2019年10月1日的閱兵式上,東風-17高超音速導彈橫空出世,這是繼東風-26、東風-21D反艦彈道導彈之外,又一款劃時代的國產武器。憑藉前所未見的酷炫外形,東風-17吸引了外界的極大關注,但官方諱莫如深,為數不多的資訊也只是提及“錢學森彈道”、“打水漂”、“讓美國現有導彈防禦系統失效”等幾個模糊的標籤,外界無法對其形成準確的判斷。在兩年之後的今天,東風-17的技術敏感性已經大幅下降,國內關於其效能的文章也頻現報端,使得外界能夠較為全面的一睹東風-17的犀利風采。
東風-17的登場非常震撼
在東風-17的諸多亮點之中,被提及最多的恐怕就是採用了“錢學森彈道”。這項由天才空氣動力學家錢學森提出的飛行器軌跡,按照官方的描述也就是:將彈道導彈和飛航導彈的軌跡融合在一起,使之既具有彈道導彈的突防能力,又有飛航導彈的靈活性。顯然,這種描述過於模糊,相信很多人看過後仍然是一臉懵的狀態。想要真正瞭解“錢學森彈道”,還要從東風-17的具體飛行軌跡來看。
彈道導彈的飛行軌跡可分為三個階段
一般來說,彈道導彈的飛行軌跡分為三個階段,即主動段、自由飛行段和再入段。其中,主動段是彈道導彈依靠火箭發動機上升至大氣層外的階段,自由飛行段則是彈道導彈在大氣層外長時間飛行並抵達目標地點附近的階段,最後的再入段是再次進入大氣層直至命中目標的階段。整個飛行軌跡的特點是,中間的自由飛行段時間很長,一般來說,會佔導彈飛行全程70%甚至更多的時間。
比較起來,採用“錢學森彈道”的東風-17,其軌跡就截然不同。雖然擁有彈道導彈的主動段,但在大氣層之外的飛行時間非常短暫,只佔總時間的不到20%,在這之後就迅速進入大氣層。由於大氣層不同高度的密度不同,導致東風-17的飛行環境很不穩定,再加上東風-17使用的乘波體彈頭,使得其飛行姿態非常難以捉摸,這也就是“打水漂”動作的由來。
“打水漂”簡單示意圖
所謂“打水漂”,是指在東風-17再入大氣層後,利用速度和氣動效能形成不對稱壓力,以及乘波體的氣動特點,使得飛行器在垂直面上進行曲面跳躍;期間,飛行器透過拉高降速、俯衝減速的變速度方式,充分利用大氣壓力效應,實現在垂直面上逐步縮小曲線幅度的跳躍、滑翔飛行。從宏觀上來看,飛行軌跡就是“一上一下”的“波浪式”前進,並且幅度逐步減小的飛行姿態,在外形上非常類似打水漂游戲,因此被形象的稱為“打水漂”。
憑藉優秀的氣動設計,東風-17“打水漂”飛行的時間較長,飛行路徑也很遠,由於“打水漂”時,東風-17所處的空中氣動環境非常複雜,電磁、紅外特徵非常不穩定,因此氣動控制的難度非常大。而東風-17之所以設計得這麼複雜,就是為了最終目標,即突破對方導彈防禦系統的攔截。
現代反導系統型號繁多,比如說美國目前就是由愛國者-3、薩德(末端高空區域防禦體系)、海基“宙斯盾”標準-3、陸基中段反導系統等構成了彈道導彈防禦體系。雖然這些防禦系統的射程、高度和針對彈種不同,但設計思路是基本一致的,其反導過程可以大致分為三個階段,即資訊偵查、預判目標軌跡並引導攔截導彈飛往目標、最終攔截目標。其中偵察階段是後兩者的前提,也是目前世界各大國努力攻堅的方向,由於彈道導彈的紅外和電磁訊號特徵非常明顯,因此,這一領域的重點是規模累積,不存在太高的技術難度,困難的在後兩個階段。
在國內熱度很高的薩德反導系統
