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国产版F22,擅长“打水漂”的东风-17,为何让美国反导系统失效?

2022-09-16 07:11:35


东风-17使用乘波体弹头和普通弹头对比对导弹拦截的前提是提前预判其飞行轨迹,而东风-17在大气层内的飞行轨迹是非常不稳定的,宏观上虽然有明显的“一上一下”特征,但就拦截时的微观状态来说,仍然处于无序的状态,美国甚至全球现役反导系统,能预判东


2019年10月1日的阅兵式上,东风-17高超音速导弹横空出世,这是继东风-26、东风-21D反舰弹道导弹之外,又一款划时代的国产武器。凭借前所未见的酷炫外形,东风-17吸引了外界的极大关注,但官方讳莫如深,为数不多的信息也只是提及“钱学森弹道”、“打水漂”、“让美国现有导弹防御系统失效”等几个模糊的标签,外界无法对其形成准确的判断。在两年之后的今天,东风-17的技术敏感性已经大幅下降,国内关于其性能的文章也频现报端,使得外界能够较为全面的一睹东风-17的犀利风采。

东风-17的登场非常震撼


在东风-17的诸多亮点之中,被提及最多的恐怕就是采用了“钱学森弹道”。这项由天才空气动力学家钱学森提出的飞行器轨迹,按照官方的描述也就是:将弹道导弹和飞航导弹的轨迹融合在一起,使之既具有弹道导弹的突防能力,又有飞航导弹的灵活性。显然,这种描述过于模糊,相信很多人看过后仍然是一脸懵的状态。想要真正了解“钱学森弹道”,还要从东风-17的具体飞行轨迹来看。

弹道导弹的飞行轨迹可分为三个阶段


一般来说,弹道导弹的飞行轨迹分为三个阶段,即主动段、自由飞行段和再入段。其中,主动段是弹道导弹依靠火箭发动机上升至大气层外的阶段,自由飞行段则是弹道导弹在大气层外长时间飞行并抵达目标地点附近的阶段,最后的再入段是再次进入大气层直至命中目标的阶段。整个飞行轨迹的特点是,中间的自由飞行段时间很长,一般来说,会占导弹飞行全程70%甚至更多的时间。

比较起来,采用“钱学森弹道”的东风-17,其轨迹就截然不同。虽然拥有弹道导弹的主动段,但在大气层之外的飞行时间非常短暂,只占总时间的不到20%,在这之后就迅速进入大气层。由于大气层不同高度的密度不同,导致东风-17的飞行环境很不稳定,再加上东风-17使用的乘波体弹头,使得其飞行姿态非常难以捉摸,这也就是“打水漂”动作的由来。

“打水漂”简单示意图


所谓“打水漂”,是指在东风-17再入大气层后,利用速度和气动效能形成不对称压力,以及乘波体的气动特点,使得飞行器在垂直面上进行曲面跳跃;期间,飞行器通过拉高降速、俯冲减速的变速度方式,充分利用大气压力效应,实现在垂直面上逐步缩小曲线幅度的跳跃、滑翔飞行。从宏观上来看,飞行轨迹就是“一上一下”的“波浪式”前进,并且幅度逐步减小的飞行姿态,在外形上非常类似打水漂游戏,因此被形象的称为“打水漂”。

凭借优秀的气动设计,东风-17“打水漂”飞行的时间较长,飞行路径也很远,由于“打水漂”时,东风-17所处的空中气动环境非常复杂,电磁、红外特征非常不稳定,因此气动控制的难度非常大。而东风-17之所以设计得这么复杂,就是为了最终目标,即突破对方导弹防御系统的拦截。

