对抗高超音速威胁

近年来，主要来自中国、俄罗斯和美国的高超音速武器设计层出不穷。虽然有几种设计已经投入现役，但对于大多数现有的地面防空系统（GBAD）来说，拦截它们仍然是一个巨大的挑战。因此，高超音速威胁引发了针对这一独特问题的定制解决方案的热潮。

半个多世纪前，高超音速导弹还面临着成为国防规划人员要面对的最新怪物的危险。美国政府问责局（GAO）2018 年的一份报告警告说："俄罗斯等正在追求高超音速武器，因为它们的速度、高度和机动性可能会击败大多数导弹防御系统，而且它们可能被用来提高远程常规和核打击能力。"报告还指出："目前还没有现成的反制措施。" 现在情况已不再如此。如今，美国、西欧、以色列、日本和韩国都在研发反高超音速防御系统。

高超音速通常被认为是 5 马赫或更高的速度，10 马赫或更高的速度被归类为高超音速。这种导弹速度并不是最近才出现的。80 年前，德国对伦敦和安特卫普使用的 A-4（V-2）弹道导弹在弹道中曾短暂达到 5 马赫的速度。随着后续弹道导弹射程的增加，其速度也在增加，但与 A-4 一样，这些武器遵循的是可预测的弹道。

最近的弹道导弹则不再如此。所谓的 "准弹道导弹 "或 "半弹道导弹 "可以使用较低的弹道，可能主要是弹道导弹，但有能力进行机动，包括改变方向和射程，并可能以较低的弹道飞行，以保持较高的速度，给目标较少的反应时间，但代价是射程缩短。

尽管俄罗斯宣传自己在 2022 年 3 月、4 月和 5 月用高超音速导弹攻击了乌克兰境内的几个目标，但使用的武器是 Kh-47M2 Kinzhal （AS-24 Killjoy），它是地面发射的 9K720 "伊斯坎德尔"（SS-26 Stone）短程弹道导弹的空射型。据认为，Kinzhal使用与地面武器相同的推进系统和有效载荷。然而，必须指出的是，Kinzhal虽然能够达到高超音速，但其行为更像传统的弹道导弹威胁，而不是 HGV 或 HCM。

插图显示了具有代表性的高超音速助推滑翔飞行器（HGV）的主要设计特征和飞行阶段。 资料来源：美国空军/飞行员杂志

定义威胁

高超音速导弹有两种基本形式。较简单的技术是在单级或多级火箭助推器上安装一个或多个无动力高超音速滑翔飞行器（HGV）。火箭助推的初始飞行阶段结束后，高超音速飞行器开始滑翔阶段。HGV 通常在大约 50 千米到 100 多千米的高度释放；选择精确的高度、速度和飞行路径角度是为了使飞行器能够在高层大气中滑翔，直至到达目标。

HGV 没有内置推进系统，但可通过助推火箭获得初始速度，并可在这一飞行阶段进入太空。HGV 采用优化配置，以减少阻力并产生升力。与废助推器分离后，它在大气层中滑行。由于没有动力，HGV 在滑翔阶段会逐渐失去速度，减慢到 5-7 马赫左右，甚至达到超音速。其中段/滑翔阶段的飞行是不可预测的，在飞行末段可能会有重大机动。

第二类更为复杂的武器是高超音速巡航导弹（HCM）。这类导弹由喷气推进系统（如扰频喷气发动机）提供动力，采用空气动力配置，能够从稀薄大气中产生与其重量相当的升力，如果飞行器正在机动，则升力略高于其重量。然而，使用扰流喷气推进器也有潜在的缺点。这些动力装置对气流扰动很敏感，这可能会限制其进行极其急剧的机动的能力。

