晨楓：來自美國的“高超音速”愛情 中俄會接招嗎？
【文/ 觀察者網專欄作者 晨楓】
伊恩•弗萊明在二戰中是正宗英國特工，戰後開始寫小説，第一部作品就是《皇家賭場》，創造了歷史上最有名的代號007的虛構間諜詹姆士•邦德，後來成為一系列邦德電影的題材，至今還在繼續。
弗萊明的邦德開的跑車是賓利，不是阿斯頓•馬丁，手錶戴的是百年靈，不是歐米茄，但這些都不重要了。弗萊明的邦德一開始是和“民間”邪惡勢力較勁的，但電影版開始於冷戰時代，邦德很快就和蘇聯死磕上了，其中最有名的電影之一就是《來自俄羅斯的愛》。
冷戰結束後，邦德有點失落，但還沒有失業。今天邦德電影已成雞肋，但人們像對待恨鐵不成鋼的老相好一樣，依然在期待驚喜。
電影的結局是來自俄羅斯的玫瑰插到了英吉利的老牛糞上……
在《來自俄羅斯的愛》裏，邦德與蘇聯女特工一面明槍暗箭，一面投懷送抱，最後當然是來自俄羅斯的玫瑰插到英吉利的老牛糞上。時間快進到21世紀，世界上到處拿錯劇本。英國老特務那裏沒人投懷送抱了，美利堅倒是猛放電，最近對俄羅斯和中國呼籲：締結像導彈技術控制協議（簡稱MTCR）一樣的國際公約，限制高超音速武器的擴散。
當來自中國的高超聲速彈頭以10倍音速劃破長空的時候，就輪到美國來拋媚眼了……
美國科迪亞克發射場，試射高超音速導彈時發生爆炸，損失慘重，至今沒有恢復類似的試驗
美國AHW高超聲速導彈試驗彈，其發射工具是“北極星”導彈基礎上改造來的
世界上沒有無緣無故的愛，這句話一點都沒錯。
高超音速指M5-25之間的速度段，M指馬赫數，M1代表音速，M2為兩倍音速，以此類推。不管是軍用還是民用，速度的好處是顯而易見的。高超音速飛行也在很高的高空實現，通常處在大氣層邊緣。這裏空氣稀薄，有利於降低飛行阻力。
高超音速飛行在速度上介於普通飛機或導彈與彈道導彈之間，速度高，機動性良好。普通飛機和導彈具有優良的機動性，但速度比高超音速低很多；彈道導彈具有更高的速度，但除了在再入段具有有限的變軌能力，助推段和中途段的機動性幾乎可以忽略不計。高超音速飛行器的彈道形狀也很特別，在扁平、可任意機動方面接近普通飛機和導彈，與彈道導彈基本呈拋物線的規則形狀截然不同；在高度方面，既高於通常飛機的升限和防空導彈的射高，又遠遠低於彈道導彈的高拋彈道。
就已知技術而言，高超音速飛行只能用火箭發動機或者超燃衝壓實現。常規的渦輪類噴氣發動機和亞燃衝壓發動機的燃燒必須在亞音速進行，因此在超音速飛行時，進氣必須減速到亞音速，與燃料混合燃燒膨脹後，以超音速噴出。這個減速-加速過程帶來本質阻力，飛行速度越高，影響越嚴重，最終阻力會超過推力。因此渦輪和亞燃衝壓在理論上就不可能達到高超音速。火箭發動機沒有噴氣發動機的速度限制，只要比沖和燃燒時間足夠，可以達到高超音速。
俄羅斯YU-71高超聲速飛行器也已經進行了成功的試飛
武器化的高超音速飛行器可分為兩大類：高超音速助推-滑翔飛行器（簡稱HGV）和高超音速巡航導彈（簡稱HCM）。顧名思義，HGV用火箭發射入近地空間，然後在重力作用下返回大氣層，利用空氣的浮力反彈回近地空間，然後再次再入，就這樣像打水漂一樣在大氣層邊緣跳躍前進，直到抵達目標上空，最後再入，俯衝攻擊目標。簡化的HGV彈道則只有一次再入，然後在大氣層內依靠氣動升力滑翔飛行。HGV也可以用噴氣發動機升空，然後用各種手段加速，最後用超燃衝壓達到高超音速，然後轉入滑翔。不過有這功夫，不如直接發展HCM了。HGV還是以火箭助推為主。
