高超音速武器的物理学原理与炒作

在2018年向俄罗斯联邦议会发表的电视讲话中，弗拉基米尔·普京总统宣布，由于美国在2002年退出了《反弹道导弹条约》（ABM），正在进行的与美国的军备竞赛升级。美国拒绝了这项长达数十年的军备控制协议，已经开发并开始建立防御网络，以拦截远程弹道导弹，威胁到俄罗斯本土免受攻击的能力。普京告诉听众，他曾警告美国人，俄罗斯将被迫对这些部署做出回应，但他们拒绝倾听。“所以现在听着！”

普京宣称，在其他系统之中，俄罗斯正在开发新型高超音速武器：导弹在大气层中以超过五倍音速（即超过5马赫）的速度长距离飞行。（1马赫是当地音速。1马赫到5马赫之间的速度是超音速，而超过5马赫的速度是高超音速。）据他说，其中一种名为“先锋”的导弹是一种高度机动的导弹，可以以超过20马赫的初始速度滑翔数千公里，使其“绝对不受任何空中或导弹防御系统的攻击”。

普京的宣布，伴随着新武器以令人难以置信的速度在全球蜿蜒穿梭的恐吓性模拟，为一场危险的新军备竞赛火上浇油。这场竞赛中涉及的武器不仅因其速度而受到吹捧，还因其隐身性和机动性而备受关注。洲际弹道导弹沿着椭圆轨迹进入太空，然后在坠向目标之前达到20马赫以上的速度，但它们在大部分飞行过程中都具有可预测的轨迹，并且通常只能在重返大气层后进行短暂的机动。相比之下，高超音速武器大部分时间会在大气层深处飞行，利用气流产生的升力来迂回并试图躲避拦截器。这些武器以如此低的空域高度接近，将避免被地面雷达系统探测到，直到接近目标，使其更难以被阻止。

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在美国军方官员在普京讲话后的一份评估中表示，中国也在开发的高超音速武器将“彻底改变战争”。五角大楼已经研究类似系统十多年了，也加大了自身努力；去年，国会拨款$32亿美元用于高超音速武器和防御的研发。俄罗斯和中国现在都声称已经部署了至少一套此类系统。美国有六个已知的高超音速项目，分布在空军、陆军和海军之间。支持者表示，这些武器速度极快、机动灵活且几乎隐形。

我们不同意。我们属于一个小型但充满活力的物理学家和工程师社群，他们遍布全球，研究新型武器系统以了解其对全球安全的潜在影响。这一传统由来已久，可以追溯到曼哈顿计划的参与者和俄罗斯科学家，例如安德烈·萨哈罗夫，他们试图减轻核武器对其创造的世界造成的危险。作为调查物理学家，我们收集我们所能获得的关于新型且通常是秘密技术的信息，对其进行分析，并与公众分享我们的评估。

我们的研究表明，高超音速武器在某些情况下可能具有优势，但绝不构成一场革命。关于它们的许多说法都被夸大或根本是错误的。然而，高超音速武器是游戏规则改变者的普遍看法加剧了美国、俄罗斯和中国之间的紧张关系，引发了新的军备竞赛，并加剧了冲突的可能性。

断断续续的进展

各国军队追求高超音速飞行器已近一个世纪，但收效甚微。在1930年代后期，奥地利工程师尤金·桑格和德国物理学家艾琳·布雷特设计了第一架高超音速飞行器，一种名为“银鸟”的滑翔机。它本应由火箭发射，主要在大气层内飞行，并且像任何其他滑翔机一样，利用空气动力升力保持在空中，但纳粹策划者认为建造它过于困难和昂贵。

在第二次世界大战期间，德国工程师开发了火箭发动机，这种发动机燃烧推进剂（燃料和化学氧化剂的混合物）以释放强烈的能量爆发。在随后的几十年中，实验性火箭动力飞机一次又一次地打破速度记录。1947年10月，火箭推进的X-1成为第一架正式突破音障（超过1马赫）的有人驾驶飞机，在1960年代，X-15在测试中达到了6.7马赫的速度。火箭发动机产生的强烈加速度力对人体生理机能提出了极高的要求，因此有人驾驶的火箭动力飞机从未超越实验阶段。但是，火箭技术使美国和苏联能够建立核武装弹道导弹武库，这些导弹被推进到20马赫以上的速度，以到达各大洲。

然而，喷气发动机是这个时代开发的另一项技术，已成为军事和商业旅行的主力军。喷气发动机吸入大气中的氧气以持续燃烧燃料，无需携带额外的氧化剂重量。它实现了远距离运输和机动性，而无需火箭发动机的极端加速度。今天，有人驾驶喷气飞机的最快官方速度约为3马赫，这是洛克希德SR-71“黑鸟”在1976年7月达到的速度。喷气发动机也为巡航导弹提供动力——巡航导弹是可机动和无人驾驶的飞机，其中最快的可以达到超音速速度。

