作者：武備君
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前言
筆者在之前的中導系列文章中曾提到俄最高機密之一的“先鋒”（Авангард）高超音速武器系統，俄媒稱之為“六大振國級武器之一”，那麼本篇就詳解這型武器，而這型武器其實已經超越的中導範疇。中導系列文章每週四發佈，預計發佈五篇。
第一講鏈接：
人類毀滅邊緣與封印潘多拉魔盒 古巴導彈危機與《中導條約》建立
第二講鏈接：
《中導條約》難掩分歧 很早就已名存實亡 全球導彈競賽無法避免
第三講鏈接：
彈道導彈再入大氣及乘波滑翔基本概念
近年來，可攜帶高超音速彈頭的彈道導彈在網絡上被熱議，但能夠說明白的乏善可陳，我們首先要了解一些基礎知識。
①“高超音速彈道導彈”的叫法並不嚴謹
彈道導彈的彈頭部在空氣動力學領域叫“再入大氣層飛行體”（或“大氣再入飛行體”），依據不同射程與推力的火箭給予彈頭的加速動能和慣性動能，再入大氣層時速度可以達到13-20音速（馬赫數13-20）左右。高超音速飛行器是一個大概念，國際航空航天與空氣動力學領域將5-10倍音速的飛行速度定義為“高超音速”（Hypersonic），在這個大概念當中包括大氣層內飛行的導彈（大氣層內直線飛行的導彈）、再入大氣層的航天飛行器、高超音速無人機、載人機等。因為彈道導彈的彈頭部再入大氣層時都可以達到13-20音速，所以本身就已經超過了高超音速範圍，而是屬於“超高超音速”（High-Hypersonic）。
▲術語註解
結合各項學術理論與相關技術的發展，人們將再入大氣層飛行器的外形進行修正，改進耐熱材料，使其速度更快。成為在大氣層內利用激波效應滑翔的乘波體，如俄羅斯“先鋒”的再入大氣層速度是27倍音速。它的速度已經超過“超高超音速”範疇。目前國際航空航天與空氣動力學領域還沒有統一定義超過25倍音速的專業術語。
②火箭助推再入大氣彈道
“打水漂”是流體力學，流體力學的一些學術理論與空氣動力學相通，但用這個解釋再入大氣層的滑翔飛行器並不準確。國際航空航天與空氣動力學領域也沒有“桑格爾彈道”與“錢學森彈道”這個正式的規定名稱，這個說法只是來自於中國民間和網絡，相關院校教材也沒有這個學術定名。
▲桑格爾夫婦
20世紀30年代，歐根·桑格爾（Eugen Sanger）與妻子艾琳·桑格爾（Irene Sanger）為納粹德國設計“銀鳥”（英文：silver bird，德文：Silbervogel）火箭助推再入大氣層飛行器，當時定義為“火箭轟炸機”（德文：Raketenbomber），其利用600噸推力的傳統火箭動力推送飛行器至145公里高度的熱層。飛行器還自帶100噸推力火箭動力系統，回降到平流層時利用反彈力進行跳躍，保持平流層外繼續飛行，這樣空氣阻力小，可以有效提高“銀鳥”的航程。這種滑翔增程方式的標準名稱為“skip reentry”，即“跳躍-再入”。
▲“銀鳥” 圖解
▲1936年歐根·桑格爾，“再入-跳躍”理論的示意圖
二戰後，加州理工（原麻省理工）的錢學森博士提出了從紐約到巴黎最好的方法，可以用火箭將飛行器送至亞軌道，不依靠在氣界層之間的跳躍增加航程。飛行器加裝助推動力，再入大氣層後可長時間在大氣層內助推滑翔，從而解決航程與動能的問題。這種方式稱為“Reentry-Glide”，即“再入-滑翔”。 錢學森當時的構想是用於民航領域，作為學術性理論公開發表的。
▲這是一張著名的錢學森講解紐約到巴黎“再入-滑翔”理論的照片，我在圖上做了註解，當時講的可不是炸巴黎，也沒涉及軍事領域
