愛伊米

美航母無處可逃!印媒:中國已突破高超音速武器通訊,0.8秒建立聯絡

印度《歐亞時報》於9月2日報道,中國科研人員已經具備與20倍音速的飛行器建立快速準確的聯絡,為其注入引導資料,更新攻擊目標的引數等,這項技術將使得高超音速武器更接近實戰程度,其先程序度令人震驚!

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高超音速通訊:中國率先突破

高超音速下通訊非常困難?似乎第一次聽說這樣的問題,大家印象最深的就是在高鐵上用手機打電話或者上網時會出現斷斷續續的狀況,有朋友認為這是高鐵速度太快,訊號跟不上手機了,其實完全不是這樣,產生影響的是高速移動下電磁波訊號的

多普勒效應、全封閉車體結構阻隔訊號以及訊號覆蓋區域不停切換造成的,但高超音速下完全不是這樣!

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黑障:遮蔽了大部分訊號

高超音速條件下通訊其實分兩個情況,最嚴重的就是黑障,比如上文說的20倍音速,也就是差不多6千米/秒,這個速度僅僅比近地軌道上的人造天體再入速度差一丟丟,足以產生黑障狀態,這種狀態幾乎會將無線電訊號完全隔絕。

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所以我們經常看到這樣的報道,載人航天器返回地球時進入黑障後,飛船的測控訊號全無,有的只是光電或者紅外追蹤給出的飛船正在穿越高速穿越大氣層的軌跡,只有到大約50~40千米高度時才會逐漸恢復通訊。

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黑障是高速衝入大氣層的物體,其高超音速產生的激波壓縮前方的空氣分子產生的高溫,這裡要說明下高溫不是摩擦產生的,而是高超音速激波壓縮產生,其溫度可高達2000℃以上,這些空氣原子會在高溫下被電離形成等離子體!

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這層高溫的物質電導率很高,會反射、吸收以及扭曲電磁波訊號,當宇宙飛船位於這個激波產生的等離子鞘套內向外通訊時會被遮蔽,此時無法完成通訊。

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這就是黑障產生的原因,因此宇宙飛船返回進入黑障時控制室內一片死寂,因為黑障狀態下也是飛船經歷高溫炙烤的關鍵階段,而飛船出黑障恢復通訊時往往一片歡呼,因為最關鍵的一步已經被跨越了。

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據《歐亞時報》報道稱,中國的高超音速通訊主要位於Ka波段,這種電磁波具有更強的穿透力,它可以穿透等離子屏障,更有可能與地面完成通訊。《歐亞時報》援引《南華早報》的報道顯示,北京的一個科研團隊在《導彈與航天器》發表的論文稱:

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在飛行器前端由於高超音速激波以及氣流的因素,等離子體都是從這裡產生的,因此該團隊發現了一種可以降低等離子鞘層中電子的技術,這種被稱為“perspiration cooling tip”(蒸發冷卻頭)上釋放的親電子的物質被釋放,它可以吸收等離子鞘層的電子,使得等離子鞘層的等離子體減弱以供黑障狀態Ka波段透過以維持通訊。

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此時的飛船將在尾部將會有一條天線引出,飛船的整個通訊就有尾部這條全向天線與地面或者近地軌道上範圍內的通訊衛星保持通訊,據公佈的資料來看,在20倍音速下仍然可以維持連續通訊,並且建立穩定通道只需0。8秒,這是一項相當了不起的成就,真是天才的思路,不得不佩服我國的科學家的腦洞。

美軍航母或已無處遁逃

這種技術可以讓彈道導彈的彈頭在穿越黑障時制導,在高音速時控制軌跡直至擊中目標,各位知道了這樣的通訊過程,也就知道了為什麼可以用彈道導彈攻擊移動的航母了,我們假設這樣一個環境:“

一枚射程為2500千米的彈道導彈,從發射到擊中目標的過程

飛行時間 = 射程的平方根 x 14

最大飛行速度 = 射程的平方根 x 0。09

彈道頂點高度 = 射程 x 0。25

飛行時間大約是700秒,從發射到擊中目標的時間就是12分鐘左右,那麼航母最高航速(按32海里/小時計)下能開出多遠呢?大約12千米以上!也就是說當彈頭抵達航母上空時已經跑出去12公里了。