与此同时，高超音速滑翔机继续翱翔——和坠落。1963年，在美国花费超过50亿美元（按当前美元计算）开发X-20“黛娜索尔”高超音速滑翔机后，美国放弃了该设计。但在2001年9月11日基地组织袭击事件发生后，乔治·W·布什总统指示开发高超音速导弹，这种导弹可以快速准确地利用非核弹头破坏不同大陆的恐怖分子活动。（弹道导弹可以完成这项工作，但发射这种武器可能会被误认为是核攻击，从而引发核战争。）

布什还退出了美国和苏联于1972年签署的《反弹道导弹条约》。该条约阻止了对手之间构建针对彼此弹道导弹的防御盾牌——从而阻止了一场争夺构建盾牌和突破对方盾牌的技术的竞赛。相反，布什政府继续开发和部署拦截器，以防御远程弹道导弹。俄罗斯，以及最近的中国，担心其威慑美国核攻击的能力会受到损害，因此开始寻求多种策略来克服美国的盾牌。最新的这些装置是高超音速导弹，它们飞行高度太低，无法被目前美国远程弹道导弹拦截器拦截。总之，9/11袭击事件引发了一系列仓促的决定，这些决定使这三个超级大国陷入了目前的局面，它们都在竞相开发基于各种技术并为各种目的设计的高超音速武器。

阻力和升力

近期部署的高超音速系统将是“助推-滑翔”武器，它将由火箭助推器发射，然后无动力滑翔长距离。（美国和其他国家也在努力制造高超音速巡航导弹，但它们的发动机仍在开发中。）然而，我们的研究表明，高超音速滑翔机面临严峻的挑战。物理学成为了阻碍。

高超音速飞行器的设计师面临着一个令人生畏的对手：阻力，即流体对任何在其中运动的物体的阻碍作用。飞行物体上的阻力与速度的平方成正比增加，这使得它在高超音速速度下尤其具有破坏性。例如，5马赫的滑翔机所受的阻力是1马赫飞行时的25倍，而20马赫的滑翔机所受的阻力是1马赫飞行时的400倍。

更严重的是，当飞机推动空气分子向前和向侧面移动时，能量消耗也会随之而来：它与速度的立方成正比增加。因此，以5马赫飞行的滑翔机能量损失速度是1马赫时的125倍；以20马赫飞行的滑翔机能量损失速度是8,000倍。同样成问题的是，从滑翔机流向周围空气的动能会转化为热能和冲击波。部分能量以热量的形式回传给飞行器：以10马赫或更高的速度飞行的助推-滑翔武器的前缘在持续一段时间内可能会达到2,000开尔文以上的温度。保护飞行器免受这种强烈热量的影响是工程师面临的最大问题之一。

与此同时，像任何其他滑翔机一样，高超音速滑翔机必须产生升力——一种垂直于其运动方向的力——以保持在空中并转向。（滑翔机通过倾斜或以其他方式诱导升力的水平分量来转向。）碰巧的是，升力也与速度的平方成正比。此外，产生升力的空气动力学过程也不可避免地会产生阻力。升力L与阻力D之比称为升阻比L/D，是滑翔机性能的关键标志。

高超音速飞行器可实现的升阻比值远低于传统飞机。对于亚音速飞机，该比率可以为15或更大。然而，经过数十年的研发，过去十年中测试的美国高超音速武器的升阻比值似乎小于3。如此低的升阻比意味着低升力和高阻力——这限制了高超音速滑翔机的速度和航程，降低了其机动性并增加了表面加热。

似乎这还不够，空气流过物体的物理和化学特性在高超音速速度下发生了根本性的变化。加热到数千度的周围空气会解离，将分子氧转化为自由原子，这些自由原子可以电离并冲刷掉飞行器的表面。即使导弹在烘烤中幸存下来，加热也会产生明亮的红外信号，卫星可以看到。

没有万能的解决方案

在2010年代初期，美国试飞了一种远程滑翔机，即高超音速技术飞行器2（HTV-2）。它的设计目的是在被火箭助推到20马赫的初始速度后，滑翔高达7,600公里。我们将这些测试的数据与有关该飞行器的其他信息相结合，构建了高超音速飞行的详细计算机模拟。我们还将助推-滑翔武器与长期以来的成熟技术（例如弹道导弹或巡航导弹）在据称高超音速武器具有卓越性能的三个方面（交付时间、机动性和隐身性）进行了比较。

高超音速武器通常被认为可以缩短交付弹头所需的时间，但这种说法很大程度上是基于与亚音速巡航导弹或更长轨迹的弹道导弹的误导性比较。弹道导弹最节能的路径，称为最小能量轨迹，是将弹头弧形发射到地球上方高空，然后再坠落到目标。弹头在大部分飞行过程中避免了大气阻力，但路径比高超音速滑翔机要长得多，因此到达同一目标可能需要稍长的时间。

