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軍事論壇

【軍事論壇】淺析極音速飛彈原理與發展現況

◎寧  博

 俄國於2018年3月率先公布KH-47M2「匕首」極音速反艦飛彈,這款由米格31戰機掛載,從空中發射飛彈速度可達音速10倍,令世界軍事專家驚訝。匕首飛彈與俄製9K720短程戰術彈道飛彈在外型與體積上很相似,但由米格31戰機進行發射,使其升限更高,而且射程更遠。今年8月中共也加入這場極音速武器軍備競賽,公布「星空-2號」乘波器極音速飛行器測試活動,藉由火箭發射升空,經過近10分鐘飛行,具有乘波器外型的航空器從火箭分離釋出自主飛行,以5.5至6馬赫的極音速,在3萬公尺高空飛行400秒以上,因已耗時3年研製,相當接近實用階段。日本防衛省防衛裝備廳亦將於2018至2025年間研製「高速滑翔彈」原型,擁有極音速飛行能力,射程約300至500公里並於2023至2025年展開測試,若一切順利,將能於2026年開始服役。

  極音速為5倍音速以上

  美國在2004年11月由NASA試驗極音速X-43A無人實驗機,由超音速燃燒衝壓噴射發動機推進,達到9.6倍音速的速度。不計入極音速在飛行時的高度,音速在海平面達每小時1235公里,臺北至美國休士頓的距離為12752公里,若是直飛的話,一般商用客機需要飛行15小時,可是10倍音速飛行的極音速飛行體僅需約1小時多即可抵達,由此可見極音速武器的優異。

 面對俄國與中共陸續開發成功極音速武器系統,美國空軍積極研發這此款空射式武器,可由2018年公布的2項飛彈合約得知,第1項是由洛馬公司在4月取得潛在總值為9.28億美元的合約,希望於24個月內,即在2019年終前,進行關鍵設計審查這款可由現有戰機/轟炸機之平台發射的極音速飛彈,並在2022年前具備初期運作能量。美國空軍接著在6月修正批准文件也提到了第2款極音速武器,但是細節已被刪除,這是空中發射的高速打擊武器(ARRW),編號AGM-183A,是由空中發射助推滑翔式導引飛彈,其實這是國防先進研究計畫局(DARPA)委託洛馬公司發展建造的戰術助推滑翔展示飛彈的延伸。HCSW是固態火箭推進GPS導引飛彈,而ARRW是由火箭推進的無動力極音速滑翔器,其射程定在500浬(926公里),洛馬公司臭鼬鼠工廠也將於2019年為DARPA飛行測試極音速空射武器概念飛彈,其射程約在300浬(555公里)。

  極音速的定義為飛行5倍音速或超過的速度,要達到此速度可以藉由火箭推進,但是火箭必須攜帶液態燃料與液態氧,或是固態燃料與氧化劑等的組合,要使飛行器飛行有效率或載更多酬載就必須利用大氣環境中的氧,因此推進器就須用超音速燃燒衝壓噴射發動機,內部相較於其他發動機類型,構型相當簡單,分為收斂進氣口、燃燒器與漸擴噴嘴等3大部分,從進氣口進入的氣流經收斂形狀減速增壓後仍為超音速,經燃燒器噴入燃料燃燒後,透過漸擴噴嘴膨脹加速後產生推力,達到極音速飛行。

  X-15實驗機1954年極音速飛行

 超音速燃燒衝壓噴射發動機是由衝壓噴射發動機延伸而來,不同於前者,衝壓噴射發動機運用的衝壓進氣,其速度是降低至非超音速領域。這2款發動機也都具有相同的先天運作條件,亦即都需要初始速度方能產生衝壓運作,因此2款發動機都須整合輔助火箭或是其他發動機,先啟動輔助發動機飛行至超音速領域,方能達到初始運作條件。