預判來襲導彈軌跡,聽起來就不是簡單的事情,事實上也確實很難。彈道導彈,尤其是遠端或洲際彈道導彈的飛行速度極快,在大氣層外飛行時,速度達到12甚至14馬赫是家常便飯。反導系統攔截時,兩者相對速度往往已經超過2000米每秒,必須以毫秒為單位預判來襲導彈軌跡,同時將攔截導彈的姿態軌跡控制到分秒不差,既不能快,也不能慢,才能將攔截導彈精準引導到交匯點。而在美國“薩德”等反導系統公佈的多次試驗圖片中,均有導彈飛起後在半空“轉圈”的尾跡,就是利用彈道設計,在初始階段就主動控制燃料消耗和導彈速度,常見的“轉圈”尾跡,其實是導彈以大迎角盤旋動作,主動消耗超過理想彈道要求的火箭燃料。但即使攔截導彈能成功抵達目標點,距離成功攔截也還有一段距離。
薩德發射時的螺旋尾跡明顯
任何導彈在飛行過程中,必然會出現一定偏差,只不過是程度不同。而在精度要求極高的反導作戰中,對偏差的容忍度非常低,因此,攔截導彈會在最後飛行階段進行姿態微調,以保證精確攔截,而具體微調到什麼級別,取決於導彈的攔截方式。一般來說,反導攔截有爆炸摧毀和動能摧毀兩種方式。所謂爆炸摧毀,就是像空空導彈擊落戰鬥機一樣,透過搭載的戰鬥部摧毀來襲導彈,但這種方式在攔截彈道導彈時,有比較大的侷限性。由於攔截導彈的體積較小,爆炸戰鬥部殺傷力有限,很容易出現無法徹底摧毀來襲導彈的情況。
美國陸基中段攔截彈NMD及其直接動能攔截器
事實上,美國在海灣戰爭中,使用愛國者防空導彈攔截伊拉克飛毛腿導彈時,就多次出現僅破壞飛毛腿導彈動力艙段,其戰鬥部卻未能摧毀的情況。倘若攔截目標是搭載核彈頭的彈道導彈時,這種結果顯然會帶來嚴重後果。更何況,爆炸攔截意味著要將近炸引信的靈敏度和起爆精度提高到毫秒級別,難度非常高。所以,目前國際上主流的攔截方式,是採用動能攔截,即攔截導彈直接命中來襲導彈,憑藉動能摧毀的方式。而這種方式對攔截導彈的精度要求極高,必須準確命中目標才行。目前,美國反導系統基本上都是採用動能攔截的方式,而之所以說東風-17是目前美國反導系統基本無法攔截的原因,也就在於此。
被擊落後戰鬥部基本完好的飛毛腿導彈
一般來說,反導系統主要是在彈道導彈的大氣層外飛行階段進行攔截,在這一階段,彈道導彈的飛行姿態穩定,訊號特徵明顯,反導系統可以精準預測飛行軌跡,在迎面攔截時,往往是兩條直線的交集,這種情況的難度還可以接受。在美國反導系統的多次測試,都採取了這種中段攔截方式,效果也比較理想。但在攔截東風-17時,這種方式是無效的。因為東風-17的中段飛行時間很短,無論空間距離還是反應時間,均不足以支援反導系統攔截,而等到東風-17中段飛行結束,重返大氣層之後,其攔截的難度就更大了。
東風-17使用乘波體彈頭和普通彈頭對比
對導彈攔截的前提是提前預判其飛行軌跡,而東風-17在大氣層內的飛行軌跡是非常不穩定的,宏觀上雖然有明顯的“一上一下”特徵,但就攔截時的微觀狀態來說,仍然處於無序的狀態,美國甚至全球現役反導系統,能預判東風-17飛行軌跡的可能性微乎其微。當然,東風-17的這種飛行軌跡,並不是說永遠完全不可預判的,理論上來說,只要對乘波體彈頭在大氣層內的飛行模擬足夠多,在實戰中有超級計算機提供支援,實際上也是可以實現預判軌跡並攔截的能力,但這是至少5年甚至10年之後的事情,目前美國現役反導系統在缺乏模擬資料的情況下,並沒有這項能力。因此,在東風-17的“打水漂”滑翔階段,美國現役反導系統基本上無計可施。唯一有可能攔截東風-17的階段,是在“打水漂”基本結束,飛行趨於穩定,即將命中目標的階段。