东风-17的乘波体弹头


现代反导系统型号繁多,比如说美国目前就由爱国者-3、萨德(末端高空区域防御体系)、海基“宙斯盾”标准-3、陆基中段反导系统等,构成了弹道导弹防御体系。虽然这些防御系统的射程、高度和针对弹种不同,但设计思路是基本一致的,其反导过程可以大致分为三个阶段,即信息侦查、预判目标轨迹并引导拦截导弹飞往目标、最终拦截目标。其中侦察阶段是后两者的前提,也是目前世界各大国努力攻坚的方向,由于弹道导弹的红外和电磁信号特征非常明显,因此,这一领域的重点是规模累积,不存在太高的技术难度,困难的在后两个阶段。

在国内热度很高的萨德反导系统


预判来袭导弹轨迹,听起来就不是简单的事情,事实上也确实很难。弹道导弹,尤其是远程或洲际弹道导弹的飞行速度极快,在大气层外飞行时,速度达到12甚至14马赫是家常便饭。反导系统拦截时,两者相对速度往往已经超过2000米每秒,必须以毫秒为单位预判来袭导弹轨迹,同时将拦截导弹的姿态轨迹控制到分秒不差,既不能快,也不能慢,才能将拦截导弹精准引导到交汇点。而在美国“萨德”等反导系统公布的多次试验图片中,均有导弹飞起后在半空“转圈”的尾迹,就是利用弹道设计,在初始阶段就主动控制燃料消耗和导弹速度,常见的“转圈”尾迹,其实是导弹以大迎角盘旋动作,主动消耗超过理想弹道要求的火箭燃料。但即使拦截导弹能成功抵达目标点,距离成功拦截也还有一段距离。

萨德发射时的明显尾迹


任何导弹在飞行过程中,必然会出现一定偏差,只不过是程度不同。而在精度要求极高的反导作战中,对偏差的容忍度非常低,因此,拦截导弹会在最后飞行阶段进行姿态微调,以保证精确拦截,而具体微调到什么级别,取决于导弹的拦截方式。一般来说,反导拦截有爆炸摧毁和动能摧毁两种方式。所谓爆炸摧毁,就是像空空导弹击落战斗机一样,通过搭载的战斗部摧毁来袭导弹,但这种方式在拦截弹道导弹时,有比较大的局限性。由于拦截导弹的体积较小,爆炸战斗部杀伤力有限,很容易出现无法彻底摧毁来袭导弹的情况。

美国陆基中段拦截弹NMD及其直接动能拦截器


事实上,美国在海湾战争中,使用爱国者防空导弹拦截伊拉克飞毛腿导弹时,就多次出现仅破坏飞毛腿导弹动力舱段,其战斗部却未能摧毁的情况。倘若拦截目标是搭载核弹头的弹道导弹时,这种结果显然会带来严重后果。更何况,爆炸拦截意味着要将近炸引信的灵敏度和起爆精度提高到毫秒级别,难度非常高。所以,目前国际上主流的拦截方式,是采用动能拦截,即拦截导弹直接命中来袭导弹,凭借动能摧毁的方式。而这种方式对拦截导弹的精度要求极高,必须准确命中目标才行。目前,美国反导系统基本上都是采用动能拦截的方式,而之所以说东风-17是目前美国反导系统基本无法拦截的原因,也就在于此。

被击落后战斗部基本完好的飞毛腿导弹


一般来说,反导系统主要是在弹道导弹的大气层外飞行阶段进行拦截,在这一阶段,弹道导弹的飞行姿态稳定,信号特征明显,反导系统可以精准预测飞行轨迹,在迎面拦截时,往往是两条直线的交集,这种情况的难度还可以接受。在美国反导系统的多次测试,都采取了这种中段拦截方式,效果也比较理想。但在拦截东风-17时,这种方式是无效的。因为东风-17的中段飞行时间很短,无论空间距离还是反应时间,均不足以支持反导系统拦截,而等到东风-17中段飞行结束,重返大气层之后,其拦截的难度就更大了。

