作者：武备君
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前言
笔者在之前的中导系列文章中曾提到俄最高机密之一的“先锋”（Авангард）高超音速武器系统，俄媒称之为“六大振国级武器之一”，那么本篇就详解这型武器，而这型武器其实已经超越的中导范畴。中导系列文章每周四发布，预计发布五篇。
第一讲链接：
人类毁灭边缘与封印潘多拉魔盒 古巴导弹危机与《中导条约》建立
第二讲链接：
《中导条约》难掩分歧 很早就已名存实亡 全球导弹竞赛无法避免
第三讲链接：
弹道导弹再入大气及乘波滑翔基本概念
近年来，可携带高超音速弹头的弹道导弹在网络上被热议，但能够说明白的乏善可陈，我们首先要了解一些基础知识。
①“高超音速弹道导弹”的叫法并不严谨
弹道导弹的弹头部在空气动力学领域叫“再入大气层飞行体”（或“大气再入飞行体”），依据不同射程与推力的火箭给予弹头的加速动能和惯性动能，再入大气层时速度可以达到13-20音速（马赫数13-20）左右。高超音速飞行器是一个大概念，国际航空航天与空气动力学领域将5-10倍音速的飞行速度定义为“高超音速”（Hypersonic），在这个大概念当中包括大气层内飞行的导弹（大气层内直线飞行的导弹）、再入大气层的航天飞行器、高超音速无人机、载人机等。因为弹道导弹的弹头部再入大气层时都可以达到13-20音速，所以本身就已经超过了高超音速范围，而是属于“超高超音速”（High-Hypersonic）。
▲术语注解
结合各项学术理论与相关技术的发展，人们将再入大气层飞行器的外形进行修正，改进耐热材料，使其速度更快。成为在大气层内利用激波效应滑翔的乘波体，如俄罗斯“先锋”的再入大气层速度是27倍音速。它的速度已经超过“超高超音速”范畴。目前国际航空航天与空气动力学领域还没有统一定义超过25倍音速的专业术语。
②火箭助推再入大气弹道
“打水漂”是流体力学，流体力学的一些学术理论与空气动力学相通，但用这个解释再入大气层的滑翔飞行器并不准确。国际航空航天与空气动力学领域也没有“桑格尔弹道”与“钱学森弹道”这个正式的规定名称，这个说法只是来自于中国民间和网络，相关院校教材也没有这个学术定名。
▲桑格尔夫妇
20世纪30年代，欧根·桑格尔（Eugen Sanger）与妻子艾琳·桑格尔（Irene Sanger）为纳粹德国设计“银鸟”（英文：silver bird，德文：Silbervogel）火箭助推再入大气层飞行器，当时定义为“火箭轰炸机”（德文：Raketenbomber），其利用600吨推力的传统火箭动力推送飞行器至145公里高度的热层。飞行器还自带100吨推力火箭动力系统，回降到平流层时利用反弹力进行跳跃，保持平流层外继续飞行，这样空气阻力小，可以有效提高“银鸟”的航程。这种滑翔增程方式的标准名称为“skip reentry”，即“跳跃-再入”。
▲“银鸟” 图解
▲1936年欧根·桑格尔，“再入-跳跃”理论的示意图
二战后，加州理工（原麻省理工）的钱学森博士提出了从纽约到巴黎最好的方法，可以用火箭将飞行器送至亚轨道，不依靠在气界层之间的跳跃增加航程。飞行器加装助推动力，再入大气层后可长时间在大气层内助推滑翔，从而解决航程与动能的问题。这种方式称为“Reentry-Glide”，即“再入-滑翔”。 钱学森当时的构想是用于民航领域，作为学术性理论公开发表的。
▲这是一张著名的钱学森讲解纽约到巴黎“再入-滑翔”理论的照片，我在图上做了注解，当时讲的可不是炸巴黎，也没涉及军事领域