摸清東風-17的乘波體彈頭效能需要大量模擬和試驗
在這一階段,東風-17“打水漂”機動基本不復存在,速度也降至4到5馬赫左右,雖然攔截的時間視窗非常狹小,但確實在理論上具備攔截的可能,對於美國反導系統而言,這已經是最後的希望,雖然這個希望還是微乎其微。一般來說,在討論反導攔截時,最容易被提及的要素就是速度,因為速度本身確實是突破攔截的第一要素,但需要明確的是,速度本身並沒有絕對的意義。舉個例子,飛行速度超過10馬赫的洲際彈道導彈,在大氣層外飛行時,仍然可以被有效攔截;而東風-17在“打水漂”的滑翔階段,其速度不太可能超過10馬赫,但目前卻是無法攔截的狀態。根本原因在於,東風-17除了速度之外,還有“打水漂”的不可預測性,換句話說,就是機動性。
洲際導彈中段飛行時姿態比較穩定
攔截機動性較差的目標時,是由點到線的攔截,運算過程相對簡單,但當導彈將速度與機動性相結合後,情況就變得極其複雜,攔截由點、線的二維變成了空間三維。想要攔截高速高機動性目標,攔截導彈必須具備可控的末端高機動能力,攔截導彈也需要保留一定的燃料以支援高機動消耗。這與目前美國各型反導導彈,在飛行初始階段就調整姿態、消耗燃料的做法是截然不同的,兩者的設計思路完全是顛覆性地變化。梳理了整個過程,就能明白為什麼東風-17是美國現役反導攔截系統無法攔截的存在,甚至是憑一己之力顛覆目前全球反導攔截系統的根本原因。因為東風-17將導彈的高速變成了高速與高機動的疊加,將攔截空間從二維變成了三維,使得全球基於二維攔截的反導系統在一夜之間過時。舉個例子,上一個取得類似突破的,是美國F-22隱身戰鬥機。
F-22也是一款劃時代武器
F-22自誕生之初就提出了4S標準,除了隱身及高效能航電之外,超音速效能和超機動性都不是第一次提出。比如美國SR-71高空偵察機,能飛出超過3馬赫的高速,至於以機動性好著稱的飛機,更是數不勝數。但在F-22現身之前,沒有飛機能夠將這兩者聯合在一起,SR-71在高速飛行狀態下,機動性非常差,轉彎半徑達數十千米,因此當前的地空導彈或遠端空空導彈,攔截SR-71的難度並不算太大。但F-22就截然不同,雖然其最大速度只有2.25馬赫,但將超機動性和超音速飛行能力結合在一起之後,卻可以大大壓縮空空導彈的有效攔截距離。現役中距空空導彈確實具備超過20G的機動能力,但這種劇烈機動的前提是消耗大量燃料,而對於空空導彈而言,燃料就意味著射程。
SR-71速度雖快但機動很差
從理論上來說,當一架戰鬥機以1.5馬赫、3G過載飛行時,任何空空導彈都不太可能在50千米外對其造成威脅,因為當空空導彈飛過50千米距離後,戰鬥機在此期間機動的距離,已經超過空空導彈剩餘燃料足以支援的高機動飛行範圍;倘若戰鬥機將過載進一步提高到6G,那麼空空導彈的有效殺傷距離將被壓縮到不足30千米,而東風-17難以攔截的道理是類似的。隨便說一句,像F-22、殲-20這種真正的重型隱身戰鬥機,再加上隱身和高效能航電之後,各項能力疊加後達到的綜合能力是非常恐怖的,非隱身戰鬥機即使搭載遠端空空導彈,也很難具備一戰的實力,因為這是本質上的差距。