插图显示了具有代表性的高超音速助推滑翔飞行器（HGV）的主要设计特征和飞行阶段。 资料来源：美国空军/飞行员杂志

防御问题

高超音速武器有三个难以对付的特点--速度快、机动性强、飞行轨道低和弹道不可预测。高超音速飞行的高度范围通常在 20 至 60 千米之间，远高于大多数飞机和巡航导弹的飞行高度，但却低于许多反弹道导弹（ABM）系统可拦截弹道导弹再入飞行器的高度。在这两种情况下，威胁在飞行后期的机动能力使防御方难以预测其目标。

传统亚音速巡航导弹的飞行速度约为 0.6-0.7 马赫，因此从发射到击中约 1200 千米外的地点，总飞行时间约为一小时。然而，在海平面上，5 马赫相当于约 5,600-6,000 公里/小时，在高空会逐渐降低约 5-6%。在这种速度下，导弹可以在大约 10 分钟内飞越类似的距离。

这种高速、高空、机动性和最短预警时间的组合，即使是当今最好的防空系统也会感到压力。在 2020 年的一次演讲中，时任美国导弹防御局（MDA）架构设计总监的杰夫-塞克斯顿（Jeff Sexton）将高超音速防御描述为 "高度复杂且极具挑战性，类似于 20 世纪 80 年代和 90 年代弹道导弹防御所面临的挑战"。

高超声速飞行器通常在比弹道导弹低得多的高度进入滑翔阶段。这给地基雷达的跟踪带来了巨大挑战，因为地基雷达的视平线受到地球曲率的限制。当以 5 马赫或更高速度飞行的低空飞行威胁穿过雷达视平线时，现有的防御武器可能来不及做出反应。

高超音速武器模糊了 BMD 和空中/巡航导弹防御（A/CMD）之间的区别。由于高超音速威胁是在大气层内飞行，因此对付高超音速威胁最好被视为一种新的、复杂的防空形式，而不是 BMD 的扩展。

由于最早的高超音速威胁是弹道导弹，因此可以通过部署现代远程防空导弹系统来应对。2023 年 5 月 5 日，乌克兰国防部宣布，它使用最近交付的 "爱国者 "系统击落了一枚 "金沙 "气动弹道导弹，该导弹由飞越俄罗斯领土的一架米格-31K 发射。专门的反弹道导弹系统，如 THAAD，可用于对付高超音速导弹目标，但只能防御一小片区域。

探测高超音速目标

美国目前的 BMD 系统使用数量相对较少的地基雷达来跟踪来袭武器。由于这些雷达的覆盖范围受到地平线的限制，它们只能在高超音速威胁处于飞行最后阶段时对其进行探测和跟踪。因此，防御系统用于计算火控方案和进一步参与交战的时间有限，而且在第一枚导弹未能杀死攻击者的情况下，发射第二枚防御导弹的可能性也很小。

在高超音速飞行中，导弹周围形成的等离子鞘会使武器的雷达截面（RCS）发生显著变化，但这种影响很难预测。它们可能会导致射频（RF）能量的显著时变衰减，从而降低探测概率。它还可能对雷达能量的单个脉冲以及不同脉冲之间产生时变振幅和相位效应，造成脉冲内和脉冲间调制现象，从而进一步降低目标探测能力。

2024 年 3 月 14 日，SpaceX 星际飞船上的一台相机记录了飞行器在飞行结束后重新进入大气层时等离子体的积聚情况。 图片来源：SpaceX

从 20 世纪 60 年代开始，等离子体衰减射频能量的能力在太空飞行器的回收过程中产生了重大影响。当航天器重新进入大气层时，无线电通信在数分钟内无法进行。然而，这些航天器的配置和飞行方式却能产生所需的高水平气动阻力，使其从高达 30 马赫或更高的初始速度减慢到有翼飞行或降落伞回收成为可能的程度。因此，它们产生了大量的等离子体。然而，对于高超音速武器的设计者来说，阻力并不是一种有用的效果，而是一种惩罚，因此所选择的配置设计将最大限度地减少阻力，这样就可以减少等离子体的产生量，从而降低 RCS。