“跳跃-再入”和“再入-滑翔”都是基于“助推-滑翔”（Boost-glide）理论基础的延伸，国内网络将“助推-滑翔”直接称作“钱学森弹道”非常不严谨，其理论形成源自于德国炮兵。二战时德国炮兵发现了射高与射界的关系，炮弹在空气稀薄的高空坠下时，弹道明显加长，后来德国科学家发现高抛物线弹道下气动升力造成炮弹飞行攻角，并完善了计算方法。计算方法反过来又促进了德国炮兵的实战技术，德国人最终将“助推-滑翔”理论完善并用于V-2导弹，V-2导弹也被世界公认为人类弹道导弹开山鼻祖。弹道导弹轨迹分为三个阶段，“主动上升段”（OK）、“大气层外再入段”（EC）、“自由落体段”（KE）。桑格尔夫妇的“跳跃-再入”主要研究的是“大气层外再入段”，主要目的是增程。钱学森的“再入-滑翔”主要研究的是“自由落体段”，属于非现行力学控制，大气层内飞行加入助推动力，主要目的是化繁为简。其最初目的是用于民航领域，飞行器不用载着乘客跳来跳去。坐过飞机的人可以试想一下，飞机要是忽上忽下，人会舒服吗？而“跳跃-再入”的优势在于航程，因为其能够保持较长的“大气层外再入段”飞行，空气阻力小，但弹道导弹在“主动上升段”和“大气层外再入段”都容易被拦截。“跳跃-再入”与“再入-滑翔”不是平行对立的两种理论，是基于不同飞行段的研究，所以可以综合灵活运用。
⑤激波与乘波
物体在超音速运动中，与气体介质摩擦后，气体的温度和密度发生变化，从而造成气体膨胀形成激波，也称冲击波。反之，高速飞行的物体受到压缩力。物体速度突破音障时，产生的激波到达一个临界点，从而造成音爆。激波对于超音速飞行体造成的高温、压力和阻力，是超音速物体需要克服的巨大难点。
▲ “依阿华”号战列舰（USS Iowa BB-61）50倍径406毫米主炮发射炮弹时产生的激波，造成了海平面上一道壮观的弧坑
▲利用纹影摄影技术拍摄的平直翼（左）与45°后掠翼（右）在风洞中模拟1.2马赫时的激波效应
▲2019年美国国家航空航天局（NASA）利用百万像素级彩色纹影技术拍摄的两架T-38教练机编队在超音速飞行时产生的激波效应
▲物体在达到5马赫高超音速时的激波效应数据模型
物体在大气层内高超音速飞行时受激波的压缩力影响，阻力陡然升高。而采用耐压耐高温材料与修正气动布局等技术，将压缩力转化为升力，使物体乘波飞行，大大提了飞行效率，故而称之为“乘波体”（Waverider）。最终会形成上跃飞行轨迹，但它不是利用物体由低密度介质行进至高密度介质时的反弹升力。
⑥乘波体弹道优势
▲笔者绘制的各种弹道的图解，这样一目了然
前面已经对“跳跃-再入”和“再入-滑翔”的优缺点进行了说明，这里不再重复。 “再入-滑翔”弹道用于弹道导弹领域，早期多为基于钱学森理论的稳平滑行。后来为了增加反导拦截难度，通过小型翼面控制改变气流方向，从而达到机动变轨。目前为了提高速度，又将乘波体理论实用化。这类飞行器都将超过20马赫，不同于计算大气层内外两种密度介质的方程式，大气层内各高度的空气密度不同，激波效应所产生的升力也不同，飞行体在各节点上的加速动能也是无法确定，所以其在大气层内跳跃的高度、距离、速度变化都非常难计算。若加之可控的垂直与水平翼面，计算起来更是难上加难，所以再入大气层乘波体飞行器不仅仅因为速度快而受追捧。如果没有预定的方程式输入在反导系统的计算机内，那么计算机也难知道落点的具体位置。更无奈的是，即便我知道你的目标就是我的反导雷达，但计算机对飞行轨迹不确定，也是无法拦截。高超音速乘波体的最大威力并不是无法确定落点，而是我也许能猜到你打哪里，但我却不知道你怎么飞。
