航天器的返回与回收之「桑格尔-钱学森弹道」下篇
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大气层边缘的滑跳飞行虽然最早应用于航天器返回领域,但其现实意义远远超越了这一层面。这一技术概念源于二战。1933年,德国火箭科学家尤金·桑格尔提出火箭助推-大气层边缘跳跃飞行的概念。其设想,火箭将载荷推出大气层之后,然后采用弹跳轨迹的方式延长射程。桑格尔计算出,从德国发射导弹的话,需要三次跳跃就可达到美国东海岸。桑格尔弹道的特点是利用近地空间几乎真空的低阻力延长射程。
当时的V-2导弹并不能实现精确制导,采用弹跳方式虽然能够延长射程,但反弹的升力机制并不明确,弹道控制问题更是空白,即使最后实现,导弹也将豪无精度可言。
1948年钱学森在美国火箭年会上提出火箭助推-再入大气层滑翔机动飞行的概念。与桑格尔弹道不同的是,钱学森弹道进入大气层后,完全依靠大气层内的气动滑翔维持进一步飞行,实现更大的射程。这样的好处是保持了常规气动飞行器的气动控制和命中精度。在精确制导时代,这样的复合弹道更可以以弹道导弹为运载工具,把常规的反舰导弹运送到目标区,将其释放,然后转入常规的导弹攻击。弹道导弹的高速可以大大缩小目标的逃逸窗口,常规导弹则保证机动追击和精确命中。这种攻击方式对于航空母舰、两栖攻击舰、补给舰、舰队油船等行动相对笨拙的大型舰船特别有效,甚至在理论上还可以空空导弹为有效载荷,用于攻击预警机、加油机、运输机、电子战飞机等大型高亚音速飞机。
相比之下,常规的超远程巡航导弹的飞行时间太长,有很大的逃逸窗口或者拦截窗口,战术价值不高。钱学森弹道的难点在于再入初期,这一段高超音速、高热负荷的飞行大大超过常规导弹的工作范围,弹道导弹不可能在再入前释放常规导弹,在再入后也必须充分减速才能释放常规导弹,大大降低了钱学森弹道的优越性。
将桑格尔弹道和钱学森弹道相结合,不仅可以大大延长射程,还有助于有效过渡到大气层内常规导弹的工作环境。桑格尔弹道在最终自由下落时,速度和高度大大降低,使得释放适当改装的常规导弹成为可能。
不难想像,中程弹道导弹以常规反舰导弹或者空空导弹为载荷的话,采用桑格尔-钱学森弹道之后,可以在几千公里的范围上对敌人的舰艇和飞机造成巨大的威胁。当然,在这样的距离上发现目标和指挥控制依然是巨大的挑战,但具有足够长的矛无论如何也是在这样的距离上形成有效打击能力的关键一步。
另外,随著反弹道导弹技术的进步,弹道导弹突防的成功关键在于变轨。在外层空间变轨需要大量抛射火箭燃气,成本和难度较高,变轨幅度也有限。桑格尔-钱学森弹道更容易实现变轨,代价是速度有所降低,但机动的高超音速飞行依然是反导拦截的巨大难题。
由于弹道导弹沿固定的抛物线弹道飞行,导弹起飞后不久,就能判断整个飞行轨迹和命中目标。这也是反导拦截的基础。反导导弹向来袭导弹预计弹道沿途中最有利的拦截发射,位置守株待兔,只需要有限的机动能力以补偿弹道计算的误差。
但高超音速机动飞行的话,守株待兔就不管用了,需要对目标有较大的能量差才能保证有效拦截,主要是在拦截终点要有比目标更高的速度和更大的机动性。由于高超音速导弹的预警时间本来就有限,反导系统要具有相当大的射程才能有效保护己方目标,但这对反导导弹的加速、射程、机动性、终端速度的要求进一步提高,拦截难度实际上超过了速度更高但固定弹道的纯弹道导弹。
更长远来说,如果再入的导弹装备了适合超高空和高超音速飞行的超燃冲压发动机的话,桑格尔弹道的射程就只受弹载燃料的限制了。这将是真正的全球打击系统的基础。
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