然而，弹道导弹也可以在较低的高度飞行，称为低伸弹道——长期以来一直被认为是更快地从潜艇发射核攻击的一种方式。这样的路径将比最小能量路径短得多，并且沿此路径飞行的弹头也将在其大部分轨迹中避免阻力。相比之下，高超音速滑翔机在大气层中花费的时间明显更长，大气阻力会降低其速度。我们的计算表明，在低伸弹道上飞行的弹道导弹可以在相同的射程内以与高超音速武器相等或更短的飞行时间交付弹头。

机动性是高超音速武器的另一个宣传优势。同样，现实情况更为复杂。美国已经开发和测试了机动再入飞行器（MaRV）——弹头在接近目标时利用空气动力改变方向，有助于提高精度和躲避导弹防御系统——用于弹道导弹已有数十年：机动性并非高超音速武器独有。当然，MaRV通常只在飞行后期才扭转方向。它们无法像高超音速滑翔机那样在整个航程中蜿蜒穿梭。但是，高超音速滑翔机的机动性受到巨大力量的限制，这种力量是转向以如此惊人速度飞行的飞行器所必需的。

为了改变方向，高超音速滑翔机必须利用升力来赋予水平速度——这本身可能必须是高超音速。例如，要转弯30度，以15马赫或每秒4.5公里飞行的滑翔机必须产生7.5马赫或每秒2.3公里的水平速度。（由于音速随密度和高度而变化，飞行工程师通常将1马赫视为约每秒300米，我们也这样做。）与此同时，滑翔机必须保持足够的垂直升力才能保持在空中。这种机动可能会消耗大量的速度和航程。

为了产生改变方向所需的额外升力，飞行器可以俯冲到较低的高度，以利用来自更稠密空气的更大推力。它会在返回较高高度（阻力较小）以恢复飞行之前进行转弯。前往较低的高度将减少转弯所需的时间，但也会增加飞行器所受到的阻力。例如，在15马赫的速度下，像HTV-2这样的滑翔机将在大约40公里的高度飞行。如果它下降约2.5公里，那么转弯30度将需要大约七分钟，在此期间它将沿着一个巨大的弧线行进，半径约为4,000公里。即使在如此短的时间内，在更稠密的空气中行驶所产生的额外阻力也会使滑翔机的速度降低约1.3马赫，导致其在原本可能行驶的3,000公里航程中损失约450公里。

一定程度的中段机动（例如选择新目标）可能是有用的，并且滑翔机可能比弹道导弹弹头进行更大的机动。尽管如此，MaRV已经可以在再入过程中机动数百公里，因此很难看出这种能力是如何具有革命性的。

另一种常见的说法是，由于滑翔机比弹道导弹弹头在更低的高度飞行，因此对于早期预警系统来说，它们将“几乎隐形”。地面雷达系统可以在1,000公里的高度从大约3,500公里外发现弹头，但由于地球的曲率，它在滑翔机以40公里的高度接近时，直到距离约500公里才会看到它。但是，美国和俄罗斯都拥有配备灵敏红外传感器的早期预警卫星，可以发现滑翔机因其极端温度而发出的强烈光线。我们的分析表明，目前部署的美国卫星将能够探测和跟踪在大气层中以覆盖大部分高超音速范围的速度飞行的滑翔机。

在可预见的未来可部署的滑翔机如果以高超音速范围的低端飞行——低于约6马赫，则可能避免被美国卫星看到。这种担忧似乎正在推动美国对新型卫星传感器星座的研究。但是，初始速度为5.5马赫的类似于HTV-2的助推-滑翔飞行器将行驶不到500公里，因此以这些速度飞行将大大限制其航程。高超音速巡航导弹可能会在更长的距离上保持这些低速。然而，如此缓慢的速度可能会否定高超音速武器的另一个关键论点——它们避免末端导弹防御系统的能力。

俄罗斯和中国似乎正在大力发展高超音速武器，因为它们能够躲避美国的导弹防御系统。美国的陆基中段防御系统和舰载宙斯盾SM-3系统旨在防御美国、日本和其他国家，它们在大气层外进行拦截，无法拦截在较低高度飞入的高超音速武器。具有足够速度和机动性的高超音速滑翔机也可以躲避在大气层内工作的短程防御系统，例如美国的“爱国者”导弹、SM-2和THAAD系统。这些拦截器使用升力来转弯以拦截来袭武器，从而保护军事基地和舰船周围数十公里宽的小区域。它们的效力取决于它们比它们试图击中的导弹更具机动性，而这又在很大程度上取决于飞行速度。例如，“爱国者”拦截器使用火箭助推器达到高达6马赫的速度。如果高超音速武器保持高速，则可能优于这些拦截器的机动性——但在低于约6马赫的速度飞行时，可能会变得容易受到它们的拦截。因此，几乎在高超音速滑翔机对卫星隐形（但可能对地面雷达可见）的同时，它可能会变得容易受到拦截。

