前言：电影《功夫》里有句广为人知的台词：“天下武功，唯快不破”。对于导弹而言，其飞行速度越快，敌方防空系统的反应时间就被压缩得越短。就当前的反导技术水平来看，当导弹速度达到3公里/秒时，任何武器系统都难以对其实施有效拦截。正因如此，研发速度更快的导弹成为了世界各国竞相角逐的科研领域。

一：20世纪60-70年代的高超音速导弹探索

V-2导弹作为世界上首款弹道导弹，其最高飞行速度为1.6公里/秒。若用高射炮对其进行拦截，平均要发射1.2万枚炮弹才能成功击毁1枚V-2导弹，拦截成功率仅在3%至10%之间。随着核导弹的问世，这样的拦截成功率显然无法令人接受，因为哪怕有1枚核导弹突破拦截，对一座城市来说都可能是毁灭性的灾难。于是，美苏两国纷纷着手研发反导系统。当时，苏联的R-12中程弹道导弹最大飞行速度达到4公里/秒，而美国A系统的V-1000拦截弹最大飞行速度仅为1.5公里/秒。不过，弹道导弹的飞行轨迹呈抛物线状，当时的远程预警雷达能在975公里外发现并预测其飞行路径。美国的A系统配备了3部制导雷达，通过三角定位法来提升定位精度，在测算出弹道轨迹后，将拦截弹发射至预设拦截点即可完成拦截。苏联也部署了类似的A-35/A-35M反导系统，并且其拦截导弹采用了核弹头，进一步增强了拦截能力。

为了突破反导系统的拦截，美国想到了钱学森于1949年提出的钱学森弹道理念。钱学森当时构想了一种有翼火箭飞机，先在160公里的高空完成加速，随后进入大气层中41公里的高度进行高超音速滑翔。射程达5000公里的弹道导弹飞行高度超过1000公里，在数千公里外就会被远程预警雷达发现；而远程预警雷达对在40公里高度滑翔的飞行器，仅能在856公里处探测到。钱学森弹道的核心思想是通过采用低弹道缩短雷达的探测距离，以速度换取航程，从而增强导弹的突防能力。但这一理念并不适用于中近程导弹，即便中近程导弹采用钱学森弹道，被发现的距离也仅能缩短150公里。此外，美苏两国当时拥有大量弹道导弹，能够轻易通过饱和攻击突破数量有限的战略核反导系统。而且在当时的技术条件下，惯性导航系统较为落后，其固有的误差累积问题会导致弹道导弹采用乘波体飞行时误差急剧增大，经过十几次急转弯后，导航系统就会完全失效。

尽管如此，美军还是未雨绸缪，启动了机动再入飞行器的研究项目，其中“潘兴”II弹道导弹便是该项目的典型成果。“潘兴”II弹道导弹与传统弹道导弹相比并无太大差异，但它能够借助气动升力进行横向机动，使苏联的反导系统难以预测其飞行轨迹。不过，增强机动性是以降低速度为代价的，“潘兴”II弹道导弹在不进行任何机动时速度可达2.4公里/秒，而在40公里高度拉起时速度会降至1.2公里/秒，到了15公里高度开始进行圆锥机动扫描目标时，速度甚至仅为400米/秒。而且经过长距离滑翔后，导弹的速度损失较大，恰好进入地空导弹的有效射击范围，容易被苏联的SA-4和SA-5等中远程防空系统击落。因此，弹道导弹即便采用钱学森弹道，效果也十分有限。另外两种机动再入飞行器是1968年和1979年出现的BGRV高超滑翔弹头与AMaRV滑翔机动弹头，它们可以说是初级版的助推-滑翔式高超音速武器，分别具备横向机动和再入拉平机动的能力。但由于美军的多弹头分导技术取得了成功，已经能够有效突破反导系统的拦截，所以美军便冻结了这些研究项目。