俄罗斯“先锋”再入大气飞行器
①苏联航空航天的巅峰，险些搁浅的项目最终获得成功
立项可追溯到上个世纪80年代中期，苏联当时验证了多种形状的飞行器，已经获得了大量数据建模。当时计划采用飞翼式弹头，设计目的为突破美国反导防御系统，机密代号“4202”。由位于莫斯科罗伊托夫（Реутов）的苏联机械工程科学与生产协会（Научно-производственное объединение машиностроения）负责，项目负责人为帕维尔·谢尔久科夫（Павел Судюков）。1987年获得正式代号“信天翁”（«Альбатрос»），1989年因苏联解体前经济不景气，国防部与火箭军打算搁置这个项目，但项目团队说服了军方和政府。为了节省开支，项目团队以UR-100N UTTH（УР-100Н УТТХ，RS-18B，北约代号：SS-19Ⅱ型Stiletto，译为“短剑2”）洲际弹道导弹的火箭弹体进行搭载试验，不再设计新火箭弹体。
▲UR-100N UTTH弹体，其为UR-100N（PC-18A，SS-19 Ⅰ型，“短剑Ⅰ”）的改进型
1990年，苏联以UR-100N UTTH为弹体携带新型飞翼式战斗部，进行了两次发射实验。随着苏联的解体，新弹头并未定型。2001年美国考虑退出《反导条约》，作为回应，2004年2月俄火箭军参谋总长尤里·巴卢耶夫斯基（Юрий Николаевич）宣布，测试发射某型高超音速航天器成功。西方根据观测数据猜测此次试验为区别于“4202”的15IU70弹头，主要用于验证超高音速下的机动变轨能力。
▲试验型15IU70战斗部
2005年9月《共青团真理报》刊发普京讲话：“我们正在开发新型战略威慑综合体，这是迄今世界上没有的。它以高超音速运作，可改变航向和高度，不受导弹防御系统的影响。”2011年12月，一枚UR-100N UTTH携带“4202”测试发射成功。2013至2016年，俄火箭军先后进行类似发射测试共计4次，包含“4202”、 15IU70、IU71三种不同型号的弹头，其中IU71被猜测为一种分导式弹头。2018年3月1日，全世界在俄《新闻24》电视中看到普京在致联邦议会的贺词中确认新型航天飞行器定名为“先锋”，并首次公布相关画面。
▲俄方公布的画面
此后，项目总设计师赫伯特·亚历山德罗维奇·耶弗里蒙弗（Герберт Александрович Ефремов）接连获得“俄罗斯联邦政府奖”、“俄罗斯联邦劳动英雄”等多项殊荣。
▲普京与航天火箭科学家耶弗里蒙弗
2018年12月26日，普京在国防部管控中心观看奥伦堡（Оренбургская область）多巴罗夫斯克区（Домбаровский район）库拉（Кура）发射场试射实况，随后宣布2019年12月29日起，驻守在奥伦堡地区的火箭军第13战略导弹师率先部署两套该导弹系统，俄各大媒体都予以了相关报道。
▲俄总统办公室发布的视频画面
▲塔斯社关于实战部署的报道
②“先锋”的技术特性