“跳躍-再入”和“再入-滑翔”都是基於“助推-滑翔”（Boost-glide）理論基礎的延伸，國內網絡將“助推-滑翔”直接稱作“錢學森彈道”非常不嚴謹，其理論形成源自於德國炮兵。二戰時德國炮兵發現了射高與射界的關係，炮彈在空氣稀薄的高空墜下時，彈道明顯加長，後來德國科學家發現高拋物線彈道下氣動升力造成炮彈飛行攻角，並完善了計算方法。計算方法反過來又促進了德國炮兵的實戰技術，德國人最終將“助推-滑翔”理論完善並用於V-2導彈，V-2導彈也被世界公認為人類彈道導彈開山鼻祖。彈道導彈軌跡分為三個階段，“主動上升段”（OK）、“大氣層外再入段”（EC）、“自由落體段”（KE）。桑格爾夫婦的“跳躍-再入”主要研究的是“大氣層外再入段”，主要目的是增程。錢學森的“再入-滑翔”主要研究的是“自由落體段”，屬於非現行力學控制，大氣層內飛行加入助推動力，主要目的是化繁為簡。其最初目的是用於民航領域，飛行器不用載著乘客跳來跳去。坐過飛機的人可以試想一下，飛機要是忽上忽下，人會舒服嗎？而“跳躍-再入”的優勢在於航程，因為其能夠保持較長的“大氣層外再入段”飛行，空氣阻力小，但彈道導彈在“主動上升段”和“大氣層外再入段”都容易被攔截。“跳躍-再入”與“再入-滑翔”不是平行對立的兩種理論，是基於不同飛行段的研究，所以可以綜合靈活運用。
⑤激波與乘波
物體在超音速運動中，與氣體介質摩擦後，氣體的溫度和密度發生變化，從而造成氣體膨脹形成激波，也稱衝擊波。反之，高速飛行的物體受到壓縮力。物體速度突破音障時，產生的激波到達一個臨界點，從而造成音爆。激波對於超音速飛行體造成的高溫、壓力和阻力，是超音速物體需要克服的巨大難點。
▲ “依阿華”號戰列艦（USS Iowa BB-61）50倍徑406毫米主炮發射炮彈時產生的激波，造成了海平面上一道壯觀的弧坑
▲利用紋影攝影技術拍攝的平直翼（左）與45°後掠翼（右）在風洞中模擬1.2馬赫時的激波效應
▲2019年美國國家航空航天局（NASA）利用百萬像素級彩色紋影技術拍攝的兩架T-38教練機編隊在超音速飛行時產生的激波效應
▲物體在達到5馬赫高超音速時的激波效應數據模型
物體在大氣層內高超音速飛行時受激波的壓縮力影響，阻力陡然升高。而採用耐壓耐高溫材料與修正氣動佈局等技術，將壓縮力轉化為升力，使物體乘波飛行，大大提了飛行效率，故而稱之為“乘波體”（Waverider）。最終會形成上躍飛行軌跡，但它不是利用物體由低密度介質行進至高密度介質時的反彈升力。
⑥乘波體彈道優勢
▲筆者繪製的各種彈道的圖解，這樣一目瞭然
前面已經對“跳躍-再入”和“再入-滑翔”的優缺點進行了說明，這裡不再重複。 “再入-滑翔”彈道用於彈道導彈領域，早期多為基於錢學森理論的穩平滑行。後來為了增加反導攔截難度，通過小型翼面控制改變氣流方向，從而達到機動變軌。目前為了提高速度，又將乘波體理論實用化。這類飛行器都將超過20馬赫，不同於計算大氣層內外兩種密度介質的方程式，大氣層內各高度的空氣密度不同，激波效應所產生的升力也不同，飛行體在各節點上的加速動能也是無法確定，所以其在大氣層內跳躍的高度、距離、速度變化都非常難計算。若加之可控的垂直與水平翼面，計算起來更是難上加難，所以再入大氣層乘波體飛行器不僅僅因為速度快而受追捧。如果沒有預定的方程式輸入在反導系統的計算機內，那麼計算機也難知道落點的具體位置。更無奈的是，即便我知道你的目標就是我的反導雷達，但計算機對飛行軌跡不確定，也是無法攔截。高超音速乘波體的最大威力並不是無法確定落點，而是我也許能猜到你打哪裡，但我卻不知道你怎麼飛。