HCM則像常規巡航導彈一樣，可以在地面、艦船、飛機上發射，全程動力飛行，有優良的機動能力，滑翔的作用可以忽略不計。典型HCM的飛行高度在20-30公里範圍，比HGV要低，但依然高於常規飛機和導彈。
一般來説，HGV的技術相對簡單，射程更遠，速度更高；HCM的使用更靈活，彈道更機動多變，但技術難度也更高。
根據衞星照片繪製的中國高超聲速無人試驗機外形
對比“翼龍”、殲-20和殲-10飛機，可以大概看出該機尺寸
美國X-51A超燃衝壓發動機試驗平台
美國對高超音速武器非常擔心，因為這將是比彈道導彈更大的挑戰，已經和即將形成的反彈道導彈能力將無法有效攔截。高超音速武器不僅極大地削弱美國相對中俄這樣對等對手的軍事優勢，一旦擴散，連“二流國家”都有可能嚴重影響美國在世界熱點地區的軍事行動自由度。當然，美國尋求高超音速武器軍備控制的桌面上的理由是降低軍事衝突的不可預測性和不可控性。
高超音速武器的速度不及彈道導彈，高度也更低，為什麼在美國已經在從PAC3的末端反導到薩德、宙斯盾的戰區反導到GBI的戰略反導初步形成完整體系的時候，反而更加擔憂了？
反彈道導彈分助推段（也稱起飛段）、中途段（簡稱中段）和再入段（也稱末段）。助推段反導最為理想，此時火箭發動機正在全力工作，紅外特徵最明顯，容易捕捉目標。導彈的速度和高度尚在上升中，這是依然較慢、較低，容易攔截。攔截成功的話，導彈還在發射區上空，碎片和核爆影響基本上落在發射國內，對目標國影響最小。但助推段攔截最大的問題是及時在距離導彈發射陣地足夠近的地方及時部署攔截平台，這當然是難上加難。在可預見的將來，助推段攔截無法作為導彈防禦的主要手段。
中段攔截依然對目標國的影響較小。而且中段飛行中，多彈頭載體尚未釋放子彈頭，攔截效率較高。中段飛行中的彈道導彈基本上按照固定的拋物線彈道飛行，在大氣層外要做大幅度機動也很困難，所以只要對來襲導彈的彈道預測足夠精確，反導彈的發射準備時間足夠短促，中段攔截是可以實現的。中段攔截也是當前反彈道導彈的重點，關鍵在於早期預警，越早發現導彈發射，確定導彈彈道，反導彈的反應時間就越多。反導彈也不是滿世界追蹤來襲導彈，而是按照提前量直接飛向計算出來的匯合點，只有在最終接近目標時才進行有限的機動，確保命中。彈道導彈在大氣層外要機動很困難，反導彈也有一樣的問題。
末段攔截在技術上相對簡單，這是防空導彈的延伸，但只有有限的覆蓋範圍，對付已經釋放的多彈頭只能分別攔截，擊毀的導彈碎片也很可能落在目標國內，造成危害。如果引爆核爆，危害就更大了。即使只有導彈碎片落地，動能依然可以造成很大的危害。據計算，300公斤重的實心物體以M8速度擊中地面，向前方錐形內釋放的動能相當於2噸TNT的能量。末段攔截成功的話，不應該有那麼重、那麼大的碎片，但非粉碎性擊毀依然可能對地面目標造成難以預計的損害。
蘭德公司報告配圖，高超聲速彈頭與可機動再入載具彈道對比
高超聲速滑翔戰鬥部與彈道導彈機動能力對比
從彈道特性來説，HGV在助推段和彈道導彈相同，但沒有到達中段就分離了，彈頭進入高超音速滑翔階段，巡航高度在40-100公里之間。分離高度和姿態由射程要求決定，射程包括前向和側向，側向可達上千公里。換句話説，HGV可以向目標大角度包抄攻擊，這樣的指東打西能力是彈道導彈難以做到的。HGV也可以在遠近方向大幅度調整命中點，不管是在滑翔初段還是末段，只要在射程之內，可以在任一點俯衝攻擊，全然不受拋物線彈道的限制。比較之下，彈道導彈只能向目標方向發射，即使是機動再入彈頭，彈道的主體依然是拋物線彈道，在遠近上還有一定的調整命中點的能力，在側向只有有限的機動能力。HGV的迂迴攻擊能力極大地降低了高度依賴來襲導彈彈道特性的傳統導彈防禦的有效性。
