展历程。由于临近空间高超声速飞行器具有无与伦比的打击优势，因此如何构建其防御体系，发展有效对抗的技术装备，也成为了摆在各军事大国面前的难题。本文首先梳理了临近空间高超声速飞行器的发展现状，分析了其飞行特征。在此基础上，总结了现有空天防御体系拦截临近空间目标的短板弱项，给出了临近空间高超声速飞行器的防御策略。

1 临近空间高超声速飞行器发展现状

目前，临近空间高超声速飞行器重点发展方向有以下3类：空间轨道机动飞行器(空天飞机)、助推-再入式滑翔器与助推-吸气式巡飞器。

1.1 空天飞机

空天飞机是一种能够在航空、临近空间以及航天范围内进行跨空域飞行的新型飞行器，是传统航天飞机的升级。为了实现这种跨域飞行能力，空天飞机共装备有3种发动机：①喷气式发动机，保证空天飞机可以自主实现地面的起飞和降落；②超燃冲压发动机，保证空天飞机在临近空间实现高达12～25 马赫的高速飞行；③火箭发动机，为空天飞机提供大气层外的飞行动力。

美国从20世纪80年代开始对空天飞机的探索，在航天飞机的基础上提出了“国家空天飞机计划”(national aero-space plane，NASP)项目[1]，但由于技术过于复杂、投资巨大，该项目于1993年停止研发。经过近20年的技术沉淀，美国研发的新一代空天飞机X-37B终于在2010年首飞成功，如图1所示[2]。X-37B背部装有载荷舱，内置机械臂，既可携带并释放己方卫星，也可抓取、破坏敌方卫星或轨道飞行器。迄今为止，X-37B共进行了6次轨道飞行，最长在轨时长达780 d。但由于技术原因，X-37B只采用了火箭发动机作为动力，因此远未达到空天飞机的设计要求。其他发达国家也开展了一系列的研究计划，如德国提出的二级入轨Sanger空天飞机计划[3]，美澳联合探索的高超声速国际飞行研究试验(hypersonic international flight research experimentation,HIFiRE)计划[4]。但限于技术难度过大，上述项目大都停留在理论探索或飞行试验的初期阶段。

图1 X-37B空天飞机Fig.1 X-37B aerospace plane

1.2 助推-再入式滑翔器

助推-再入式滑翔器一般改装自现有型号导弹，由载体和高超声速载荷组成。其中，载体为火箭发动机，载荷为锥形体或乘波体构型的战斗部，其本身无动力装置，仅依靠重力和气动力进行远距离滑翔。图2，3所示分别为锥形体和乘波体构型的载荷。

图2 锥形体构型载荷Fig.2 Cone-shaped body payload

图3 乘波体构型载荷Fig.3 Wave rider configuration payload

助推-再入式滑翔器的飞行过程类似于弹道导弹，首先由火箭发动机将飞行器送至大气层外，之后发动机脱离，载荷在自身重力作用下进行远距离滑翔，从而完成侦察或打击任务。美国在再入滑翔器方面的研究较早，发展了一系列的技术验证型号。较为典型的是美国空军的HTV-2，其飞行过程如图4所示[5]。但由于HTV-2的设计指标过高，在经历多次失败后该项目于2010年终结。目前，美国正在大力发展的滑翔器主要有陆基远程高超声速导弹(long-range hypersonic weapon，LRHW)、海基中程高超声速导弹(intermediate-range conventional prompt strike，IRCPS)和空基高超声速导弹(air-launched rapid response weapon，ARRW)等3个项目。其中，ARRW已正式设计定型，最为接近服役状态。但由于在2021年4月5日的首次试射中，测试导弹发生故障，试验以失败告终，因此入役时间未定。

图4 HTV-2的飞行示意图Fig.4 Flight diagram of HTV-2

俄罗斯最近在滑翔器的研制上发力频频，实用化的步伐走在了世界前列。2017年，俄军率先实战部署了“匕首”滑翔式空射战术导弹。2019年又服役了“先锋”滑翔式战略弹道导弹，可实现对美国本土的快速战略精确打击。