就像普京所说，“先锋”是一套综合系统。目前可以确定由早期“4202”发展而来的弹头配备于UR-100N UTTKh，该型导弹为UR-100N UTTH的固体推进改进版，一些资料也仍称作UR-100N UTTH；IU71计划装备在RS-28“萨尔马特”（РС-28 «Сармат»，北约：SS-X-30）洲际弹道导弹上；15IU70计划装备在RS-26 “边界”（РС-26 «Рубеж»，北约：SS-X-31）中程弹道导弹上。受俄罗斯国防预算削减影响，“边界-先锋”的服役计划被推迟到2027年以后。目前优先批量服役的是“UR-100N UTTKh-先锋”洲际弹道导弹，固定井舱发射，所携带的“先锋”是单体弹头，战斗部最大为200万吨TNT当量（2Mt）核弹。射程10000公里，弹头再入大气层后最大速度为27倍音速。
▲“UR-100N UTTKh-先锋”运输车进行井舱装填
▲俄国防部2018年12月26日发布的发射画面
UR-100N UTTKh为三级推进火箭，第一级火箭
用于大气层内爬升，第二级火箭大约在平流层脱离点火，第三级火箭自带一个整流罩，在亚轨道打开整流罩释放“先锋”弹头。
▲俄国防部发布
▲俄罗斯电视1台公布的“先锋”
“先锋”的上剖面
“先锋”的弹体底部
▲“先锋”的火箭助推尾喷口
“先锋”总长5.4米，外形像竖切的圆锥体，升力主翼与弹体融合成飞翼式结构，底部是没有弧度的平面。目前俄方并没有说此型武器是乘波体，单从形状结构上看，具备一定的在大气层内飞行时将激波转化为升力的气动外形。但从俄国防部公布的视频看，其采用的是“跳跃-再入”弹道，并没有权威和实质性资料说明其在再入大气后可采用跳跃滑翔弹道。弹体尾部上方配有全动双垂尾，用于方向变轨。由于速度超快，其再入大气层时要能承受超高温，表面材质采用复合材料，可承受1600-2000摄氏度温度。
▲从俄国防部视频中看，“先锋”采用“再入-跳跃”弹道
▲俄国防部视频演示“先锋”的机动能力，可以躲过海上和陆上反导系统
③俄罗斯的战略目的
目前再入大气高超音飞行器的军事应用有两个方面。一是采用常规战斗部的中程弹道导弹，用于摧毁抵近部署反导预警雷达，如针对“萨德”系统的AN/TPY-2型X波段固体有源多功能相控阵雷达实施突袭。雷达摧毁后就无法进行导弹预警，从而进攻方再发射多枚洲际弹道导弹打击远方的敌人；另一种是直接用于发展洲际弹道导弹，携带核战斗部。虽然会被监测到，但依靠极强突防能力，直接“掀桌子”进入核战争，没有回旋余地。
▲UR-100N UTTKh所携带的“先锋”弹头说明
显然俄罗斯在资金不充裕的情况下选择了后者，而后者的技术起点相对而言非常高。乘波体飞行器的配重问题是难点，它的形状很容易造成“头轻脚重”。飞行器的中间是核战斗部，头部是耐高温陶瓷和复合材料，里面全是配重块。尾部是燃料罐、液氧罐和火箭推进系统。如果为了配重而整体增重，势必影响飞行速度，这需要极强的核战斗部小型化能力。俄罗斯根据现有人类反导技术推算，制定的技术指标是要达到25倍音速以上，但直到2014年都未能达标。当年在普京主持的国防部会议上，高层因多年投入耗资巨大，曾讨论终止此计划。争论不休的时候，普京最终问耶弗里蒙弗：“你到底有没有把握成功”。他回答到：“请再给我一次机会，我一定不会让大家失望”。而在此后的试验中，“先锋”突破了这个指标。据称俄罗斯延续这个苏联时代的项目，耗尽数百亿卢布。2020年起，达成各战略导弹师实战部署UR-100N UTTKh还要花费100亿卢布。第二阶段还要达成RS-28“萨尔马特”洲际弹道导弹的新弹头实战部署，相关分导版弹头试验还会继续，2027年后开启第三阶段RS-26“边界”中程弹道导弹项目推进。“UR-100N UTTKh-先锋”的服役大大提高了俄火箭军的战略核武器突防能力，就像它的名字一样，是俄罗斯的核战“先锋”。追求在核战爆发的第一时间，给予对手极难防御的毁灭性打击。
