高超音速飛彈(Hypersonic Missiles)

俄國於2022年2月24日發動「特別軍事行動」(Special Military Operation),並在入侵烏克蘭戰事進行不到一個月的時間,就於3月18日發射「匕首」(Kinzhal)高超音速飛彈擊毀烏克蘭的地面目標,藉以發揮戰場「威懾」(deterrence)作用 – 這是人類首度在戰場上使用「高超音速飛彈」(Hypersonic Missiles)。本文會站在科普的角度為讀者介紹「高超音速飛彈」的種類與科技。

 

高超音速飛彈的種類

在俄烏戰場上,除了火砲攻擊外,雙方都發射過不少枚飛彈,但是大部分都是「亞音速」(subsonic)或「超音速」(supersonic)飛彈,使用「高超音速飛彈」(Hypersonic missile)的次數並不多見。

「高超音速飛彈」(Hypersonic missiles)可分為下列三大類型:「彈道飛彈」(ballistic missiles)、「巡弋飛彈」(cruise missiles)、「滑翔飛彈」(glide missiles)- 上述三種飛彈的飛行方式、高度及航程雖然不同,速度從五倍音速(馬赫數5, Mach 5)到廿倍音速(馬赫數20, Mach 20)不等,但是同屬於「高超音速飛彈」(Hypersonic missiles)2

來源:摘自YouTube 所公布的畫面2

「彈道飛彈」(ballistic missiles)是由火箭推進且能自動制導的戰略武器系統。所謂制導能力是指在推進階段可以調整姿態使其沿著預定軌跡飛行,其前端攻擊部位稱為re-entry vehicle 與推進火箭分離後,沿著彈道軌跡投射到地面目標。大部分的彈道飛彈的攻擊部份是圓錐體,並沒有制導能力,其在大氣層外的軌跡是很容易掌握的,只有在衝進大氣層後受到空氣摩擦,彈體產生高溫,空氣動力變得複雜些,但是基本上還是沿著拋物線軌跡飛行。

有少數的彈道飛彈的攻擊部位有制導能力的(被稱為Guided Ballistic Missile),比方說美國早期的潘新飛彈、以及中國所謂的航母殺手東風21D。兩者的攻擊部位甚為相似,呈雙錐體且有四個可控制翼,靠著四個鰭翼在進入大氣層後,能夠做適度的軌跡調整而命中目標(參見下圖)。至於推進「火箭」可使用固體燃料或液體燃料,或者是混合式燃料(固體 + 液體),火箭可以是一節或兩節。

來源:摘自YouTube 所公布的畫面2

 

一般而言,「彈道飛彈」(ballistic missiles)還可以按照飛行距離與發射載具再細分為:短程彈道飛彈(SRBM)、中程彈道飛彈(MRBM)、遠程彈道飛彈(IRBM)、洲際彈道飛彈(ICBM)、潛射彈道飛彈(SLBM)五種(參見下圖) – 美國前任總統川普於2019年8月2日正式退出「中程核武條約」,美蘇不再遵守1987年雷根與戈巴契夫所簽署的條約,開啟了美蘇使用IRBM發動「先發制人」(preemptive) 核打擊的風險。

來源:摘自YouTube 所公布的畫面

 

高超音速科技

至於「巡弋飛彈」(cruise missiles)、「滑翔飛彈」(glide missiles)的投射推進所使用的高超音速科技也不盡相同 – 前者被稱為Hypersonic Cruise Missile (HCM),飛行高度在70,000 – 100,000英尺;後者被稱為Hypersonic Glide Vehicle (HGV),飛行高度在100,000英尺以上;兩者的飛行速度都超過五倍音速(參見下圖)3

來源:摘自YouTube 所公布的畫面3

 

「高超音速飛彈」HCM飛行在大氣層內(高度約100公里),以「超音速燃燒衝壓引擎」(Supersonic Combustion Ramjet, SCRAM Jet)推進,利用飛行控制原理變換飛行軌跡以避開防空飛彈系統,精準打擊地面目標(參見下圖)。我們日後會再專文介紹SCRAM Jet,這款引擎設計與控制比一般飛機引擎更為複雜,因為在高超音速、高溫高壓環境下,空氣加壓、燃燒與爆炸是非常不容易控制的。

來源:摘自YouTube 所公布的畫面2

 

至於第三種「高超音速飛彈」則是用火箭將HGV助推出大氣層;與火箭分離後,HGV在重返大氣層內以滑翔(glide)方式變換彈道(參見下圖);當年參與大陸「兩彈一星」計劃的華人科學家錢學森博士,他在上世紀四十年代末就已經提出這種「助推 + 滑翔」的「錢學森彈道」4。在高超音速科技領域中,錢學森的貢獻卓越,他還是率先使用Hypersonic這個英文名詞的科學家。

來源:摘自YouTube 所公布的畫面2

 

中國終於在本世紀克服推進與材料等問題,於2017年試射成功「東風17」,這是一款實現「錢學森彈道」的高超音速飛彈(HGV),可將來自海面的攻擊艦艇拒止在海岸線2000公里以外,提供突破第一島鏈的戰術飛彈5

 

結語

在結束本文前,我們與讀者分享北韓國營電視台在2017年3月公布4枚飛彈同時升空的畫面6(參見下圖)。擁有「薩德反飛彈系統」(Terminal High Altitude Area Defense, THAAD)的日韓沒有發射防空飛彈攔截北韓的四枚飛彈,主要是因為北韓的飛彈只是試射,並沒有進入日韓的防禦空域,不過「薩德反飛彈系統」雷達肯定有追蹤北韓所發射的四枚飛彈。

我們會用接下來的幾篇科普文章,繼續為讀者介紹美蘇中三國的高超音速飛彈的種類,以及飛彈與防空飛彈之間的博弈。

來源:北韓國家電視公布畫面5

 

 

附註一、2022年3月18日俄羅斯在烏克蘭戰場首度發射「匕首」(Kinzhal)高超音速飛彈

https://www.youtube.com/watch?v=XnEJCZTn1AI

https://zh.m.wikipedia.org/zh-tw/%E5%8C%95%E9%A6%96%E5%B0%8E%E5%BD%88

 

附註二、”Hypersonic Missiles Arms Race: What You Need to Know, “

https://www.youtube.com/watch?v=s5Cj9oGkN8k

 

附註三、”Hypersonic Missile Nonproliferation, “

https://www.youtube.com/watch?v=FyUTNRIuAqc

 

附註四、維基百科:「錢學森彈道」

https://www.easyatm.com.tw/wiki/%E9%8C%A2%E5%AD%B8%E6%A3%AE%E5%BD%88%E9%81%93

 

附註五、維基百科:東風-17高超音速彈道飛彈

https://zh.wikipedia.org/zh-tw/东风-17高超音速弹道导弹

 

附註六、北韓在2017年三月同時試射四枚飛彈(北韓國營電視)

https://edition.cnn.com/2017/05/29/asia/north-korea-missile-tests/index.html

 


作者:

王志强 博士曾任美國麥道太空系統公司 (MDSSC) 的空氣動力學專家 (Senior Technical Specialist),1992年返台加入台翔航太(TAC)協助發展民航機產業;他的斜槓人生還擔任過:安達信 (Andersen Consulting) 企業戰略經理,中國和光集團戰略長、鴻海董事長特別助理、友達光電(AUO)營銷高階主管、美國林肯電氣 (Lincoln Electric)在台合資公司廣泰執行副總、美世顧問 (Mercer) 台灣區總經理、以及上海佳格 (Shanghai Standard Foods) 營運長。

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