从“银鸟”到航天飞机

雪松

“银鸟”和钱学森弹道

1933年，德国科学家桑格尔提出了名为“银鸟”的高超音速飞行器概念。它使用液体火箭发动机助推加速到高超音速，随后以减振幅曲线般的跳跃轨迹进行高超音速滑翔。这是助推-滑翔概念最早的设想。

受此影响，当时供职于美国加州理工学院的钱学森提出了助推-滑翔的高超音速洲际运输系统概念，成为美国助推-滑翔领域的开创者。虽然同为助推-滑翔概念，桑格尔和钱学森的概念却大相径庭，他们的不同主要在再入滑翔段。桑格尔担心“银鸟”的热防护系统无法承受长时间高超音速滑翔带来的高温，设计了多次跳跃的再入跳跃滑翔弹道，周期性地回到宇宙里降温。而钱学森的火箭飞机则用十分平滑的下降轨迹。后世将两种不同的助推-滑翔形式分别命名为桑格尔弹道和钱学森弹道。

贝尔航空公司在1951年借鉴钱学森的设计，提出高超音速助推-滑翔军用飞行器，得到了美国空军的关注。 1954年美国空军和贝尔航空公司签订合同，开展了轰炸机-导弹（BOMI）项目的研究。BOMI的思路是用火箭将一架轰炸机送入太空，随后轰炸机再入，进行无动力高超音速滑翔，并对目标进行攻击。后来的航天飞机再入过程与BOMI的设想基本一样。根据贝尔航空公司的研究报告，助推-滑翔式高超音速飞行器是可行的，而且具有很大的发展潜力。

但BOMI并没有直接转化为实际的助推-滑翔工程，美国第一个成功进入工程研制的助推-滑翔飞行器试验项目是麦道公司的WS-199D项目（又称阿尔法-达拉科）。经过1957年和1958年的紧张研制，1959年WS-199D进行了试验，总共三次试验，两次获得成功。WS-199D武器系统是一种二级固体火箭推动的试验型导弹。第一级点火工作后将WS-199D送入高空，导弹进入滑翔阶段后第二级点火工作。WS-199D的设计要求并不高，它使用固体火箭飞行到30千米高空，最高速度高于马赫数5，随后依靠气动高速滑翔，最终在390千米外俯冲落地。WS-199D主要的意义在于以实际试验证明了助推-滑翔概念的可行性，试验证明它的升阻比约为1到3.5，有很明显的增程效果，三次试验还积累了高超音速气动和热防护材料的技术，为未来的高超音速助推-滑翔试验奠定了基础。

X- 20“动力翱翔”

1957年美国空军启动了X-20“动力翱翔”项目，它可以看成是BOMI概念的衍生物。X-20设计上具有多种用途，包括侦察、轰炸、卫星维护、反卫星和太空救生。不过“动力翱翔”这个名字已经指出了它的主要用途：助推-滑翔的侦察和轰炸任务。

虽然贝尔航空公司有BOMI报告的基础，但波音公司抢到了研制合同。1960年3月波音公司完成了X-20高超音速飞行器的总体设计，它使用下单翼布局的三角翼，并用翼尖小翼进行方向控制。在结构设计上，它的机身使用通用电气公司的Rene 41镍基防热合金，底部除了Rene 41镍合金，还增加了钼箔层加强防热能力，机鼻材料使用了耐高温的石墨和氧化锆。

美国空军对X-20的目标摇摆不定，导致X-20设计不断变动，拖到1961年才选择“大力神”ⅢC火箭来发射X-20。由于项目花费太多和技术难度太高，最终在1963年12月被国防部长麦克纳马拉取消。

X-20项目并非一无所获，它是当时最接近实际飞行的项目，其基础研究在高超音速技术的发展上具有重大而深远的意义。为了验证X-20高超音速飞行器的热防护技术，美国空军授予麦道公司合同，进行名为航空热动力（ASSET）的研究项目。

ASSET飞行器具有辐射冷却能力，整体外形和X-20相似并使用大致相同的热防护技术，机鼻也具有耐 2200℃高温的能力。1963年9月18日ASSET试验飞行器继续了首次试飞，最高速度达到了4.9千米/秒，飞行弹道顶点62千米，验证了热防护系统的有效性，有趣的是它闯过了高超音速滑翔和防热的关口，却在落水后没能浮起来，导致回收失败。