高超聲速戰鬥部命中目標的動能曲線圖，500千克戰鬥部在以8馬赫命中時的能量相當於3000公斤TNT當量
傳統導彈防禦體系的第一環是預警，這主要由紅外預警衞星構成，從空間凝視地面，在第一時間捕捉導彈發射時尾焰的強大紅外特徵，並根據彈道推算全彈道和命中點（對機動再入彈頭則是命中區域），同時啓動攔截準備。在導彈進入地基或者海基的雷達或者紅外的視界之後，精確測定實際彈道並校正先前的彈道計算，然後才談得上下令發射和實際攔截。但HGV使得彈道計算和以此為基礎的中段攔截變得徒勞。
進入高超音速滑翔後，HGV由於蒙皮氣動加熱而具有顯著紅外特徵，但依然比發射時的火箭尾焰要弱得多，給天基跟蹤帶來困難。地基雷達或者紅外受到地球曲率的影響，只有等到HGV進入直視視界後才可能捕捉到，大大縮小了探測窗口，縮短了反應時間，提高了攔截難度。對於缺乏天基預警能力的國家來説，HGV在實際上是無法預警的，因為地基探測手段很可能無法提供有意義的預警時間。
由於地球曲率影響，高超聲速滑翔器只有在接近目標到很近的距離才會被地面雷達發現
常規的防空導彈適合在稠密大氣中使用。如果來襲導彈採用固定彈道，也可延伸到高層大氣。但較難用於攔截在高層大氣機動飛行的高超音速導彈。現在還不存在有能力攔截高超音速導彈的反導彈，全新研製將比反彈道導彈的難度顯著增加。
激光武器在理論上可以避開很多反導彈的技術困難，但在實用上並不樂觀。高能激光具有能量集中、傳播速度大、命中精度高、轉移火力快、抗電磁干擾、能多次重複使用的特點，作戰效費比高。高能激光主要通過直接加熱來造成破壞，需要保證激光束在同一點上穩定照射足夠長的時間，才能積聚足夠的能量，技術難度很高。高超音速導彈為了承受氣動加熱產生的高温，本身就在耐熱方面下足功夫，在客觀上起到“熱裝甲”的作用，削弱高能激光的效果。另外，高能激光受到氣象條件的影響較大，還可能由於激光加熱大氣而造成光束抖晃、折射。激光武器的功率越高，大氣影響越嚴重。其他粒子束武器也有類似的問題，儘管機制不同。
HCM的航跡比HGV更加不定。HGV除了初始彈道與彈道導彈相近，發射場也只有有限的選擇。HCM則不然，不僅無法預測最可能的發射場，也不可能從發射時的指向確定目標，預警和攔截更加困難。另外，HCM的發射方式非常靈活，進一步增加了攔截的困難。不過典型HCM的射程在1000多公里級，更遠射程所需要的超燃衝壓在可預見的將來還難以實現。
高超音速武器的擴散化確實有可能造成更多的不穩定。由於高超音速武器的難以攔截甚至難以預警，尤其是隻有地面預警能力的話，一些國家可能被迫採用接警即射的做法，避免自己的核能力被對方先發制人打掉；甚至在出現危機預兆的時候就先發制人，進一步提高“核盲動”的危險。這樣的危險在今天通過彈道導彈同樣存在，但正在發展的導彈防禦能力使得人們有冷靜應對的可能。高超音速武器重新啓動了彈道導彈時代的危險循環。
對於美國這樣的干涉主義強權來説，高超音速武器流入“二流國家”的話，可能造成對方已經擁有對美國有效威懾的不當錯覺，反而增加與美國的衝突危險，引發不由自主的危險互動。高超音速武器也可能引發“二流國家”之間的衝突，但最終迫使大國捲入。
俄羅斯高超聲速滑翔研究裝置