二：美国21世纪的高超音速导弹研发

20世纪80年代，在美国“星球大战”计划的推动下，美军启动了一系列高超音速武器发展计划。美国空军与国防先进研究项目局的目标是研发一种可从美国本土发射、能打击全球目标的可重复使用高超音速武器系统——FALCON。然而，美国国会认为这种武器与洲际核导弹难以区分，可能会引发不必要的麻烦和风险。当时美苏刚刚签署了中导限制条约，而高超音速武器系统的射程使得近程战术导弹具备了中程弹道导弹的打击能力，这无疑让该限制条约失去了意义。在国会的压力下，美军将该项目调整为飞行器技术研究。为了与洲际导弹区分开来，先后研制的HTV-1和HTV-2高超音速飞行器放弃了导弹的外形，采用了对滑翔性能和升阻比要求极高的乘波体外形。但在大气层内长时间高速飞行所面临的抗热障技术难题始终无法攻克，尤其是防热材料的问题。C-CAT公司生产的防热材料由6至7层复合材料构成，层与层之间存在空隙，在高速飞行时会导致机体膨胀瓦解。这一问题直接导致HTV-2两次试飞均以失败告终，美国国防部因此取消了HTV-3的发展计划，该项目彻底终止。

高超音速飞行器分为无动力的助推-滑翔式和有动力式两种类型。美国除了投入研发无动力的助推-滑翔式高超音速飞行器外，也在有动力式高超音速飞行器领域进行了投资。采用超燃冲压发动机的X-43A试验飞行器于2001年进行了首次试飞，理论上其飞行速度可达到5.5马赫，但此次试飞以失败告终，直到三年后才试飞成功。X-43A试验飞行器安装在飞马座火箭上，由NB-52B轰炸机携带至13000多米的高空后，点燃飞马座火箭，将X-43A的速度提升至11200千米/小时。作为X-43的后续项目，美国空军于2005年正式启动了采用吸热式燃料超燃冲压发动机的X-51A飞行验证机计划。X-51A与X-43基本相似，采用美国陆军战术导弹系统的导弹第一级进行助推，由B-52H轰炸机投放。X-51A全长7.62米，重1780千克，其中巡航体长4.27米，重671千克，其发动机使用吸热型碳氢燃料，最大飞行速度可达6.5马赫。

为了解决热障问题，X-51A的框架板壁采用覆盖着轻质TPS泡沫与陶瓷材料的铝合金制成，前端内部为金属钨材质，前端外部则是氧化硅隔热层，超燃冲压发动机舱壁由薄壁铬镍铁合金板制成，四个可动小翼的前缘采用碳-碳复合材料，后缘采用铬镍铁合金，助推器由钢材制成。同时，机体的尖前缘和进气道口粘贴了航天飞机所用的BRI-16隔热陶瓷，巡航体与机体之间采用铬镍铁合金来阻止热量传导，发动机舱内装有柔性隔热材料，机体表面覆盖了不同厚度的轻质烧蚀泡沫。由于体积有限，其内部结构布置十分紧凑，燃料被存储在蒙皮与隔离壁之间，燃料控制系统源自F-22战斗机的全权数字发动机控制系统。2010年5月，X-51A试验机首飞成功，但发动机仅工作了140秒，未达到预期时长的一半，最高速度也只有5马赫，未实现6马赫以上的预期目标。随后在2011年、2012年的试飞中均遭遇失败，2013年的试飞仅将速度提升至5.1马赫，仍未达到预期。由于接连失败，该项目陷入停滞状态，至今未能取得成功。

三：中国后来居上的高超音速导弹研究

在美国开展乘波体飞行器研究的前30年里，中国在这一领域还是一片空白。直到1991年，中国才开始预研攻关再入机动弹头，2000年研制出了与“潘兴”II弹道导弹类似的“东风”15B弹道导弹。“东风”15B弹道导弹的末端弹道调整能力仅局限在65至80千米的范围内，和“潘兴”II弹道导弹一样，它在弹道末端需要大幅减速，以便让传感器和气动舵面正常工作，这就给美军的防空反导系统提供了击落它的机会。面对美军日益先进的反导系统，中国工程师想到了两个解决办法：一是研发第二代再入机动弹头技术，即末端速度达18马赫的“东风”26中远程弹道导弹；二是研制类似于美国HTV-2的乘波体高超音速飞行器。再入机动弹头虽然能够躲避大气层外的中段拦截，但在飞行末段速度较慢，会进入“爱国者”PAC-3导弹的拦截范围，无法有效提高面对美国反导拦截时的突防概率。