从1963年到1965年，ASSET进行了6次试飞。除了第二次火箭上面级故障试验飞行器自毁外，其他的试验中都成功完成了再入高超音速飞行，为美国高超音速技术的发展积累了丰富气动加热经验和数据。

“鱼鳔”项目

X-20的失败并没有打消美国对助推-滑翔技术的浓厚兴趣。美国中央情报局在讨论著名的“牛车”A-12高空高速侦察机的替换型号时，提出了名为“鱼鳔”项目的计划。康沃尔公司最初为之提出的设计是一种马赫数4～5的高空高速飞机，但论证认为它的突防能力相对现有飞机提高有限。于是麦道公司脑洞大开地提出了一个指标十分高大上的助推-滑翔方案。

这是一种火箭动力助推并拥有高升阻比的高超音速飞行器，它将搭载B-52轰炸机空中发射，随后用普惠公司研制的XLR-129可重复使用火箭发動机推动加速到20倍音速。它曾经在61千米的高空以高超音速滑翔掠过苏联上空，然后继续飞过北太平洋并最终在内华达州的马夫湖着陆。麦道公司认为这个助推-滑翔式高超音速侦察机方案在周转周期和快速反应能力上都远高于侦察卫星，模拟还显示它在当时是无法拦截的，哪怕是使用核战斗部的防空反导导弹都对它鞭长莫及。

这个愿景看起来不错，但评估显示它的研制采购经费是个天文数字。据称8架飞机就需要1965年币值的26亿美元。无论是中央情报局还是国家侦察办公室都无法拿出那么多预算支持这种高不可攀的侦察机，于是它在图纸上就被拦截了。麦道公司也曾向美国空军推销“鱼鳔”，但同样遭到拒绝，最终1967年取消了项目。

X- 23 PRIME

“鱼鳔”无疾而终，但同时代的X-23“包括机动式再入的精确再入”却进行了成功试验。X-23的目标是研究再入后的高超音速机动滑翔能力，尤其是横向机动能力。X-23是一个小型升力体再入飞行器，高超音速升阻比约1，最高速度约马赫数25。

它從1966年到1967年总计进行了3次飞行试验。第一次没有进行横向机动却由于降落伞故障坠入太平洋。第二次试验中成功进行了高达1053千米的横向机动，但没能回收。第三次试验不仅圆满的进行了1143千米的横向机动，还顺利回收。X-23项目让美国掌握了珍贵的高超音速滑翔数据和经验。

其它助推-滑翔技术试验和成果

洲际弹道导弹出现后，美国暂停了洲际巡航导弹的进一步发展。侦察卫星也取代了昂贵并且看不到曙光的助推-滑翔式侦察机。不过洲际导弹面临突防困难和打击精度不足的问题，所以美国空军一直没有放弃助推-滑翔技术的研究。

美国空军使用“宇宙神”（Atlas）导弹作为助推火箭，开展了先进弹道再入系统（ABRES）计划，这个计划下进行了包括MBRV（弹道导弹机动再入飞行器）和BGRV（助推滑翔再入飞行器）等多个试验项目。

MBRV和BGRV都验证了高超音速再入飞行技术，但两个项目的侧重点有所不同。MBRV侧重于通过再入机动在弹头再入阶段躲避敌方的反导拦截弹，它还进行了末制导的尝试以实现更高的命中精度。BGRV同样通过再入机动获得更好的精度，但它更偏重以较高的升阻比进行高超音速滑翔达到增程的目标，并通过高速滑翔获得更好的载荷投掷能力。设计侧重点的不同导致了要求的不同，MBRV研究重点是突防要求高机动性，理论上要实现100g的机动能力，这对再入滑翔弹头的结构强度要求很高。而BGRV重点是滑翔增程，弹头承受的过载只有10到20g之间。

美国空军早在1963年3月1日就进行了ABRES计划下的REX-1试验，此后又进行了WAC、LORV和MTV等一系列飞行试验，为MBRV和BGRV试验奠定了基础。经过多次试验后，MBRV和BGRV获得成功，验证了弹道导弹再入机动弹头技术，验证了冷气反作用力控制系统和气动舵面控制技术的可行性和有效性。