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彈道導彈在再入大氣層之前都是依靠慣性導航等保持航向,基本不會機動,但再入大氣層後就不一樣了,黑障通訊鏈路可以保證彈頭在出黑障的瞬間就確定航母的方位,因此可以在高音速條件下展開機動鎖定目標。

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如果沒有這種技術的話,可能會在穿越黑障後丟失目標,簡單地說,黑障通訊已經可以讓彈道導彈像巡航導彈那樣全程制導,並且彈道導彈的反應速度極高,攻擊2500千米外的目標只需12分鐘,這個速度果然還是快。

透波材料:高超音速技術的關鍵

前文我們說明了黑障通訊過程,儘管黑障確實是在高超音速條件下產生的,都在6~10倍音速的飛行器並沒有到黑障的程度,也就是說這個速度下的高超音速激波不至於產生等離子鞘層,並不會干擾電磁波通訊。

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那麼高超音速飛行器通訊沒有問題?其實這也是非常頭痛的問題,高超音速的激波加熱雖然不至於讓彈體融化,所以也不需要在表面敷設防熱瓦,但這個溫度也有數百攝氏度甚至高達600~700℃以上,不過就這點溫度,似乎鋼材與鈦合金就能完全滿足要求不是嗎?

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但是問題來了,這種金屬材料是不透波的!選用防熱瓦類的材料雖然適合黑障,但卻不適合高超音速武器,因此要尋找一種既透波又耐高溫的材料,坊間傳聞中國用了老祖宗傳下來的陶瓷材料,而且還是奈米陶瓷,其製造技術屬於絕密。而美國似乎還沒有突破這方面的技術,高超音速下儘管可以通訊(尾部),但卻無法主動探測(比如雷達等)。

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所以各位應該是明白了,高超音速可以用資料鏈制導,但卻無法用主動雷達制導,這對於動輒數千公里的射程,這資料鏈從理論上來看確實可以,但戰場情況瞬息萬變,資料鏈很容易被幹擾中斷,主動雷達顯然是最合適的,但是美軍似乎沒有,這在高超音速武器上就差了一大截。

高超音速武器:中國最接近實戰?

俄羅斯裝備的高超音速導彈“匕首”已經實戰了,在俄烏衝突戰場上已經多次使用,不過有點不太清楚狀況的是這種空射型高超音速導彈實在看不出是滑翔的還是吸氣式高超音速武器,因為高超音速武器有兩種:

滑翔高超音速武器

吸氣式高超音速武器

滑翔高超音速也有兩類,一類是軸對稱高超音速武器,看起來就是一個錐體(可能是雙錐體)帶四個小翼,可以在高超音速狀態下控制重心獲得不同的升阻比,並且用小翼可以控制方向,以達到其準確命中目標的目的。

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但軸對稱高超音速武器有個問題,它的升阻比很差,作為滑翔高超音速武器時其射程不可能很遠,因此會存在一個射程問題,不過其門檻比較低,這是滑翔類武器的入門版。

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另一類則是升力體型的高超音速武器,這類武器的氣動佈局一般是乘波體,它利用激波產生的升力滑翔飛行,其升阻比要比雙錐體的軸對稱高超高很多,因此升力體型才是滑翔類高超的真正王者。

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但這類武器的門檻也更高,俄羅斯與滑向高超相關的是

“先鋒”高超音速導彈,傳聞之前的則

是Objekt 4202、Yu-71和Yu-74都相關,這種武器的攻擊過程如下:

以大型火箭助推器為載體,將飛行器帶到100千米的太空和地球大氣層邊緣,達到該高度後,飛行器衝出大氣層並做自由段飛行,達到預期的高超音速;而後,飛行器開始在臨近空間和大氣層之間以“打水漂”的方式滑翔;等行至目標上空約30千米左右時,導引頭開機進行末制導,飛行器俯衝向目標,完成攻擊。

其最高速度可達20馬赫以上,並且還能縱向和橫向機動,突防能力很強,據稱

先鋒”導彈的飛行器應該採用了一些新型耐高溫、高壓材料,諸如超高溫陶瓷材料、C/SiC、金屬基複合材料等,在機體內部設定有多層隔熱措施保護內部結構和機載裝置等。

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美國的高超滑翔類則是ARRW這類滑翔武器,它的空射版多次試射失敗,不過問題卻不是在高超音速的升力體上,而是其助推器,這讓美軍鬱悶不已,畢竟火箭技術對於美軍來說,應該是門檻最低的。