新型传感器

天基传感器将能够比地面雷达更早地探测到高超音速、弹道和其他先进威胁。任何反高超音速防御的一个主要组成部分都可能是一个有弹性和持久性的天基传感器网络，能够探测、分类和跟踪所有威胁，无论其方向和轨迹如何。

这样一个网络需要能够跟踪高超音速武器的整个飞行轨迹，允许在威胁导弹飞行的相对早期阶段进行初始交战，并在第一次交战失败后进行第二次交战。它还需要评估预定目标是否被击中。

目前美国的高空持续红外导弹预警卫星，如天基红外系统（SBIRS）和国防支持计划（DSP），旨在探测导弹和太空发射，但应对大量近乎同时发射的能力有限。它们携带的红外（IR）传感器监测的红外光谱区域与新发射导弹的热辐射相匹配。同一区域还包括高超音速飞行产生的红外能量，但高超音速导弹的热信号只有推力火箭级的十分之一或更少。

2014财年，美国导弹防御局（MDA）受命开发命中和杀伤评估能力，因此于2014年4月启动了天基杀伤评估（SKA）项目。为了加快硬件的开发和部署，该局选择在商业卫星上安装小型传感器网络。由此产生的附加软件包包含一个多光谱传感器和三个能够捕捉拦截特征的快速红外探测器。这些硬件与美国导弹防御系统（MDS）的指挥和控制部分相连。

2024 年 2 月 14 日，SpaceX 猎鹰 9 号运载火箭从卡纳维拉尔角太空站 40 号太空发射场升空，将六颗卫星送入轨道，其中两颗是 MDA 的高超音速和弹道跟踪空间传感器 (HBTSS) 的原型。 资料来源：MDA

作为第一步，美国国防部整合了现有天基、地面和海军雷达的跟踪能力。2018年，MDA开始实施高超声速和弹道跟踪空间传感器（HBTSS）计划，以满足探测和跟踪高超声速和弹道导弹的要求。该计划与美国太空部队（USSF）、太空发展局（SDA）和太空系统司令部合作，旨在开发一种能够提供火控质量数据的高空持续红外传感器，其灵敏度、跟踪服务质量（QoS）和低延迟将允许与包括高超音速武器在内的先进导弹威胁交战并将其击败。

2021 年 1 月，与诺斯罗普-格鲁曼公司和 L3Harris 公司签订的合同协议包括创建原型演示空间飞行器。这项工作的结果是将 HBTSS 原型卫星发射到低地球轨道，然后进行早期轨道测试，以评估、鉴定和验证其性能。考虑到需求的紧迫性和保持计划发射时间表的必要性，HBTSS 计划尽可能使用高技术准备级组件，并利用现有的政府能力，以最大限度地减少开发活动。

2024 年 2 月 14 日，美国 MDA 和太空发展局（SDA）从佛罗里达州卡纳维拉尔角太空部队站向低地球轨道（LEO）发射了六颗卫星。其中两颗（两家承包商各一颗）是 MDA 的高超声速和弹道跟踪空间传感器（HBTSS）的原型，另外四颗是 SDA 的增殖战士空间架构（PWSA）的最终 SDA 第 0 梯队（T0）跟踪层卫星。

两颗原型卫星的初步在轨测试包括数周的测试和检查程序，以确保卫星按预期运行并与其他系统通信。预计这将导致两年的在轨测试。计划中的飞行测试活动和其他机会目标将用于描述和验证 HBTSS 卫星的性能。一旦完成在轨测试，HBTSS 系统的实战和运行责任将移交给 USSF，MDA 将继续开发适合导弹防御的下一代天基火控传感器。