东风-17使用乘波体弹头和普通弹头对比


对导弹拦截的前提是提前预判其飞行轨迹,而东风-17在大气层内的飞行轨迹是非常不稳定的,宏观上虽然有明显的“一上一下”特征,但就拦截时的微观状态来说,仍然处于无序的状态,美国甚至全球现役反导系统,能预判东风-17飞行轨迹的可能性微乎其微。当然,东风-17的这种飞行轨迹,并不是说永远完全不可预判的,理论上来说,只要对乘波体弹头在大气层内的飞行模拟足够多,在实战中有超级计算机提供支持,实际上也是可以实现预判轨迹并拦截的能力,但这是至少5年甚至10年之后的事情,目前美国现役反导系统在缺乏模拟数据的情况下,并没有这项能力。因此,在东风-17的“打水漂”滑翔阶段,美国现役反导系统基本上无计可施。唯一有可能拦截东风-17的阶段,是在“打水漂”基本结束,飞行趋于稳定,即将命中目标的阶段。

想摸透东风-17的乘波体弹头性能,需要大量模拟和试验


在这一阶段,东风-17“打水漂”机动基本不复存在,速度也降至4到5马赫左右,虽然拦截的时间窗口非常狭小,但确实在理论上具备拦截的可能,对于美国反导系统而言,这已经是最后的希望,虽然这个希望还是微乎其微。一般来说,在讨论反导拦截时,最容易被提及的要素就是速度,因为速度本身确实是突破拦截的第一要素,但需要明确的是,速度本身并没有绝对的意义。举个例子,飞行速度超过10马赫的洲际弹道导弹,在大气层外飞行时,仍然可以被有效拦截;而东风-17在“打水漂”的滑翔阶段,其速度不太可能超过10马赫,但目前却是无法拦截的状态。根本原因在于,东风-17除了速度之外,还有“打水漂”的不可预测性,换句话说,就是机动性。

洲际导弹中段飞行时姿态比较稳定


拦截机动性较差的目标时,是由点到线的拦截,运算过程相对简单,但当导弹将速度与机动性相结合后,情况就变得极其复杂,拦截由点、线的二维变成了空间三维。想要拦截高速高机动性目标,拦截导弹必须具备可控的末端高机动能力,拦截导弹也需要保留一定的燃料以支持高机动消耗。这与目前美国各型反导导弹,在飞行初始阶段就调整姿态、消耗燃料的做法是截然不同的,两者的设计思路完全是颠覆性地变化。梳理了整个过程,就能明白为什么东风-17是美国现役反导拦截系统无法拦截的存在,甚至是凭一己之力颠覆目前全球反导拦截系统的根本原因。因为东风-17将导弹的高速变成了高速与高机动的叠加,将拦截空间从二维变成了三维,使得全球基于二维拦截的反导系统在一夜之间过时。举个例子,上一个取得类似突破的,是美国F-22隐身战斗机。

F-22也是一款划时代武器


F-22自诞生之初就提出了4S标准,除了隐身及高性能航电之外,超音速性能和超机动性都不是第一次提出。比如美国SR-71高空侦察机,能飞出超过3马赫的高速,至于以机动性好著称的飞机,更是数不胜数。但在F-22现身之前,没有飞机能够将这两者联合在一起,SR-71在高速飞行状态下,机动性非常差,转弯半径达数十千米,因此当前的地空导弹或远程空空导弹,拦截SR-71的难度并不算太大。但F-22就截然不同,虽然其最大速度只有2.25马赫,但将超机动性和超音速飞行能力结合在一起之后,却可以大大压缩空空导弹的有效拦截距离。现役中距空空导弹确实具备超过20G的机动能力,但这种剧烈机动的前提是消耗大量燃料,而对于空空导弹而言,燃料就意味着射程。

SR-71速度虽快但机动较差


从理论上来说,当一架战斗机以1.5马赫、3G过载飞行时,任何空空导弹都不太可能在50千米外对其造成威胁,因为当空空导弹飞过50千米距离后,战斗机在此期间机动的距离,已经超过空空导弹剩余燃料足以支持的高机动飞行范围;倘若战斗机将过载进一步提高到6G,那么空空导弹的有效杀伤距离将被压缩到不足30千米,而东风-17难以拦截的道理是类似的。随便说一句,像F-22、歼-20这种真正的重型隐身战斗机,再加上隐身和高性能航电之后,各项能力叠加后达到的综合能力是非常恐怖的,非隐身战斗机即使搭载远程空空导弹,也很难具备一战的实力,因为这是本质上的差距。