此外，穿透防御盾牌的能力并非高超音速滑翔机独有。在大气层外运行的拦截器特别容易被诱饵和其他对抗措施所欺骗，俄罗斯和中国已经开发并可能部署了这些措施。从飞机上发射的短程和中程弹道导弹可以在足够低的高度飞行，以避开这种“外大气层”防御。同样，为弹道导弹（包括短程和中程导弹）配备MaRV可以使其能够优于在大气层内运行的防御系统的机动性并穿透防御系统。

今天，美国已将其重点从开发HTV-2等远程滑翔机转向射程较短的高超音速系统，射程可达数千公里。这种转变不仅是由于原型HTV-2滑翔机的缺点（测试已揭示），而且还由于一项新任务：在局部或“战区”冲突中使用武器来穿透和摧毁防御系统。然而，就能力而言，这些短程高超音速滑翔机与在低伸弹道上飞行的配备MaRV的弹道导弹几乎没有区别。这种相似性在2018年变得显而易见，当时美国国防部宣布选择一种高超音速飞行器的设计，该飞行器旨在供陆军、海军和空军联合使用。五角大楼没有选择像HTV-2那样的楔形形状（这将增加升阻比的值），而是选择了一种基于1970年代最初开发的实验性MaRV的较旧的圆锥形设计。五角大楼承认，这种武器将射程更短，机动性也更差，但该技术风险较低。

来自1970年代的设计很难说是革命性的。在我们看来，五角大楼正在利用对高超音速武器的炒作来从国会获得资金，同时又恢复到半个世纪前为其主要系统开发的技术。虽然五角大楼正在将一些资金投入到其他设计中，但其重点并不是所宣传的革命性系统。

乘波体

如果可能，显著提高升阻比将减少远程高超音速飞行的技术障碍。从理论上讲，“乘波体”设计可以将高超音速飞行器的升阻比值提高到6或更高。这些设计使用楔形形状，该形状与给定速度和高度下滑翔机周围气流的冲击波模式相匹配，将部分冲击波封闭在飞行器下方以提供额外的升力。

这个概念可以追溯到1950年代后期，但已被证明难以转化为可工作的飞行器。事实上，HTV-2是基于这种设计——但实现的升阻比值仅为2.6。即便如此，在2020年，空军退出了五角大楼的联合高超音速计划，并宣布它将为短程滑翔机采用类似于HTV-2的楔形设计。将升阻比提高到4或6将有助于减少热负荷并增加滑翔机的航程。但是，这种改进会为军事用途开辟新的可能性吗？

我们认为不会。加热仍然是一个主要挑战，因为飞行器的表面温度随着升阻比的增加而下降得相当缓慢。我们的计算表明，例如，将HTV-2实现的升阻比从2.6提高到6，最多只能将滑翔机在给定速度下的表面温度降低15%。因此，在远程飞行中防止材料损坏仍然很困难。升阻比的这种增加还将降低导弹的红外特征，并可能将导弹在不被探测到的情况下（被当前卫星）飞行的速度提高到高达7马赫。此外，提高升阻比可以提供稍高的机动性——但这可以通过相对较小地提高滑翔机的初始速度来更轻松地提高。（回想一下，机动性取决于升力，而升力与速度的平方成正比增加。）由于这些原因，看起来高超音速滑翔机可预见的进步，例如提高升阻比，不会为高超音速武器带来革命性的能力。

尽管现实如此，但围绕高超音速武器的炒作已导致这些系统的支出大幅增加，并加剧了美国、俄罗斯和中国之间的恐惧、不信任和冲突风险。快速且可能无法探测到的攻击前景，即使被夸大了，也可能促使这些国家对警告（无论是真实的还是错误的）做出快速而轻率的反应，从而增加误入冲突的可能性。

通过提供对新型军事系统的技术分析，像我们这样的独立科学家和工程师力求帮助公众和政策制定者就这些系统做出明智的决策。然而，我们的队伍正在减少。尽管用于设计和建造新型武器的资金似乎取之不尽，但对此类对其能力和影响进行公正研究的资源正在萎缩——为可能倾向于加入该领域的早期职业研究人员制造了令人生畏的障碍。我们认为，我们提供的公正和知情的调查至关重要，政策制定者应重视它们。美国国会和五角大楼需要摒弃炒作，并对高超音速武器的潜在益处和成本进行仔细、现实且技术上知情的评估。未能充分评估这些因素是浪费支出和增加全球风险的根源。