在高超音速鄰域，世界上的第一梯隊很明確，那就是美國、俄羅斯和中國。長期以來，美國的X-51代表了超燃衝壓的最高成就，TBG則代表了美國在HGV方面的努力。洛克希德的臭鼬工廠將在2020年試飛F-22大小的高超音速研究機，作為SR-72高速飛機的預研，採用渦輪與超然衝壓的組合循環發動機（簡稱TBCC）。埃羅捷特-洛克達因也獲得DARPA的TBCC研究合同，要求達到M5以上的速度。俄羅斯的HGV 已經達到實戰水平，“亞爾斯M”和“撒爾馬特”洲際導彈可搭載Yu-71高超音速滑翔彈頭，其扁平機動彈道號稱可以打破美國導彈防禦體系。據報道，中國已經至少7次成功實驗了WU-14，這是HGV彈頭。較少提到的是DF-21C反艦彈道導彈，這也屬於HGV。中國還在2017年3月的廈門舉行的高超音速國際學術會議上出乎意料地打破了保密的傳統，公開了大量超燃衝壓和其他高超音速研究方面的成就，很多已經達到準實用化的程度。美國國內普遍認為，中國和俄羅斯在高超音速武器化方面已經領先於美國。
印度的“布拉莫斯2”高超聲速巡航導彈模型，這模型上就可以看出印度對高超聲速飛行的研究還停留在很初步的階段
第二梯隊包括澳大利亞、法國、歐盟、日本、印度。澳大利亞的昆士蘭大學與美國軍方緊密合作，在超燃衝壓研究方面居世界前列，但澳大利亞並沒有獨立的高超音速研究項目。法國當然是歐盟的一部分，但法國與俄羅斯聯合研發的超燃衝壓技術獨立於歐盟之外，法國的獨立研發則缺乏進展。印度的高超音速研究也圍繞與俄羅斯的合作，這是“布拉莫斯”超音速反艦導彈的繼續，但M4-5的速度級略低於通常定義的高超音速，所以也有人把這定義為深超音速（high supersonic）而不是高超音速（hypersonic）。除了象徵性的技術轉移和合作生產，印度不僅缺乏高超音速的核心技術，也缺乏自主研發能力。歐盟的高超音速研究並未應為英國脱歐而停止，比較特別的是，這以歐盟-日本聯合研究為特點，重點是並無近期應用前景的高超音速客機。總的來説，第二梯隊的高超音速研究高度依賴於第一梯隊，而相對獨立的歐盟-日本的研究則缺乏進展。
第三梯隊包括巴西、加拿大、以色列、伊朗、新加坡、韓國、巴基斯坦等，但大多侷限於大學和科研機構的純學術研究，理論水平都有限，實用水平更加差強人意。
英法在高超聲速技術的研究集中在民用飛行器上，這基本上來説也就表明他們自己對研製成功的信心也就停留在嘴上
想象中的空客高超聲速客機
顯然，第二梯隊和第三梯隊都離實用化有可觀的距離，但缺乏反擴散措施的制約的話，即使不至於得到第一梯隊的技術援助直接跨越實用化門檻，也可能直接得到成品化的高超音速武器系統。一般認為，關上高超音速武器擴散的大門只有10年時間了。
顯然，任何高超音速武器軍備控制首先要在美國、俄羅斯和中國之間取得一致，但即使達成了三邊協議，高超音速武器的防擴散依然很困難，原因有很多：
1.科學不是巫術，世界上已經有很多大學、機構、公司投入了高超音速方面的研究，學術研究是無法禁止的
2.已經存在大量的、公開的高超音速的學術研究成果，這也是不可能再保密的
3.高超音速在本質上是可以軍民兩用的，民用高超音速研究和國際合作是無法禁止的
4.民用高超音速技術合作不一定可以直接轉為軍用，但畢竟大大降低了“圈外國家”軍用高超音速的准入門檻
5.自主的軍用高超音速研究也是無法禁止的，未加入協議的國家如法國和印度也可能成為擴散的來源
