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美“爱国者”连导弹都能拦 为何打不下中国无侦-8?

美“爱国者”连导弹都能拦 为何打不下中国无侦-8?
2019年10月08日 08:07 观察者网
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  原标题:晨枫:“爱国者”连导弹都能拦 为何打不下无侦-8?

  (文/观察者网专栏作者 晨枫)在国庆70周年阅兵中,无人机第一方队的两架“高空高速隐身无人侦察机”引人注目。但在方队驶过时,人们只看到两个不大的尾喷口,却遍寻不见进气口,这是玩的哪一出?

  这架神秘而且诡异的无人侦察机据说正式名称为无侦-8。在阅兵预演时,已经在帆布遮盖下出现,不过当时机翼拆卸下来了,只有机体,难以判断整体气动布局。一时间,坊间各种推测都有,从最初的超燃冲压高超音速远程,到后来的涡喷动力(可能是歼-8FR的涡喷14)的超音速中程,但真相还是使得所有人大掉眼镜:这竟然是液体火箭动力。据推测,无侦-8用轰-6外挂,在高空释放,然后在火箭动力下爬高、巡航,任务完成后滑翔返航,在常规跑道上自主降落。

  无侦-8正式亮相前,很多媒体都认为它可能是采用类似D-21无人机的冲压发动机动力

  不算各种研究机,上一个进入主流装备序列的火箭飞机是二战末年德国的Me-163“彗星”战斗机。这小东西快如流星,但只能维持7.5分钟动力飞行时间,基本上升空后在机场附近撩一把就跑,打上一两个回合就必须降落了。70多年后,中国为什么选择这样一条貌似死路的技术路线呢?

  无侦-8采用不同寻常的大后掠角,差不多可看成升力体。背部有隆起的机脊,但腹部平坦,这是典型的高超音速滑翔体的气动外形,以压缩升力为主要升力机制,而不是传统的机翼产生升力的机制。外倾的双垂尾位于翼尖,后缘有常规的舵面,机翼后缘有常规的襟翼和副翼。起落架为前三点式。

  真相令人大跌眼镜,其动力居然是两台YF-50A常温液体燃料发动机

  人类上一种实用化的火箭飞机还是德国的ME.163呢

  有说法这是用于大洋反航母作战的,在卫星引导下用于打击前的精确定位,或者打击后用于战果核查,以便在必要时补射。

  中国拥有东风-21D反舰弹道导弹已经有些日子了,但大洋反航母不是光有厉害的杀手锏就可以的,首先要看到对手在哪里。高轨道卫星适合海洋普查,但无法得到足够的清晰度,以辨识和确认航母。在大洋上看到疑似航母的大船就先打了再说是不行的,从伴随舰船推测也不可靠。低轨道卫星能用于目标详查,但受到重访时间和目标上空留驻时间的限制,难以稳定跟踪和适时提供瞄准数据。美国的“锁眼12”大约每天可重复飞过同一目标两次。如果计入向地表轨迹两侧的斜视,实际上要多一点,但离实时跟踪还是相距甚远。在两次扫过之间,航母有足够的时间加速或者改变航向逃离,偏移距离大大超过星载传感器的搜索范围,下一次实际上需要重新捕获。不断改变轨道可以缩短重访时间,但不仅可变的轨道有一定限制,星上燃料也消耗太大。卫星群可以解决这个问题,但成本太高。

  超地平线雷达没有重访时间的限制,但精度很低,而且受天气影响很大,只能提供概略方位。

  核潜艇可以长时间精确跟踪,但首先有“贴上去”的问题,其次有长时间跟踪时暴露踪迹的问题,既给自己带来危险,也影响任务的完成。

  超长航时的无人侦察机也可以保持跟踪,但飞行速度太低,适合在广大海区巡逻,不宜用作应召侦察。“全球鹰”的巡航速度只有570公里/小时。以东风-21C的1500公里射程为例,赶赴目标区需要3小时,这段时间内航母可机动超过150公里,很容易丢失目标。更大的问题是生存力,伊朗都能把“全球鹰”打下来,不能指望美国航母上的舰载战斗机或者护航的“伯克”级驱逐舰望机兴叹。

  该机身上体现了很多“短平快”的设计要素,作为与反舰弹道导弹作战体系的一环,有着独特的价值

  超高速侦察机则可在较短时间内赶到目标区。M3的飞机可在30分钟内前出到约1500公里以外的目标区,M4.5则只需要20分钟。在这段时间内,航母的移动距离不超过10-15海里,完全在机载传感器的搜索范围之内。更重要的是,高空高速本身就是生存力的重要保障。这似乎与60-70年代以来的大趋势相反,但历史是螺旋形前进的。