1.3 助推-吸气式巡飞器

助推-吸气式巡飞器在飞行原理上与助推-再入式滑翔器有着显著的区别，其由助推火箭和巡飞器2部分所组成。巡飞器能够依靠自身的超燃冲压发动机实现高超声速飞行，但由于超燃冲压发动机无法在低马赫速度下正常工作，因此首先还需通过火箭助推器将巡飞器加速至超声速，之后超燃冲压发动机才能起动实现高超声速飞行。为提升超燃冲压发动机推进性能，助推-吸气式巡飞器多采用机身与发动机一体化设计方案[6]。即将飞行器的前后机身作为发动机的延伸，进一步提升推进效率。

美国针对吸气式巡飞器开展了大量的研究工作，比较典型的型号为X-43A和X-51A，两者均采用了乘波体构型，并进行了多次飞行试验。2种型号的试飞成功，证明了超燃冲压发动机能够作为巡飞器的主要动力来源[7]。目前，在前期X-51A 基础上，美军正大力发展HAWC(hypersonic air-breathing weapon concept)型巡航导弹。该型导弹计划在2030年左右替代美国现有的“鱼叉”反舰导弹和“斯拉姆”空地导弹等武器，成为美国空军和海军作战飞机主要对地(海)打击武器。

从上述3类临近空间高超声速飞行器的发展现状来看，助推-再入式滑翔器的技术成熟度最高，已有多种型号入役。其次是助推-吸气式巡飞器，按照发展规划，未来20年该武器将成为精确制导武器的核心力量。而空天飞机由于技术过于复杂，且军事应用前景不如其余2类飞行器明朗，发展相对较为缓慢。因此，从防御的角度来看，以高超声速导弹为应用前景的滑翔器和巡飞器是当前首要面临的威胁目标。下文主要针对这2类目标的特征及其防御策略展开分析。

2 临近空间高超声速飞行器的飞行特征

2.1 轨迹特征

助推-再入式滑翔器的飞行轨迹可以大致分为以下几个阶段：①上升段：滑翔器在发射升空后由火箭助推器将其推送至大气层外，此时载荷与载体分离。②滑翔段：载荷通常采用钱学森弹道或桑格尔弹道，在重力的作用下进行远距离机动滑翔，如图5所示。整个滑翔段基本位于临近空间，飞行器机动幅度大，轨迹难以预测。③俯冲段：载荷到达目标附近时，以近乎垂直的轨迹直击目标。

图5 助推-再入式滑翔器的飞行过程Fig.5 Flight phase of gliding type boosting-reentry flight vehicles

相比滑翔器，巡飞器在轨迹的中间段有较为明显区别，其飞行过程如图6所示[8]：①助推段：火箭助推器将巡飞器推送至临近空间之后脱离，同时巡飞器的超燃冲压发动机起动并开始工作。②巡航段：巡飞器在临近空间内进行高超声速巡航飞行。由于超燃冲压发动机对攻角变化十分敏感，因此巡航段的弹道较为平直。③俯冲段：到达攻击空域后，巡飞器依靠自身重力俯冲攻击目标。

图6 助推-吸气式巡飞器的飞行过程Fig.6 Flight phase of boosting-air-breathing flight vehicles

从对上述2类飞行器的轨迹分析可以看出，助推-再入式滑翔器的机动范围横跨了航空、临近空间和航天3个空域，通常射程较远，可代替现有的弹道导弹完成战略威慑和战术打击。助推-吸气式巡飞器的巡航段弹道相对固定，相当于对现有巡航导弹的升级，可代替现有的巡航导弹、反舰导弹和空地导弹，构成精确打击的中坚力量。