達成4S效能的殲-20非常恐怖
更有趣的是,在美國F-22誕生後,各國發現很難透過升級防空系統對其攔截。因此,各國紛紛開發隱身戰鬥機與之抗衡,這也是國產殲-20隱身戰鬥機迅速誕生並大規模服役的原因所在。在國產東風-17披露後,美國也面臨反導系統短期內無法攔截的窘況,最終同樣選擇在高超音速導彈領域加大資源投入,以期達到“既然無法攔截,那就互相傷害”的狀態。而最有意思的是,美國近兩年來的高超音速導彈專案在測試中屢屢失敗,儘管沒有人否認美國在該領域的技術積累雄厚,甚至早就製造出X-51A這種乘波體技術驗證機,但從技術積累到真正應用,仍然有相當多的問題需要去解決,從目前來看,這個時間節點恐怕要到2025年以後。
美國高超聲速導彈專案眾多,卻屢屢失敗(圖為AGM-183A)
當年,美國在服役F-22之後,面臨的是“縱橫天下無敵手”的大好局面,在這種情況下,美國故步自封,錯誤判斷局勢,最終推出了F-35這款降低機動性和超音速飛行效能,但造價明顯降低,並且可以兼顧多兵種以及盟友需求的型號,以至於在殲-20隱身戰鬥機誕生之後,美國在隱身戰鬥機領域的優勢迅速縮水,頗有一番江河日下的味道。這對於我國來說,當然是好事,但也要引以為戒。目前,東風-17也面臨與當年F-22那樣“一覽眾山小”的局面,萬萬學不得美國當年故步自封、驕傲自滿的心態,待到美國推出美國版東風-17,而我們不能推陳出新,否則好不容易獲得的優勢就很難保持,那樣就太可惜了。
美軍陸基中長程高超聲速導彈OPfires也遭遇失敗
當然,世界上並沒有完美的武器,在羅列了東風-17最大的優點之後,我們也要看到東風-17最明顯的不足,那就是射程。彈道導彈之所以長時間在大氣層外飛行,就是為了保證數千甚至上萬公里的射程。而東風-17本身的中段飛行時間很短,其“打水漂”的滑翔階段雖然機動性很強,難以被攔截,但也意味著動能消耗很大。因此,即使以最樂觀的態度估計,其射程也只能達到1800到2000公里,悲觀估計只有1400到1500公里。這個射程夠用,也不夠用。說夠用,是因為對於目前國內需求來說,即使以1500公里射程計算,也足以覆蓋美國在周圍的大部分軍事基地。說不夠用,是因為這個射程完全不足以輻射到美國第二島鏈上的軍事基地。因此,進一步發掘東風-17的潛力就是下階段的關鍵所在。
相比於東風-26,東風-17的射程要小很多
從理論上來說,既然中段飛行可以增加射程,那麼東風-17只要將中段飛行時間加長,射程就能有明顯提高。當然,這樣一來被攔截的機率也會明顯增加,如何權衡就要看國內研發單位如何判斷雙方局勢及技術狀態。但這畢竟是治標不治本的辦法,如果能將東風-17的載具變成大型軍艦或者核潛艇,那麼憑藉在海上活動平臺的大續航能力,其射程不足的局面就會徹底改變。當然,這種改進的難度也非常大,無論是海上顛簸的發射環境,還是安置東風-17的龐大身軀,都會是前所未有的挑戰。
大型軍艦與東風-17的結合值得期待
無論如何,東風-17作為將高速與機動性充分結合的劃時代武器,其戰略意義完全不在東風-26、東風-21D反艦彈道導彈之下,其對於某些勢力的威懾,以及為國家戰略安全做出的貢獻是不可估量的。橫空出世的東風-17,註定會因其開創性的成就載入國產武器的精英榜。