在內容方面，防止高超音速武器擴散的條約也費思量。禁止高超音速武器是不現實的，核武器和導彈武器就是前車之鑑。已經擁有待禁武器的國家算圈內人，要將尚不擁有待禁武器的門檻國家永遠擋在圈外，後者必然要求可觀的“贖買金”。在核擴散方面，有禁止核擴散條約（簡稱NPT）；在導彈技術禁止擴散方面，有導彈技術控制機制（簡稱MTCR）。NPT成員有權要求得到和平利用原子能方面的技術合作，MTCR成員有權要求得到和平開發空間方面的技術合作。
有一個思路是像禁止核試驗條約一樣，禁止高超音速武器試驗。這樣，至少在理論上，所有國家都將成為“圈外人”。但在美國、俄羅斯、中國都已經在武器化的門檻的時刻，要求三國禁止高超音速武器試驗和武器化幾乎是不可能的。
在三國之間促進互信也不解決問題，即使三國之間同意互相通報高超音速武器試驗和接受對研究、試驗設施的互相核查，依然對防止高超音速武器擴散沒有直接作用。
任何美國、俄羅斯和中國之間高超音速武器防擴散協議説白了就是美國説服俄羅斯和中國加入協議，但高超音速武器防擴散確實對俄羅斯和中國也是有利的。如果日本獲得高超音速武器，以東京為圓心，1000公里半徑還對中國（除圖們江出海口附近一小塊地方）沒有多大威脅，2000公里半徑內將覆蓋中國東北大部和北京到上海的東部沿海，3000公里半徑內則覆蓋西安到廣州以東的大部分經濟發達地區。對於印度來説，以新德里為圓心，1000公里半徑只對西藏部分地區有威脅，2000公里半徑內將覆蓋南疆、青海、川西到雲南的西部地區，3000公里半徑則可以覆蓋西安到南寧以西的半個中國。對於俄羅斯來説，如果波蘭獲得高超音速武器，以華沙為圓心的話，1000公里半徑還只覆蓋波羅的海、白俄羅斯到烏克蘭的邊境地區，2000公里則把科拉半島、莫斯科到高加索的俄羅斯最發達地區差不多一網打盡了，3000公里半徑則延伸到烏拉爾到中亞，除了遠東和部分西西伯利亞，俄羅斯連後方都不保了。以各個首都為圓心只是便於討論而已，實際部署的機動餘地很大，比如日本在沖繩部署1000公里射程的高超音速武器的話，從大連到上海的弧形都將在射程之內。
日本JAXA想象中的高超聲速客機
高超音速武器防擴散的最有希望的途徑是加固技術壁壘，利用高超音速的技術難度，從技術禁運入手，阻止擴散。
首先是熱防護難關。氣動生熱與速度、空氣密度、飛行器直徑和飛行時間有關。彈道導彈再入也有熱防護問題，但典型彈道導彈有至少80%的時間在大氣層外，除去在助推段的時間，真正有熱防護問題的只有幾十秒時間。再入彈頭多用大直徑的鈍頭，可以用激波導熱降低氣動生熱問題。
HGV與彈道導彈相反，尤其是再入後一直在大氣層內滑翔的HGV，至少有80%的時間在大氣層內飛行，有的HGV甚至在大氣層內釋放，全程在大氣層內飛行。HCM則肯定是全程在大氣層內飛行的。HGV和HCM的速度或許不及再入彈頭，但飛行時間要長得多，短則幾分鐘，長則幾十分鐘。在氣動外形上，HGV和HCM也不宜用鈍頭。鈍頭產生激波是用阻力換熱防護。再入彈頭無所謂阻力問題，但HGV和HCM就要考慮阻力問題了，通常採用更加扁平、尖鋭的外形，熱應力大大集中，加上長得多的飛行時間，熱防護挑戰要嚴峻得多。
高温環境還對光電視窗、雷達罩是嚴峻的考驗，高熱產生的飛行器周圍的等離子體還會影響通信和導航，這和飛船再入時的黑障是一個道理。