最终的 HBTSS 火控能力将成为 PWSA 的一部分，预计将包括一个跟踪层，能够探测、跟踪和瞄准先进的导弹威胁，包括高超音速导弹。该跟踪层将包括能够观察全球大部分地区的宽视场（WFOV）卫星，并将包括诺斯罗普-格鲁曼公司计划中的下一代高空持续红外（OPIR）极轨卫星。后者通常被称为 "下一代极地"（NGP），旨在监控北部极地地区，这是导弹从俄罗斯飞向美国的最短路径，也是最难从太空监控的地区。NGP 卫星将在高椭圆轨道上运行，并采用诺斯罗普-格鲁曼公司所说的 "新的弹性功能，以便在有争议的情况下保持战斗力"。

诺斯罗普-格鲁曼公司的下一代高空持续红外（OPIR）极轨卫星旨在对瞄准美国领土的洲际弹道导弹的潜在飞行路线提供预警覆盖。 资料来源：诺斯罗普-格鲁曼公司

如果卫星网络探测到威胁发射，它将向弹道导弹防御系统高空持续红外架构（BOA）发送传感器测量数据，该架构将生成精确的跟踪数据，以提示高超音速和弹道跟踪空间传感器（HBTSS）。一旦后者捕捉到敌方的 HGV 或 HCM 并收集到精确的角度测量数据，这些数据将由 HBTSS、BOA 以及指挥、控制、战斗管理和通信（C2BMC）进行处理，以提供具有火控质量的跟踪信息。

美国对反高超音速类防御系统的探索

美国海军的海基终端（SBT）计划使用 "宙斯盾 "基线 9 武器系统和 SM-6 导弹来防御海上和岸上的高价值资产，抵御飞行末段的先进威胁。"2023 年 5 月，美国北方司令部和北美航空航天防御司令部司令、空军将军格伦-D-范赫克（Glen D. VanHerck）在参议院军事战略部队小组委员会上说："宙斯盾 SBT 是当今唯一可用于应对高超音速导弹威胁的主动防御系统。

美国曾计划将 "区域滑翔相位武器系统"（RGPWS）作为其首个反人类计划，并计划在 2030 年代初投入使用，但 2021 年 2 月，国防部宣布它现在倾向于一个名为 "滑翔相位拦截器"（GPI）的近期项目。2021 年 11 月，国防部选定洛克希德-马丁公司、诺斯罗普-格鲁曼公司和雷神技术公司为这一概念进行加速概念设计。这些多个奖项将允许一个竞争性的风险降低阶段，以探索竞争对手的工业概念，并为区域高超音速防御确定最有效、最可靠的 GPI。该导弹将是一种与美国海军舰载垂直发射系统（VLS）兼容的舰载武器，并将与改进型基线 9 宙斯盾武器系统集成。

美国海军舰艇发射 SM-6 和滑翔相位拦截导弹攻击高超音速目标的效果图。 资料来源：雷神公司

2022 年年中，雷神技术公司和诺斯罗普-格鲁曼公司获得了 GPI 研究的竞争性合同，到 2023 年，MDA 已准备好开始开发 GPI 硬件。2027 年，MDA 希望进行初步设计审查，然后选择一家承包商进行产品开发。

GPI的目的是在低空高超音速导弹的滑翔飞行阶段对其进行拦截，它将弥补标准导弹SM-3与SM-6之间的差距，前者可在地球大气层外摧毁来袭导弹，后者则可在飞行末段打击目标。

雷神公司 GPI 项目主管朱莉-利曼（Julie Leeman）说："我们现在拥有的技术可以在地球大气层外摧毁来袭导弹。"我们现在拥有能够做到这一点的技术，而且我们有能力随着威胁和技术的发展而升级......我们正在尽可能多地利用我们以前和当前的SM（标准导弹）计划，因此我们可以专注于GPI所独有的方面"。

美国政府问责局 2022 年 6 月发布的一份报告指出："一般来说，拦截系统必须能够超越目标才能完成拦截，而且往往是大幅超越。因此，为了实现对高超音速目标的拦截，新型 GPI 导弹必须在高超音速飞行条件下运行，同时还要在速度或机动性等关键领域超过对手的高超音速系统"。