2.2 动力学特征

高超声速飞行器具有高度不确定性、强烈非线性以及强耦合性的动力学特征。当其进行高超声速飞行时，机身周围的空气流动有着显著区别于低速流动的特点[9]：飞行器表面边界层的厚度大大增加，同时空气受剧烈压缩而出现高温，从而出现显著的“热障”效应。“热障”现象导致高超声速飞行器的气动特性和气热特性复杂多变，进而使得其动力学模型和参数呈现出明显的不确定性和强烈的非线性。此外，由于飞行器本身的特殊设计结构也使得飞行器的动力学系统呈现出气动/热/弹性/推进之间相互耦合的复杂特性。这些复杂的动力学特征使得对高超声速飞行器的轨迹跟踪和预测变得十分困难。

2.3 电磁特征

高超声速飞行器的电磁特征主要包括2方面：①雷达散射特征:飞行器进行高超声速飞行时，机体与空气的急剧摩擦造成的高温高压能够将空气电离，使空气分子呈现等离子态[10]。由于等离子体本身也是一种电介质，因此能够将外界的电磁波进行移相、折射甚至吸收，从而起到天然隐身的效果，难以被雷达跟踪锁定。但是，最近有研究表明，太赫兹波段的电磁波受等离子体的影响较小，是一种极具应用前景的探测手段[11]。②红外辐射特征：由于“热障”效应的存在，高超声速飞行器的红外辐射特征十分明显，其中辐射的红外波长以中波为主[12]。且飞行器的红外辐射强度随着飞行速度的增加呈几何倍数升高。因此，对红外特征的捕捉是探测高超声速飞行器的重要方法之一。但是，红外探测器极易受到外界环境干扰，难以实现全天候下的精准定位和跟踪。

3 临近空间高超声速飞行器对现有空天防御体系的挑战

2021年7月1日，据《以色列时报》报道：“俄罗斯军队在地中海的英国航母靠近叙利亚海岸执行任务时，突然出动米格-31K战斗机，向地中海方向发射了一枚“匕首”高超声速反舰弹道导弹，该导弹从英军航母的上空以10倍声速掠过。若是战时，英国航母必已葬身海底。”由此可见，高超声速武器已然形成了战斗力，成为打击高价值重点军事目标的首选利器。然而，从前面对高超声速飞行器的目标特征分析可以看出，现有空天防御体系在拦截这样的高超声速武器时存在诸多困难，具体表现为以下几个方面。

3.1 预警探测困难

为实现对高超声速目标的有效拦截，要求预警探测系统必须能够在1 000 km以外发现目标。图7所示为地/海面探测系统对高超声速目标的探测距离示意图[13]，从图中可以看到，这类平台的探测距离普遍在500～1 000 km，无法为拦截系统提供足够的预警时间。而现有空间轨道探测平台，无论是传感器数量还是种类都严重不足，对临近空间飞行的高超声速目标的监视和属性判别能力较弱。此外，飞行器机身周围的等离子体也会吸收电磁波，从而进一步增加对其探测和识别的难度。

图7 地球曲率对探测的影响Fig.7 Effect of earth curvature on detection

3.2 难以持续跟踪

高超声速飞行器机动能力强，弹道轨迹变幻莫测，依靠现有的跟踪探测手段难以持续跟踪目标。例如助推-再入式滑翔器在滑翔/巡航段后期，除采用直接俯冲攻击外，还可能采用跃升-俯冲攻击、螺旋-俯冲攻击等攻击手段，如图8所示[14]。这种灵活多变的飞行轨迹使得防御系统无法持续地跟踪锁定目标。

图8 助推-再入式滑翔器的攻击方式Fig.8 Attack pattern of gliding type boosting-reentry flight vehicles

3.3 反应时间不足

由于高超声速飞行器的飞行马赫数可达5～20，不到10 min即可实现对1 000 km外的目标进行精确打击，极大缩短了“决策—攻击—打击”周期，空天防御指挥控制系统难以在目标抵达前完成探测—跟踪—识别—决策—拦截这一作战流程。因此，高超声速飞行器这类能够将时空与能量很好地融合一体的武器系统，能够轻易穿透现有的空天防御体系，在敌方没有反应甚至察觉之前完成打击任务。