俄羅斯“先鋒”再入大氣飛行器
①蘇聯航空航天的巔峰，險些擱淺的項目最終獲得成功
立項可追溯到上個世紀80年代中期，蘇聯當時驗證了多種形狀的飛行器，已經獲得了大量數據建模。當時計劃採用飛翼式彈頭，設計目的為突破美國反導防禦系統，機密代號“4202”。由位於莫斯科羅伊托夫（Реутов）的蘇聯機械工程科學與生產協會（Научно-производственное объединение машиностроения）負責，項目負責人為帕維爾·謝爾久科夫（Павел Судюков）。1987年獲得正式代號“信天翁”（«Альбатрос»），1989年因蘇聯解體前經濟不景氣，國防部與火箭軍打算擱置這個項目，但項目團隊說服了軍方和政府。為了節省開支，項目團隊以UR-100N UTTH（УР-100Н УТТХ，RS-18B，北約代號：SS-19Ⅱ型Stiletto，譯為“短劍2”）洲際彈道導彈的火箭彈體進行搭載試驗，不再設計新火箭彈體。
▲UR-100N UTTH彈體，其為UR-100N（PC-18A，SS-19 Ⅰ型，“短劍Ⅰ”）的改進型
1990年，蘇聯以UR-100N UTTH為彈體攜帶新型飛翼式戰鬥部，進行了兩次發射實驗。隨著蘇聯的解體，新彈頭並未定型。2001年美國考慮退出《反導條約》，作為回應，2004年2月俄火箭軍參謀總長尤里·巴盧耶夫斯基（Юрий Николаевич）宣佈，測試發射某型高超音速航天器成功。西方根據觀測數據猜測此次試驗為區別於“4202”的15IU70彈頭，主要用於驗證超高音速下的機動變軌能力。
▲試驗型15IU70戰鬥部
2005年9月《共青團真理報》刊發普京講話：“我們正在開發新型戰略威懾綜合體，這是迄今世界上沒有的。它以高超音速運作，可改變航向和高度，不受導彈防禦系統的影響。”2011年12月，一枚UR-100N UTTH攜帶“4202”測試發射成功。2013至2016年，俄火箭軍先後進行類似發射測試共計4次，包含“4202”、 15IU70、IU71三種不同型號的彈頭，其中IU71被猜測為一種分導式彈頭。2018年3月1日，全世界在俄《新聞24》電視中看到普京在致聯邦議會的賀詞中確認新型航天飛行器定名為“先鋒”，並首次公佈相關畫面。
▲俄方公佈的畫面
此後，項目總設計師赫伯特·亞歷山德羅維奇·耶弗裡蒙弗（Герберт Александрович Ефремов）接連獲得“俄羅斯聯邦政府獎”、“俄羅斯聯邦勞動英雄”等多項殊榮。
▲普京與航天火箭科學家耶弗裡蒙弗
2018年12月26日，普京在國防部管控中心觀看奧倫堡（Оренбургская область）多巴羅夫斯克區（Домбаровский район）庫拉（Кура）發射場試射實況，隨後宣佈2019年12月29日起，駐守在奧倫堡地區的火箭軍第13戰略導彈師率先部署兩套該導彈系統，俄各大媒體都予以了相關報道。
▲俄總統辦公室發佈的視頻畫面
▲塔斯社關於實戰部署的報道
②“先鋒”的技術特性