虽然目前的计划表明 GPI 可能在 2030 年代初投入实战，但美国国会在其 2024 财年国防授权法案中要求在 2029 年底前实现初始作战能力，然后在 2032 年底前实现全面作战能力。它设定的目标是到 2040 年底 "不少于 24 套 "GPI 系统服役。2023 年 8 月，美国和日本宣布两国计划开始讨论滑翔相位拦截器（GPI）合作开发计划。

美国国防部高级研究计划局（DARPA）的 "滑翔破冰船 "计划旨在为美军部队和资源部署地区建立区域导弹防御能力。2020 年 2 月，Aerojet Rocketdyne 公司宣布被 DARPA 选中为 "滑翔破冰者 "拦截器开发推进系统，合同价值高达 1960 万美元。

该计划的第一阶段开发了针对高机动性高超音速威胁实现命中摧毁所需的推进技术。这将需要 DARPA 所描述的 "转向和姿态控制系统推进式杀伤飞行器"。

DARPA 的 "滑翔破坏者 "计划旨在提供一种区域能力，以应对高超音速威胁。 资料来源：DARPA

第二阶段的重点是开发和演示用于杀伤飞行器的转向和姿态控制系统（DACS）。其重点是量化高超音速气流在拦截杀伤飞行器周围产生的气动喷流相互作用效应，以及杀伤飞行器 DACS 产生的流出量。波音公司于2023年9月被选为第二阶段的主承包商，该阶段预计为期四年，总价值为7060万美元。这将涉及风洞试验和飞行试验。

欧洲寻求反高超音速解决方案

2019 年，欧盟理事会批准了 "天基 TheatER 监视及时预警和拦截（TWISTER）"导弹防御项目，以便在 "永久结构化合作（PESCO）"倡议下进行开发。该项目的目标是开发一种多功能拦截器，以应对新出现的威胁。

根据 OCCAR（联合武器装备合作组织）的说法，计划中的大气层内拦截器必须能够在不同高度的空气中运行，并需要开发 "一种新的空气动力和致动器系统，以实现高机动性、高度灵活的制导概念和先进的传感器/寻的器系统"。

两个欧洲团队提出了应对高超音速威胁的解决方案。MBDA公司领导了HYDIS（高超音速防御拦截器研究）项目。该项目由法国、意大利、德国和荷兰参与，部分资金由欧洲国防基金（EDF）提供，提出了大气层内拦截器的结构和技术成熟概念研究。

HYDEF（HYpersonic DEFence）财团由来自七个国家的 14 家公司组成：SONACA（比利时）、LKE（捷克共和国）、Diehl Defence（德国）、NAMMO（挪威）、ILOT 和 ITWL（均来自波兰）、SMS、EM&E、GMV、Instalaza、INTA、Navantia 和 Sener（均来自西班牙）以及 Beyond Gravity（瑞典）。SMS 公司负责 HYDEF 项目的项目管理，代傲防务则负责从整体系统开发到拦截器本身的技术实施。2022 年 7 月，欧盟委员会选择 HYDEF 拦截器计划作为欧洲首个防御高超音速威胁的计划。

2023 年 10 月 31 日，OCCAR 与 SMS（作为计划协调方）签订了合同。在最初的三年阶段，一项概念研究将评估该项目的可行性。它将导致 MDR（预可行性）和 PRR（可行性或 A 阶段），同时开展关键技术和设计的早期成熟活动。拟议的系统将包括联网传感器（其中一些将是天基传感器）和拦截系统。其目的是能够探测和拦截高速移动和重型车辆。

MBDA 的这幅作品展示了其拟议的 "水鹰 "拦截器的杀伤飞行器如何使用侧射推进器进行拦截。 资料来源：MBDA

HYDEF大气层内拦截器将采用推进、空气动力学、先进制导、尖端传感器和执行器系统等方面的最新技术，以制造出一种具有最大机动性和拦截并摧毁高超音速威胁能力的拦截器。