  现代防空导弹的最高速度通常在M3~6。以美国“爱国者“防空导弹为例,PAC-1为M2.8,PAC-2/3为M4.1,海军的SM6为M3.5。俄罗斯的S300系统导弹品种繁多,重型的5V55和48N6系列约M5.5-6.0,轻型的9M96系列约M2.8-3.0。这些防空导弹系统都号称能拦截最高速度大大超过自身速度的弹道导弹,比如48N6E2号称能拦截M8.5的目标,速度更慢、射程更近的9M96竟然号称能拦截M14的目标,但这是有前提的。

  简单的弹道导弹在发射后,按照固定的弹道飞行,所以拦截一方只要能准确预测飞行轨迹和到达时机,就可以把拦截弹及时预置到导弹必经之路的前方,剩下的就是引信及时引爆和战斗部有效杀伤的问题了,动能击杀则免除引信和战斗部,靠碰直接撞实现毁伤。到现在为止,反导弹都是基于这样的“埋地雷”模式,所以反导作战的成功高度依赖早期预警和弹道预测。

  目前所有的反导拦截技术的基础都是敌方来袭弹头在离开制导舱后,就成为重力的“奴隶”,按照一条既定轨道飞行

  先进一点的弹道导弹在再入时有一点机动能力,但机动的范围是有限的,在远近方向上有一点余地,但在左右方向上很有限。“埋地雷”模式依然大体有效,只是“地雷”需要在最后阶段进行相应的机动,追上导弹。应该注意的是,这主要还是看准来袭导弹的方向和速度后迎面拦截或者从侧向追击,就像足球后卫拦截对方带球突破的前锋一样,而不是尾追。

  在“埋地雷”模式下,反导弹的速度固然越快越好,但未必一定要快于来袭导弹,只要来得及“埋地雷”,或者在有限机动的来袭弹头前方及时机动占位,这就足够了。但这对于拦截没有固定弹道的飞机来说,这是不管用的。飞机的航迹可看作是任意的,而且随时可变,早期预警和航迹信息的作用有限,无法做出有意义的航迹预测,追击是难免的。这首先就需要足够的速度差。

  战术飞机常见的最高速度不超过M2.0一级,只要还有外挂弹药和足够数量的机内燃油,实际上远远达不到标称的最高速度,所以以反飞机为主的PAC-1和9M96的M2.8-3.0够用了,拦截高亚音速巡航导弹更是不在话下。但要拦截M3的飞机就难了。

  防空导弹在发射后,马上爬升、加速,速度很快达到最高,但不可能在剩下的全程保持最高速度,极限爬升和剧烈机动导致的速度损失更大,所以号称M6的防空导弹在升空后没多久就达不到M6了。M5-6的飞机靠路径规划、机动规避和电子对抗有不小的概率可以甩掉速度差不足的导弹。舰载战斗机的典型空空导弹的速度不超过M4一级,更难追上。

  导弹的机动也是问题。大气层外的机动靠工作时间有限的反推力火箭,在稠厚大气层内则是靠气动控制,但在空气稀薄的亚轨道高度,反推力难以长时间连续工作,气动控制也不大有效。典型大气层内的防空导弹受气动控制能力的限制,作战高度不超过25000(如S300PMU2)到30000米(如S300VM),PAC-2只有20000米(反飞机)/12000米(反导),为反导优化的PAC-2提高到20000米(反导)。另一方面,以外大气层反导为主的THAAD的作战高度下限为40000米,上限倒是有100000米,这是因为THAAD导弹以反推力控制为主,大气层内的气动控制能力很有限。30000-40000米是防空导弹的空挡,而且由于导弹飞控的机制是在可预见的将来难以填补的空挡。

  即使是最新的THAAD和爱国者3MSE导弹,对30000-40000米高度的飞机目标也只有极其有限的拦截能力

  无侦-8的另一个护身符是隐身。无侦-8的具体尺寸和重量数据现在还是保密的,目测可能与洛克希德D-21相当,大大小于常见的战斗机、轰炸机。假定重量也相仿,那就是5吨级。尺寸较小天然有助于降低雷达特征,平坦的机腹更是有利于将入射的雷达波散射到其他方向,B-2平坦的机腹也是这个道理。无侦-8也肯定涂敷了中国最高水平的隐身涂料。