就像普京所說，“先鋒”是一套綜合系統。目前可以確定由早期“4202”發展而來的彈頭配備於UR-100N UTTKh，該型導彈為UR-100N UTTH的固體推進改進版，一些資料也仍稱作UR-100N UTTH；IU71計劃裝備在RS-28“薩爾馬特”（РС-28 «Сармат»，北約：SS-X-30）洲際彈道導彈上；15IU70計劃裝備在RS-26 “邊界”（РС-26 «Рубеж»，北約：SS-X-31）中程彈道導彈上。受俄羅斯國防預算削減影響，“邊界-先鋒”的服役計劃被推遲到2027年以後。目前優先批量服役的是“UR-100N UTTKh-先鋒”洲際彈道導彈，固定井艙發射，所攜帶的“先鋒”是單體彈頭，戰鬥部最大為200萬噸TNT當量（2Mt）核彈。射程10000公里，彈頭再入大氣層後最大速度為27倍音速。
▲“UR-100N UTTKh-先鋒”運輸車進行井艙裝填
▲俄國防部2018年12月26日發佈的發射畫面
UR-100N UTTKh為三級推進火箭，第一級火箭
用於大氣層內爬升，第二級火箭大約在平流層脫離點火，第三級火箭自帶一個整流罩，在亞軌道打開整流罩釋放“先鋒”彈頭。
▲俄國防部發布
▲俄羅斯電視1臺公佈的“先鋒”
“先鋒”的上剖面
“先鋒”的彈體底部
▲“先鋒”的火箭助推尾噴口
“先鋒”總長5.4米，外形像豎切的圓錐體，升力主翼與彈體融合成飛翼式結構，底部是沒有弧度的平面。目前俄方並沒有說此型武器是乘波體，單從形狀結構上看，具備一定的在大氣層內飛行時將激波轉化為升力的氣動外形。但從俄國防部公佈的視頻看，其採用的是“跳躍-再入”彈道，並沒有權威和實質性資料說明其在再入大氣後可採用跳躍滑翔彈道。彈體尾部上方配有全動雙垂尾，用於方向變軌。由於速度超快，其再入大氣層時要能承受超高溫，表面材質採用複合材料，可承受1600-2000攝氏度溫度。
▲從俄國防部視頻中看，“先鋒”採用“再入-跳躍”彈道
▲俄國防部視頻演示“先鋒”的機動能力，可以躲過海上和陸上反導系統
③俄羅斯的戰略目的
目前再入大氣高超音飛行器的軍事應用有兩個方面。一是採用常規戰鬥部的中程彈道導彈，用於摧毀抵近部署反導預警雷達，如針對“薩德”系統的AN/TPY-2型X波段固體有源多功能相控陣雷達實施突襲。雷達摧毀後就無法進行導彈預警，從而進攻方再發射多枚洲際彈道導彈打擊遠方的敵人；另一種是直接用於發展洲際彈道導彈，攜帶核戰鬥部。雖然會被監測到，但依靠極強突防能力，直接“掀桌子”進入核戰爭，沒有迴旋餘地。
▲UR-100N UTTKh所攜帶的“先鋒”彈頭說明
顯然俄羅斯在資金不充裕的情況下選擇了後者，而後者的技術起點相對而言非常高。乘波體飛行器的配重問題是難點，它的形狀很容易造成“頭輕腳重”。飛行器的中間是核戰鬥部，頭部是耐高溫陶瓷和複合材料，裡面全是配重塊。尾部是燃料罐、液氧罐和火箭推進系統。如果為了配重而整體增重，勢必影響飛行速度，這需要極強的核戰鬥部小型化能力。俄羅斯根據現有人類反導技術推算，制定的技術指標是要達到25倍音速以上，但直到2014年都未能達標。當年在普京主持的國防部會議上，高層因多年投入耗資巨大，曾討論終止此計劃。爭論不休的時候，普京最終問耶弗裡蒙弗：“你到底有沒有把握成功”。他回答到：“請再給我一次機會，我一定不會讓大家失望”。而在此後的試驗中，“先鋒”突破了這個指標。據稱俄羅斯延續這個蘇聯時代的項目，耗盡數百億盧布。2020年起，達成各戰略導彈師實戰部署UR-100N UTTKh還要花費100億盧布。第二階段還要達成RS-28“薩爾馬特”洲際彈道導彈的新彈頭實戰部署，相關分導版彈頭試驗還會繼續，2027年後開啟第三階段RS-26“邊界”中程彈道導彈項目推進。“UR-100N UTTKh-先鋒”的服役大大提高了俄火箭軍的戰略核武器突防能力，就像它的名字一樣，是俄羅斯的核戰“先鋒”。追求在核戰爆發的第一時間，給予對手極難防禦的毀滅性打擊。