 衝壓噴射發動機是在1913年由法國人洛林提出的概念,也是法國首先在1949年實際飛行測試立達克系列衝壓噴射飛機,蘇聯則是在1967年首先部署SA-4遠程中高空地對空飛彈系統,這是第1種衝壓發動機推進飛彈的實戰部署系統。1950年代冷戰期間美蘇雙方都積極發展超音速燃燒衝壓噴射發動機,美國在1954年首先投入極音速研究用發動機計畫,利用X-15實驗機進行飛行試驗,飛行速度達到6.7倍音速。美國海軍從1962年開始的超音速燃燒衝壓噴射發動機飛彈計畫,測試發動機相關技術,包括進氣口、阻絕器、液態燃料、引燃器和燃燒室等,此項計畫成功展示超音速燃燒衝壓噴射發動機,也為極音速廣泛區域防衛飛彈計畫奠定基礎。計畫是設計出具有雙層燃燒室的衝壓噴射飛彈,除發動機的開發,也研究控制、材料、氣動力、導引與系統整合等,其相當成功的概念與資料仍應用於發展其他攻擊武器。

 催生美國全球快速打擊計畫

  下一階段的極音速飛行器研製是將超音速燃燒衝壓噴射發動機與機體合體,在1985至1994年期間美國的國家航空太空飛機計畫採用簡潔的二維發動機造型,發動機位於震波之後方,亦即發動機所需的衝壓即藉著機體壓縮而來。此計畫結束後緊接著Hyper-X計畫,目的是測試無人實驗機X-43A。實驗機是藉由飛馬式火箭推進,由B-52轟炸機掛載至27430公尺高空發射,發動機運作10秒後,進入滑翔階段返回太平洋海面,兩次成功測試飛行,在2004年寫下最高速度9.6倍音速紀錄。為能展示超音速燃燒衝壓噴射發動機、JP-7吸熱式燃油以及舉升體式乘波器,美國空軍於翌年投入研製X-51實驗機,類似空射飛彈大小,重量達1814公斤,飛行測試由B-52攜帶飛至15240公尺高空,以陸軍戰術飛彈的固態火箭助推器推進至4.5倍音速,再啟動超音速燃燒衝壓噴射發動機,飛行至21340公尺高空,在2012年達到6倍音速持續飛行5分鐘的紀錄。另一方面美國陸軍也在2011年11月成功測試先進極音速武器,測試是以北極星飛彈第1與第2節火箭加上固態火箭輔助推進,最後釋出極音速滑翔體,角錐體外型並具有控制用小翼,在測試長程大氣環境飛行能力與展示極音速助推滑翔技術,整個設計在35分鐘飛行,射程6000公里,達到低於10公尺誤差的準確性,而整體計畫是美國全球快速打擊計畫之一環。

 彈體設計具優越氣動特性

  當極音速飛行器達到極音速時,彈體周邊會產生震波,從其尖端或前緣向後一直延伸四周,若是尖端會在其後方形成三維的錐形震波,若是前緣則會沿著機翼形成弓形震波。為達到高效率的飛行,極音速的彈體氣動外形需與所設計的飛行速度相結合,也就是飛行時其外形前緣與所形成的震波面重合,彈體下方是沿著從前緣到後緣的震波流線而設計,使其可以運用震波的壓力產生向上的升力;彈體上方也是依據所設計的飛行速度領域,稍加擴增表面,使其可以提供額外的升力,此一氣動外形的彈體就如同騎乘於震波的表面,因而有乘波器之名,受到極音速壓縮,彈體下方的壓力高於上方,使得彈體可以設計在最大的升力阻力比或是最小的阻力。

  由於彈體兩外側也是貼於錐形震波,因此不同於一般非極音速飛行的航空器,下方的氣流不會因彈體有限尺寸而有溢流回到上方的現象,受到震波壓縮的氣流可以導引進氣,進行超音速燃燒衝壓噴射推動飛彈乘波飛行,獲得優越的氣動特性,這也是為何極音速飛彈可以取得比一般火箭推進更佳的飛行性能之故。

(作者為僑光大學助理教授)

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