尤为值得一提的是，1968年2月26日的BGRV-2试验中。弹头再入后，以马赫数18的初始速度滑翔，横向机动飞行达数百千米，这种滑翔能力在今天也是相当出色的。从寥寥无几的图片看，BGRV是一种细长的锥形再入飞行器，它通过精心设计提高了升阻比，再入大气层后可以进行高速远程滑翔。虽然美军并没有在BGRV试验的基础上研制生产洲际导弹再入机动弹头，但MBRV和BGRV等试验对美国高超音速滑翔技术的促进和积累起到了关键作用。

进入20世纪70年代后，ABRES计划继续进行了目标飞行器试验（TVX）和再入飞行器观测试验（RVTO）等一系列试验，但和高超音速滑翔技术并没有多大关系。美国空军后来还实施了先进控制试验（ACE）项目，使用宇宙神火箭继续验证再入机动弹头控制技术，ACE的三次飞行试验都获得了成功，进一步深化了美国对高超音速滑翔机动的认识。

美国空军后来又启动了先进再入机动飞行器（AMaRV）项目，制造了4个AMaRV飞行器。其中3个使用“民兵Ⅰ”导弹发射进行了试飞，1979年、1980年和1981年的3次试飞都获得成功。AMaRV重量470千克，具有很强的滑翔能力，是一种相当先进的再入飞行器。它的保密程度很高，40多年之后仍然没有AMaRV的实物照片公开，我们只能从文献资料的略图中一瞥它的身影。

AMaRV使用了液压传动的作动翼面，利用分体襟翼和侧面的两个偏航襟翼进行控制，使用先进的全自动导航控制系统，可以有效突破反弹道导弹系统的拦截。《闪电：第一种再入机动飞行器》一书插图中显示，AMaRV可以再入后拉平滑翔。据称美国空军多年后启动的通用气动飞行器（CAV）和高超音速技术飞行器（HTV）验证项目，其气动控制技术就继承了当年的AMaRV。

美国一系列高超音速滑翔试验器虽然没有发展出导弹或是侦察机，但这些宝贵的经验对美国后来研制航天飞机起到了关键作用。

航天飞机再入返回时具有2000千米以上的横向机动能力，苏联就此怀疑它并非单纯的可重复使用轨道器，还可能具有独特的侦察功能甚至执行轨道轰炸任务。航天飞机为了获得足够的滑翔距离采用三角翼设计，同时应用了高性能的防热系统。航天飞机从近地轨道再入重返大气层到降落控制挑战很大，返回轨迹时间不能太长，以减少气动加热的时间和积累的热量，但太快的减速又会带来过大气动受力和加热速率，再入高超音速滑翔飞行的窗口很窄。航天飞机实际再入飞行中迎角从约40度逐渐降低到约15度，同时连续做左右滚转机动减少升力控制速度，最终用约30分钟时间从夏威夷上空滑翔到佛罗里达降落。航天飞机的每次降落都堪称走钢丝，但也提供了宝贵的高超音速飞行经验。美国今天的X-37B等小型航天飞机气动控制驾轻就熟，就是航天飞机135次飞行丰富经验积累的成果。

美国海军和陆军的早期高速滑翔试验

美国海军研制了MK-500“逃避者”再入机动飞行器，计划用于装备在“三叉戟”导弹上增强突防能力。MK-500可以看作美国海军的MBRV试验再入飞行器。1975年MK-500再入机动飞行器使用“民兵Ⅰ”导弹进行了首次飞行试验。虽然美国陆军的项目较少，但它的“潘兴Ⅱ”型中程弹道导弹却是美国唯一一种服役的再入高速机动弹头导弹。

“潘兴Ⅱ”导弹弹头再入大气层后在约65千米高度开始使用气动舵面进行高超音速飞行控制，在约40千米高度进行拉起操作同时将飞行速度降低到马赫数6～8，随后持续做锥形机动下降减速，最终超音速命中目标。“潘兴Ⅱ”导弹的最大速度约为马赫数12左右，只有后来高大上的HTV等高超音速飞行器速度的一半左右。正因为如此，它在高超音速下控制的技术难度较低，这也是“潘兴Ⅱ”再入机动弹头研制成功的重要原因之一。

“潘兴Ⅱ”导弹虽然进行了高超音速机动飞行，但它的再入机动主要是为了满足主动雷达末端制导的需求，为此进行的拉起和锥形机动都极大地降低了飞行速度，其实与一般意义上的高超音速武器设计思路背道而驰。