  隐身对小尺寸的厘米波或者毫米波雷达导引头特别有效,远距离上看不见,但还没有等到近距离烧穿就已经错失拦截战机了。大气层外反导常用的红外引导头在大气层内有自身气动加热的问题,也难以有效捕获目标。在反“常规”隐身飞机(尤其是B-2这样的高亚音速飞机)作战中,战斗机还可以在长波雷达的引导下抵近查明、精确锁定,但无侦-8速度太快,连这都不可能。

  如果M6飞机在4万米高空直线飞行,地面航迹与防空导弹发射架的最近距离也为40公里的话,此时斜距56公里。在最极端的情况下,飞机必须在非常料敌从宽的近80公里的斜距上发现,然后要指挥、通信、发射准备、导弹升空的时间统统忽略不计,导弹可瞬时加速到M6并全程保持,才有可能在飞机通过最近点时拦截成功。这是几乎不可能的高难度了。但飞机开始机动规避,或者已经通过最近点,就再也追不上了。即使导弹速度增加到M8甚至M10,考虑到实际的指挥、发射滞后和导弹升空、加速时间,以及实际能保持的最高速度和延续时间,可靠拦截也是巨大的难度。但56公里斜距对于现代侦察技术来说是“顶到鼻子尖上”的距离了,足够看清航母上违规躲在逃生坑里抽烟的黄马甲了。

  假定雷达在45度侧前方锁定并开始导弹发射准备,从这里到正侧方的航迹是飞机的危险区,过了正侧方,飞机就大体进入安全区了。与常规的防空导弹有效拦截区相比,这把危险区压缩了一半。考虑到防空导弹的速度显著高于传统飞机,即使飞机进入目标侧后方45度以外,依然有被追击的导弹击中的危险,实际危险区的压缩还不止一半。这正是无侦-8生存力的大不同之所在。

  无侦-8除了高空高速,还具备隐身特性,机上的探测设备主要是高精度光学系统

  通过对基于实时态势的路径规划,无侦-8有可能隐蔽接近,在对方舰载战斗机和舰载防空导弹完成拦截准备之前就掠过目标区,完成侦察任务;也可能在对方勉强发射导弹后依靠速度、机动性和电子对抗甩脱拦截。在理想情况下,甚至可以靠高空高速反复硬闯目标区,获得更精确和及时的目标数据。这当然增加了生存风险,但这是无人侦察机,在必要的情况下是可以牺牲的。

  值得指出的是,无侦-8不仅可以用于大洋侦察,也可以执行“由海到陆”的侦察,或者穿越岛屿的穿梭侦察。比如从台岛东侧释放,穿越台岛侦察,回到大陆降落;在上海外海或者广东外海释放,贯穿台岛,然后转弯飞回大陆降落;或者在冲绳甚至日本本岛以东的太平洋释放,穿越飞行,回到中国降落。到印度看看泰姬陵或者卡久拉霍性庙也无压力。

  无侦-8与歼-20等战术飞机在广义上的配合使用总是可以的,但紧密配合很难,两者的任务包线太不相同,很难协调。无侦-8改作自杀飞机也不很现实,不仅有成本问题,还有难以容纳重型战斗部的问题。中国有高超音速导弹,还是让导弹干导弹的活、无人机干无人机的活更加合理。

  问题是要有足够的航程和足够的速度、高度。

  据推测:无侦-8由轰-6在高空投放后,用火箭动力爬高,然后进入高空巡航。现在还不知道爬高段是否有额外的火箭助推,也不知道巡航段是否全程动力飞行,巡航高度和速度更是没有任何公开消息。合理的推测是约4万米巡航高度。这个高度空气稀薄,飞行阻力较低,也是防空导弹和反导弹之间的空挡高度。

  考虑到采用液体火箭发动机,巡航速度可达M5-6一级,降低到M3一级就没有必要用火箭发动机了,用火箭助推后转入亚燃冲压就可以,这是中远程防空导弹、空空导弹和反舰导弹上已经常用的技术。不断有传说M4的亚燃冲压即将实用,但这已经接近亚燃冲压的理论极限,进气减速、喷气加速带来的阻力不可接受,使得M4一级的亚燃冲压很难实用化。超燃冲压则技术上尚不成熟。

  据公开论文,无侦-8的火箭发动机工作时间可达35分钟,足以支持它加速到较高的马赫数,而且因为采用的是可变推力液体火箭,该机可以利用间断启动发动机来管理自身能量,不至于出现转个弯掉了速度就没办法补回来的情况