中国在研制两代再入机动弹头的过程中，积累了丰富的研制经验，并且拥有了可模拟5至9倍声速的高超音速激波风洞。在高性能风洞的支持下，中国开始研制高升阻比的高超音速滑翔飞行器。2017年，中国从酒泉卫星发射中心两次试射了一种新型弹道导弹，该导弹飞行了11分钟，射程达1400公里，末段速度为4马赫，平均速度2121米/秒（约7马赫），飞行高度约60公里，落区位于新疆的且末县民丰靶场，命中误差仅为数米，这就是“东风”17高超音速导弹。“东风”17高超音速导弹采用与“东风”16弹道导弹相似的5轴运输-起竖-发射越野车，同样配备了1.2米直径的单级固体火箭发动机。“东风”16弹道导弹的射程达到1300公里，而“东风”17高超音速导弹是升阻比为3的高升阻比再入飞行器，在40公里高度以10马赫的速度开始滑翔，滑翔结束时高度为30公里，速度为1公里/秒，最大射程可达1567公里。

尽管“东风”17高超声速导弹在飞行末段的速度仅为4马赫，但其弹道的最高点要比常规弹道导弹低很多。像“东风”16弹道导弹的弹道顶点能达到320公里，而“东风”17高超声速导弹的弹道顶点仅为60公里，并且在飞行过程中还会持续下降。美国的“萨德”反导系统，其拦截高度的下限是40公里。美国陆基远程预警雷达对于弹道导弹的捕获预警时间为14分钟，可针对“东风”17高超声速导弹，预警时间就只剩下4分钟了。由于有效探测距离大幅缩减，这就使得美军不得不投入更多的预警系统。即便如此，美军的“萨德”系统和“宙斯盾”反导系统在面对“东风”17高超声速导弹时，依然如同虚设。在美国的“宙斯盾”“萨德”“爱国者”三层导弹防御体系里，“宙斯盾”和“萨德”分别承担着中段防御与末端防御的任务。只要中国发射弹道导弹对美军驻日基地发起突袭，其弹道必定会经过朝鲜半岛；要是突袭美国本土，弹道则必然会经过东北亚。美军只要把“宙斯盾”部署在弹道导弹来袭的路线上，就能形成一道防御屏障。

然而，“东风”17高超声速导弹是在空气密度极小的临近空间飞行的，美军当前的弹道导弹预警卫星还没办法对其进行精确跟踪。美国目前的预警卫星包括国防支援卫星（DSP）和天基红外卫星（SBIRS）。国防支援卫星是通过对红外信号的频谱分析来实现早期预警的，但其定位精度仅在10千米范围以内。天基红外卫星的精度相对高一些，不过它仅有9颗，覆盖范围还不够广泛，无法对具备变轨能力的“东风”17高超声速导弹进行跟踪监视，只能在“东风”17高超声速导弹的助推发射阶段，提供大致的轨迹预警，之后再将相关信息交由美国部署在日本的反导预警雷达进行跟踪探测。可此时，“东风”17高超声速导弹已经结束了助推发射阶段，开始下降并进入20-60千米的大气层。这样一来，原本探测范围能达到2000千米的“萨德”的AN/TPY-2预警跟踪雷达，只能在582-1000千米的距离上对“东风”17高超声速导弹进行跟踪，组织防御的时间被缩减到190-593秒之间。再考虑到“东风”17高超声速导弹具备500千米的横向机动能力，能够调整轨迹避开“宙斯盾”和“萨德”的拦截高度，组织防御的时间还会被进一步压缩。

除此之外，“东风”17高超声速导弹为了能在临近空间实现乘波飞行，采用了大升阻比的细长双椎体构造，这种构造对载荷不利，其内部空间仅为普通弹道导弹弹头的三分之一。比如东风21弹道导弹的载荷为600千克，而“东风”17高超声速导弹的载荷只有200千克。不过，美国在设计HTV-2乘波体时曾计算过，113千克的战斗部质量已经足够，其威力与美国空军的小直径制导炸弹相当，而且当飞行速度达到6马赫时，穿透力还会更强一些。“东风”17高超声速导弹的精度超过了大多数弹道导弹的精度极限，达到了惊人的10米，所以并不需要发射两枚“东风”17高超声速导弹去攻击目标，才能达到一枚东风21弹道导弹的作战效能。美军虽然有办法发现高超声速导弹，却缺乏有效的拦截手段。“东风”17高超声速导弹可以选择多个方向集中发起突击，绕开并分散大多数美军的防御设施，因此，它对美军形成了一个战略优势期。