在飛控方面，高超音速的氣動應力和熱應力也使得飛行器結構發生扭曲和變形，扁平、尖鋭結構尤其容易受此影響，迫使飛控系統必須對結構形變自適應。也就是説，控制律必須對不斷變化的飛行器動態特性實時辨識、實時補償。如果採用熱蝕材料在揮發中散熱以達到熱防護，飛控還必須對表面的形狀、尺寸甚至平整度的改變進行自適應補償，在M5以上的超高速條件下，細微的氣動外形變化都帶來很大的氣動特性變化，傳統的固定控制律無法做到及時、精確的補償，容易造成失控。
HCM的超燃衝壓推進是世界性的前沿課題，需要用火箭和亞燃衝壓加速到M4.8，然後轉入超燃衝壓，進一步加速到M6以上。超燃衝壓的燃燒控制相當於在爆炸氣浪中點火。燃燒室內達到特高温，燃燒之間在毫秒級，碳氫燃料必須降解到簡單分子（如甲烷、乙烷、氫）才能可靠燃燒。這降解過程是吸熱的，正好用來為燃燒室降温。但為了控制降解過程，需要在燃料管路和燃燒室壁面塗覆催化劑。速度達到M8以上後，只有液氫才能可靠燃燒，並有效降温，但液氫的儲運和使用又是一大堆問題。
高超音速飛行器的設計還在摸索階段，現有理論很不完善，實驗手段更是有限。高超音速風洞不僅尺寸小、速度低，還有工作時間段的侷限，通常是秒級甚至亞秒級。自由飛試驗以火箭助推為主，在試驗時間、速度穩定性等方面都很侷限。超級計算機徒有計算速度，但缺乏實驗數據校驗的話，計算結果是非常不可靠的。
俄羅斯在莫斯科航展上展示的高超聲速驗證機，不過現在看俄羅斯的幾個高超聲速飛行器多在5馬赫左右，基本處於高超聲速的下限邊緣
高超音速研究還需要強大的經濟實力支撐，這也不是很多國家能輕易做到的，除非能得到第一梯隊的技術支援而抄近路。
由於技術和經濟壁壘，技術禁運可以有效地高超音速武器的擴散。美國提議分級禁運清單，一級禁運清單覆蓋軍用高超音速技術，針對M5以上、300公里以上的武器，包括：
1.完整的HGV
2.完整的HCM
3.HGV和HCM的彈頭技術（保險、引信、釋放等）
M5是高超音速的入門速度，300公里是MTCR的門檻射程。M5以下的速度雖高，但技術門檻在M5，難度躍變式上升。300公里是國際上普遍接受的進攻性武器射程門檻，用於高超音速武器防擴散正好方便。應該注意的是，射程規定對HCM更有用，對HGV不大好辦，因為HGV的射程由釋放速度、高度和航跡角決定，實際上無法限制。如果納入MTCR框架的話，HGV不能歸併到再入彈頭裏，因為HGV可能全程在大氣層內，算作再入彈頭就可以避開限制了。另一個問題是彈頭重量，MTCR規定500公斤以上的彈頭，但無彈頭的HGV和HCM可以用動能造成毀傷，必須堵上這個漏洞。
二級禁運清單針對雙重用途技術，同樣以M5為界，包括：
1.超燃衝壓
2.專用碳氫燃料
3.耐高温材料和熱防護
4.傳感器、導航、通信、制導
5.飛行控制
6.設計工具（包括高超音速飛行測試數據）
7.地面仿真和測試設施
這些條款要整合進MTCR並不難，甚至可算是自然擴充，問題是中國不是MTCR簽署國，現在也無意加入MTCR，儘管中國承諾遵守MTCR的規定。所以單純把高超音速武器防擴散加入MTCR是不夠的。俄羅斯是簽署國，但是在葉利欽時代簽署的。要是放在現在的美俄政治氣氛下，普京是否有意合作，簽署加入，就難説了。同理，要擴充MTCR不是美國説了算的，要簽約國都同意，俄羅斯未必會自動同意。要是高超音速武器防擴散協議獨立在MTCR之外，那還有與MTCR理清關係要的問題，還有法國、印度這樣的第二梯隊國家如何約束的問題。
美利堅在秀愛情，中俄會接這個繡球嗎？這是一個問題。
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