3.4 拦截难度大

高超声速飞行器机动样式复杂、机动过载大、飞行速度快，因此对其拦截的难度很大。此外，其飞行区间主要位于临近空间，这恰好是现有空天防御武器的拦截盲区。表1显示的为美军现役空天防御武器系统对目标的拦截能力。从这些数据不难发现，现有的空天防御武器系统对飞行在临近空间的高超声速目标有着较大的不可拦截区域。因此，必须对现有的空天防御武器进行升级，填补拦截域的“真空地带”。

表1 防御系统的拦截能力Table 1 Intercepting capability of defense system

4 防御策略分析

为实现对临近空间高超声速飞行器的有效拦截，必须在现有空天防御体系的基础上，增强对临近空间目标的探测识别能力,完善火力拦截网络,强化指挥控制系统的决策能力，使其真正具备对高超声速目标的拦截能力。

4.1 构建多平台预警探测网

为实现对跨空域飞行的高超声速目标的尽早预警探测，应着力构建天/临近空间/地(海)面多平台预警探测体系：①完善天基预警探测平台，将太赫兹传感器与红外、可见光传感器作为首要的探测手段，重点对高超声速目标的助推和滑翔/巡航段进行探测。②构建新型临近空间/空中探测平台，部署能够长期滞留在临近空间的浮空探测器，重点对高超声速目标的助推和滑翔/巡航段进行探测。③升级现有的地(海)面预警探测平台，将多频段多体制雷达、可见光、红外等多类型传感器进行组网运行，重点对高超声速目标的滑翔/巡航段和俯冲段进行探测。此外，由于高超声速飞行器轨迹灵活多变，传统的弹道预测方法难以适用，因此还要求预警探测网络具备很强的轨迹持续跟踪和轨迹精确预测能力。

4.2 构建完善火力拦截网

高超声速飞行器无论是在飞行范围还是速度上都超出了现有空天防御武器的拦截能力。为应对这一新型威胁，建议从以下2方面开展研究探索：①挖掘现有空天防御武器系统潜力，升级动能拦截器技术性能，填补拦截临近空间目标的火力漏洞，尤其是大力发展空基拦截平台。由于空基平台本身的高度优势，使得空基拦截弹无论是在拦截距离还是响应速度上都具有其他平台难以比拟的优势，因此研发成本低廉、通用性强的空基拦截弹，是具有较高效益比的防御策略[15]。②发展新型对抗手段。束能武器是一种极具应用价值的对抗手段，它通过某种方式在目标关键部位产生极高的能量密度，从而达到损坏、瘫痪、杀伤目标的效果。根据采取的方式不同，束能武器可分为激光武器、微波武器以及粒子束武器等。从目前技术成熟度来看，激光武器和微波武器具备较大的军事应用潜力，未来很可能成为一种重要的反临手段。

4.3 构建高效指挥控制网

高超声速飞行器最大马赫数可达20，可在60 min 内打击全世界任何一处目标。这种忽视时空存在的新式武器，极大缩短了常规防御作战的指挥决策周期。因此，为有效应对高超声速飞行器的突袭，要求指挥控制系统必须在极其有限的时间内完成空情的分析和处理、目标的识别与判断以及防御武器的升空拦截等一系列决策任务。因此，必须在现有空天防御指控控制系统的基础上，通过基于数据链技术减少指挥节点、基于人工智能技术提升决策能力、基于数据融合整合进攻与防御体系等手段，构建攻防一体的全域高效一体化指挥控制网。

5 结束语

目前，各国针对临近空间高超声速飞行器的防御体系尚处于概念设计阶段，发展规划尚不清晰明朗。但是从前面分析可以看出，临近空间高超声速飞行器凭借其惊人的速度、鬼魅的弹道对现有空天防御体系构成了巨大威胁。伴随着越来越多的型号入役，如何尽快填补空天防御体系的“真空地带”迫在眉睫。综合技术发展情况来看，反临体系必将依托现有空天防御系统，突出信息融合，最终构建起防空反临反导一体化的防御屏障。