MBDA公司拦截复杂导弹威胁（包括高超音速武器）的候选拦截器是其三级 "天鹰 "拦截器。2023 年 3 月，该公司宣布打算继续研发该系统，但估计将其从目前的概念阶段推向市场的成本将高达 "数十亿 "欧元，并且需要伙伴国政府的大力支持。在 2023 年巴黎航展上，MBDA 表示正在研究三种多级截击机结构--其中两种为三级结构，一种为两级结构。其中一个三级方案将采用喷气推进。

其他国家需要反高超音速类防御系统

以色列和美国于 2021 年 2 月宣布联合开发箭-4 导弹防御系统。该系统旨在应对大气层内和大气层外的威胁，包括装备有 MIRV 的弹道导弹和 HGV 或 HCM，预计将取代现有的箭-2 系统。2021 年 7 月，IAI 宣布以色列与洛克希德-马丁公司签署了一份谅解备忘录，双方将在防空和导弹防御领域开展合作。

2023 年 6 月，拉斐尔先进防御系统公司宣布将研制一种可对付高超音速威胁的低级系统。该项目已实施数年，但飞行试验尚未开始。该系统预计将包括该公司所描述的 "能够在整个弹道上准确识别和定位威胁的同步传感器系统"，以及能够 "迅速到达目标，最大限度地减少与目标位置相关的不确定性"，并能够 "表现出卓越的机动性和在非弹道上运行 "的拦截器。

传感器系统将基于现有雷达的改进型，而拉斐尔 "天声 "垂直发射两级拦截器则是全新开发的。其固体推进剂助推器将释放一个杀伤飞行器，该飞行器将包括一个火箭发动机，主要用于交战的最后阶段。机动性将由空气动力控制面和某种形式的侧向推力子系统共同提供。

拉斐尔公司的 SkySonic 将把助推器与动力杀伤飞行器组合在一起。该公司的设计图表明，分离可能会在助推器仍在推进时发生。 资料来源：拉斐尔公司

2023 年 4 月 25 日，韩国批准研制韩华航空航天公司/LIG Nex1 L-SAM 多层导弹防御系统的改进型。计划中的 L-SAM 2 系统将包括一枚高空拦截导弹和一枚滑翔阶段拦截器，拦截高度可达 180 千米。与 L-SAM 一样，新计划由韩国国防发展局（ADD）管理，未来三年的预算为 2.71 万亿韩元。

高超音速飞行有其缺点

虽然高超音速为攻击者带来了优势，但值得注意的是，与此同时，高超音速导弹的设计者也必须面对一些缺点。洲际高超音速滑翔机在重返大气层后以 20 马赫左右的速度飞行时，会经历极端的气动热条件。这包括极端的压力和振动模式，以及超过 2000 °C 的温度，同时飞行器周围的大气会解离成等离子体。虽然弹道导弹重返大气层飞行器在重返大气层过程中也会遇到类似情况，但这些情况持续时间相对较短，通常只有几十秒。高超音速武器必须在这样的压力条件下存活多分钟，因此面临着一些潜在的问题，这些问题对当前制导、控制和材料技术的极限提出了挑战。高超音速武器必须使用能够承受这种温度的先进材料，同时保持机械强度，并能够保护制导硬件和其他内部系统。与武器制导系统相关的雷达罩或光学窗口也将面临这一问题。由于其在大气层内的速度，高超音速武器可能具有显著的红外特征。

高超音速速度越快，这些问题就越严重。美国国防部负责研究和工程的前副部长迈克尔-格里芬（Michael Griffin）认为，高超音速飞行器在巡航飞行时相对脆弱，相当容易失稳。即使是轻微的损坏也可能导致迅速毁灭。

鉴于高超音速飞行环境恶劣，高空高速飞行器或高超音速导弹很难部署诱饵或其他反制措施。因此，这些威胁必须面对的防御系统将无法完成区分弹头和穿透辅助装置这一反导系统长期面临的难题。对于高超音速攻击者来说，天空可能是一个孤独的地方。