四、21世纪二十年代后的中美高超音速导弹研究

当然，“东风”17高超声速导弹也存在一些不足之处。比如在飞行过程中，由于与空气发生剧烈摩擦，其外部温度会超过2000度，成为一个巨大的红外信号源。而且在接近目标时，它处于无动力减速状态，末端速度只有5-6马赫左右。而美国的“爱国者”PAC-3反导系统能够拦截速度超过9马赫的弹道导弹，所以，“东风”17高超声速导弹即便躲过了“宙斯盾”和“萨德”，也未必能避开“爱国者”PAC-3反导系统。要想提高突防成功率，还得依靠预先的压制和干扰。不过，红外系统的测量精度不够，无法使用半主动雷达制导的“标准”-2/3防空武器，只能依靠射程仅10海里的“拉姆”和最高速度仅3.5马赫的“标准”-6导弹进行拦截，这些防空武器在反导方面并不是很适用。美军或许会使用激光防御武器来填补这一火力空白，而且当美国的天基红外卫星体系在2022年前后部署完成后，“东风”17高超声速导弹可能就会失去其优势。

此后，双方又将展开一轮“道高一尺魔高一丈”的攻防对抗。“东风”17高超声速导弹攻克了美国在研发HTV-2过程中遇到的热防护系统、再入器前缘材料、高超声速姿态控制等难题。中南大学粉末冶金国家实验室研发的可承受3000度高温的碳碳壳体，展现出了优异的抗烧蚀性能和抗热震性能。HTV-2的两次试验都以失败告终，失败的原因是“美国专家还不知道在高超声速滑翔阶段如何对其进行控制”。而中国在北京怀柔雁栖湖畔的钱学森国家工程科学实验基地，拥有世界上最大、性能最先进的JF-12高超声速激波风洞，该风洞能够模拟25-50千米高空、5-9倍马赫的气流条件，这使得在高超声速姿态控制设计方面有了很大的突破。另外，HTV-2预设的射程在16000千米以上，速度为22马赫，这样好高骛远的目标让美国人屡屡受挫。目前，美军也开始研发技术风险较低的AHW助推滑翔式再入飞行器，但AHW的升阻比低、速度慢、飞行距离也更短，无法满足美军全球打击能力的要求。

美军目前正在研制的吸气式X-51A高超声速武器，由于多次试验失败，项目陷入了停滞状态。2018年8月3日，中国航天科技集团公司空气动力技术研究院成功发射的星空-2火箭，释放的乘波体飞行器经过400秒的乘波飞行，完成了自主飞行、大机动转弯等试验程序后，按预定弹道进入了落区。“星空”-2项目攻克了创新的乘波体布局飞行器高超声速飞行与稳定控制技术、疏导式热防护技术、低空高动压高超声速抛罩分离技术、火箭/试飞器级间分离流动稳定控制以及乘波体飞行器大机动转弯飞行控制与制导技术。再加上中国已经拥有能以4.5马赫高速飞行的吸气式超燃冲压发动机，所以“星空”-2应该是一种带动力的“东风”17高超声速导弹。一旦发展成熟，其型号的多样性将超乎想象。具体来说，未来中近远程/洲际弹道导弹、潜射弹道导弹、战略轰炸机投射的弹道导弹都可以采用乘波体技术，这会让美国的预警系统更难预测其飞行轨迹。

五、结语

高超声速飞行器是中美两国必须争先抢占的技术制高点。原本美国在这一领域领先了三十年，但到了二十一世纪的前二十年，美国在高超声速飞行器的试飞中屡屡失败，这给了中国追赶的机会。如今，“东风”17高超声速导弹早已投入实战部署，而美国的高超声速飞行器虽然纸面计划不少，却仍在不断的失败中挣扎。中美在高超声速飞行器领域的技术差距，用美国太平洋司令部前司令哈里斯在2018年2月的谈话就能概括：“中国的高超音速技术超过了我们，我们落后了。”

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