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俄羅斯匕首的空射版與ARRW很相似,所以很多朋友都猜測匕首可能是滑翔類的,不過WIKI資料給出它沒有使用吸氣式高超音速或者滑翔類高超音速技術,而是使用超級暴力的火箭以及彈道導彈技術達到高超音速(最高速度達12馬赫,射程2000千米)。

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2022年3月18日,俄羅斯用匕首導彈摧毀了烏克蘭

伊萬諾-弗蘭科夫斯克州

的一個地下彈藥庫,該導彈高速飛行時被很多目擊者拍攝了下來,其速度確實很快!當時筆者就曾撰文分析其高超音速原理,就是非常納悶匕首是如何達到高超音速的,如果是火箭發動機,那就釋然了,它無所謂進氣道,也沒有升力體。

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我國高超武器知名度最高的就是2019年在國慶70週年閱兵式上的DF-17這類升力體式的滑翔高超音速導彈,當然我們並不確定有沒有空射版,有沒有類似“先鋒”這樣的武器?相信在適當的時候會公佈出來。

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另一類就是吸氣式高超音速武器,這類包括使用超燃衝壓發動機或者爆震發動機推進的武器,這類使用吸氣式的發動機結構非常複雜,比如超燃衝壓發動機需要4-5倍音速下才能點燃,因此首先將其加速度到這個速度就有多種手段了,吸氣式高超音速發動機往往一種組合體發動機,比如有如下幾種:

TBCC:渦噴+超燃衝壓發動機

RBCC:火箭+超燃衝壓發動機

TREE:渦噴+火箭+超燃衝壓發動機

TBCC適合高超音速飛行器,RBCC適合導彈類武器,TREE適合空天飛機;各國都在突破這類技術,各國都有不少技術進展,比如美軍就曾多次測試氫燃料的超燃衝壓發動機和碳氫燃料的超燃衝壓發動機,最高速度接近10馬赫(氫燃料),最長時間達到了210秒,其成績還是不錯的。

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這裡有箇中國進展的新聞,不過有點早了,是2019年的:

2019年度全國“創新爭先獎”獲獎名單公佈,其中出現了“高超聲速強預冷空天動力研究團隊”,意味著國內空天飛行器動力系統獲得了成功,還可以幫助高超音速導彈技術獲得突破。中國科學院力學研究所釋出的一條訊息送來了更大的喜訊:範學軍團隊在超燃衝壓發動機地面試驗中實現了連續600秒的運動時間,打破了美國X-51發動機210秒的世界紀錄。

600秒也就是10分鐘,幾乎就相當於超燃衝壓發動機的全程了,這表示我國的超燃衝壓發動機領域已經接近實用了。

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從俄羅斯公開的資料來看,似乎“

3M22 Tsirkon

”(鋯石高超音速導彈)更進一步,這種看起來似乎和美軍的HAWC很相似,但它已經多次試射,比如早在2020年就曾測試過了:

2020年10月7日,俄羅斯總參謀長瓦列裡·格拉西莫夫( Valery Gerasimov)表示,一枚鋯石從戈爾什科夫上將在白海發射,成功擊中450公里(280 英里)外巴倫支海的海上目標,據報道速度達到“超過8馬赫”和28公里(17英里)的高度

不過不確定這個水分有多大,因為碳氫燃料的超燃衝壓發動機很難達到7-8馬赫,這是燃料性質決定的,氫燃料可以達到9~10馬赫或者更高,所以不知道俄羅斯公開的技術引數中水分究竟有多少。

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其實還有一類是爆震發動機,就目前而言,突破比較多的是旋轉爆震發動機,俄羅斯、中國以及美國等均有突破,而我國在這類新體制發動機領域並不落後,反而可能處在相當前沿的位置。

參考:

https://eurasiantimes。com/china-claims-big-breakthrough-in-hypersonic-flight-communication/

https://www。scmp。com/news/china/science/article/3190695/chinese-team-claims-highly-reliable-communications-during