将4S性能结合在一起的歼-20性能非常恐怖


更有趣的是,在美国F-22诞生后,各国发现很难通过升级防空系统对其拦截。因此,各国纷纷开发隐身战斗机与之抗衡,这也是国产歼-20隐身战斗机迅速诞生并大规模服役的原因所在。在国产东风-17披露后,美国也面临反导系统短期内无法拦截的窘况,最终同样选择在高超音速导弹领域加大资源投入,以期达到“既然无法拦截,那就互相伤害”的状态。而最有意思的是,美国近两年来的高超音速导弹项目在测试中屡屡失败,尽管没有人否认美国在该领域的技术积累雄厚,甚至早就制造出X-51A这种乘波体技术验证机,但从技术积累到真正应用,仍然有相当多的问题需要去解决,从目前来看,这个时间节点恐怕要到2025年以后。

屡屡失败的美国高超音速导弹(图为AGM-183A)


当年,美国在服役F-22之后,面临的是“纵横天下无敌手”的大好局面,在这种情况下,美国故步自封,错误判断局势,最终推出了F-35这款降低机动性和超音速飞行性能,但造价明显降低,并且可以兼顾多兵种以及盟友需求的型号,以至于在歼-20隐身战斗机诞生之后,美国在隐身战斗机领域的优势迅速缩水,颇有一番江河日下的味道。这对于我国来说,当然是好事,但也要引以为戒。目前,东风-17也面临与当年F-22那样“一览众山小”的局面,万万学不得美国当年故步自封、骄傲自满的心态,待到美国推出美国版东风-17,而我们不能推陈出新,否则好不容易获得的优势就很难保持,那样就太可惜了。

美军陆基中长程高超声速导弹OPfires也遭遇失败


当然,世界上并没有完美的武器,在罗列了东风-17最大的优点之后,我们也要看到东风-17最明显的不足,那就是射程。弹道导弹之所以长时间在大气层外飞行,就是为了保证数千甚至上万公里的射程。而东风-17本身的中段飞行时间很短,其“打水漂”的滑翔阶段虽然机动性很强,难以被拦截,但也意味着动能消耗很大。因此,即使以最乐观的态度估计,其射程也只能达到1800到2000公里,悲观估计只有1400到1500公里。这个射程够用,也不够用。说够用,是因为对于目前国内需求来说,即使以1500公里射程计算,也足以覆盖美国在周围的大部分军事基地。说不够用,是因为这个射程完全不足以辐射到美国第二岛链上的军事基地。因此,进一步发掘东风-17的潜力就是下阶段的关键所在。

相比于东风-26,东风-17的射程要小很多


从理论上来说,既然中段飞行可以增加射程,那么东风-17只要将中段飞行时间加长,射程就能有明显提高。当然,这样一来被拦截的概率也会明显增加,如何权衡就要看国内研发单位如何判断双方局势及技术状态。但这毕竟是治标不治本的办法,如果能将东风-17的载具变成大型军舰或者核潜艇,那么凭借在海上活动平台的大续航能力,其射程不足的局面就会彻底改变。当然,这种改进的难度也非常大,无论是海上颠簸的发射环境,还是安置东风-17的庞大身躯,都会是前所未有的挑战。

大型军舰与东风-17的结合值得期待


无论如何,东风-17作为将高速与机动性充分结合的划时代武器,其战略意义完全不在东风-26、东风-21D反舰弹道导弹之下,其对于某些势力的威慑,以及为国家战略安全做出的贡献是不可估量的。横空出世的东风-17,注定会因其开创性的成就载入国产武器的精英榜。