  无侦-8的速度也可以从机翼后掠角反推。马赫角等于马赫数倒数的反正弦,所以M2时的理想后掠角为60度,M3时约70度,M4时约75度,M5时约78度,M6时约80度,以此类推。另一方面,后掠角越大,起飞、着陆和低速飞行的性能越差,甚至可能除了能飞高速,综合性能一无是处。早期超音速飞机为了尽可能减阻,确实经常以马赫角来决定机翼后掠,如幻影III的后掠角就是60度。米格-21为57度。发动机推力增加后,有条件以阻力换机动、使得综合性能更加平衡,所以现代超音速战斗机的后掠角大多小于理想后掠角,如F-16只有约40度,F-22约42度(YF-22则为48度)。

  另一方面,后掠角大于马赫角则不合理,既没有额外的减阻作用,也使得起落、低速性能很糟糕。

  粗略目测的结果,无侦-8的后掠角约70度。换句话说,巡航速度不大可能低于M3一级。无侦-8没有F-22那样的机动性要求,但还是有空中释放、加速爬升阶段和滑翔返航、自主着陆阶段,还是需要一定的中低空、中低速性能的,因此后掠角会小于马赫角,巡航速度很可能在M5-6一级。

  液体火箭发动机连续使用的燃料消耗量太大。液体火箭的好处就是相对容易反复启动、间隙使用,可以在动力飞行和滑翔之间交替,达到较长的航程。这更要求机翼设计(尤其是后掠角)兼顾减阻和升阻比。用轰炸机在远方空投发射可以弥补航程不足的问题。在极端情况下,返航可以考虑海上回收,不一定要回到基地。轰炸机是高亚音速的,起飞准备和空中发射都需要时间,限制了本来高超音速的无人侦察机的有用性。这些都不尽理想,但是没有办法的事情。

  重要的是,无侦-8不仅在现在就补上了大洋侦察和战略侦察的一个缺门,还对积累高超音速飞行的实际经验有巨大作用。高超音速飞行不仅有超燃冲压的难题,飞行器热防护、飞控和基本的空气热动力学都有很多问题。压缩升力不同于机翼升力,更像冲浪,通过前进时对流体的冲压产生升力,这也使得飞控有别于常规。比如说,船只是用舵转向的,冲浪则是靠摇摆身体转向的。对于依靠压缩升力的高超音速飞机来说,光“摇摆”身体还不够,还需要解决在“摇摆”中的升沉问题。实验室和技术验证机解决技术原理问题,只有大量实践才导致成熟的工程化产品。高超音速飞机在战术使用上也是全新领域,再多的理论和演习都比不上大量的实用经验。无侦-8为除了超燃冲压之外的大多数高超音速关健技术问题探路,从设计、制造、使用、维护都走通了一遍,达到实用化,使得中国扎扎实实地在世界上领了先。

  无侦-8只是起点,超燃冲压的“无侦-8之子”才是星辰大海。火箭发动机靠把高温高压燃烧物高速抛射出去来形成推力,燃料消耗与推力大小和工作时间直接相关,而且还要自带氧化剂。吸气式发动机(包括常见的涡喷、涡扇和先进的超燃冲压)则通过燃烧加热环境空气,形成高温高压燃气,高速抛射出去以形成推力,而且不需要自带氧化剂。前者好比憋着一口气游泳,后者则是边游边换气,效率和耐力要高多了。

  当然如果未来超燃冲压发动机成熟,那么采用吸气式的“无侦-8”后续型或许更有价值,图为美国B-52轰炸机携带的D-21无人机

  中国在超燃冲压方面也是世界领先,已经有一系列超燃冲压和组合循环发动机在研发甚至试验中。一旦技术成熟,无侦-8或其发展型就是天然的基础。事实上,在莱特兄弟之前,奥托·李连达尔已经通过大量的滑翔机研究和试验摸出了气动设计和飞控的基本原理,莱特兄弟只是首创有动力的受控飞行。在某种意义上,无侦-8就是高超音速时代的李连达尔滑翔机。

  都说天下武功唯快不破,但无侦-8也会有克星的。采用乘波体技术的防空导弹可以达到甚至超过无侦-8的速度和机动性,激光、粒子束武器更是受不受速度和机动性的影响,但这些技术都各有各的问题,离实战化还差十万八千里。在可预见的将来,无侦-8还真差不多是无敌的。

  东风-17理所当然地引起人们的极大关注,这是当前最先进的导弹技术,但这还是相对初级的高超音速滑翔体。无侦-8则是世界上第一种实用化的高超音速动力巡航体,在技术成就上比东风-17还要高一个层次。无侦-8并不完美,但这是前进路上的关键一步,中国正在紧锣密鼓地走第二步、第三步。

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