概述
从剑到火箭，武器在历史上的战争和冲突中发挥了至关重要的作用。他们的持续发展往往是由于需要获得对敌人的优势或制定对策来保护和创造力量平衡，这可能会阻止对手的先发制人打击，因为报复性后果。
在过去十年中，许多科学学科的众多进步创造了更复杂的武器，这需要更复杂的防御系统以及看待进攻和防御策略的不同方式。如
第 6 册 – CBRNECy 的无人机交付 – DEW 武器 WMDD（Nichols 等人，2022 年）
第 7 册 – 空间系统 – 新兴技术和运营 （Nichols 等人，2022 年）
火箭的发展也证明了这一点，这导致了高超音速导弹的发展，现在其飞行速度超过音速的五倍或更多（5+ 马赫），这是高超音速的最低速度。这项技术因其速度和可操作性而被认为是游戏规则的改变者。此外，此类武器改变了检测范式，因为它们不遵循洲际弹道导弹 （ICBM） 的预期发射特征或飞行特性，而大多数防御系统都经过校准以防御洲际弹道导弹 （ICBM）。因此，这使得现有系统过时并导致观察/检测阶段的延迟，从而减少了观察、定位、决策和行动过程的时间，也称为 OODA 循环，这种方法允许指挥官和政治领导层在快速变化的情况下做出决策并采取行动。
图 13-1
高超音速武器，令人羡慕的资产或可形成的敌人
资料来源：（Northrop Grumman，2023 年）
本章将概述半导体、实时操作系统（RTOS）、人工智能、冶金、机身构造和改进的制导系统等领域的一些进步，以及冷却技术，以及各个学科的改进如何导致更致命的高超音速武器系统的进步。
速度谱
高超音速武器的这种发展正在改变武器运载系统的创建、发射、控制、检测和防御方式。这项技术将改变技术人员、战略家和外交官如何看待他们现有的理论、政策和战略，以及驾驭修改应对这种颠覆性技术所需的进攻和防御方法的复杂性。
要理解高超音速的概念，有必要了解速度谱的各个部分以及它们与声速的关系。速度表示法的两个相当常见的示例是：
1） 光速或光速，以光年或真空中每小时约 670,616,629 英里表示（NASA，2019 年）
2） 声速，表示为马赫速度。
这些速记符号标识对象在任意两点之间的速度。马赫 1 将是公式计算的声速的基线。
VS – 643.855 x （T/273.15）0.5 方程 13-1
哪里：
Vs = 声速（节）
T = 温度（开尔文）
643.855 = 计算的声速 （N.O.A.A.， （n.d.））
一般来说，“在地球上，海平面的声速——假设气温为 59 华氏度（15 摄氏度）——是 761.2 英里/小时（1,225 公里/小时）。（科学日报，2021 年）
普遍接受的声波谱分为亚音速、超音速和高超音速航空用。为了提供额外的视角，下表确定了在声波频谱的各个部分和大致速度范围内运行的飞机类型：
资料来源：（航空角，2021 年）（史密森尼国家航空航天博物馆，2022 年）
时间就是一切
在高超音速领域运行的武器具有速度优势，如果用作先发制人或先发制人的武器，则可能是一种资产，其中武器将在对手做出反应之前到达目标。同样，如果用作报复性回应，攻击者可能需要更有能力充分防御反击。例如，如果我们使用下表，以 8 马赫的速度飞行的高超音速导弹可以在大约 1000 分钟内到达 9.85 英里外的目标。从 8 英里范围内的飞机、轮船或岸点向航空母舰发射的同一枚 200 马赫导弹可以在不到 2 分钟的时间内到达目标 （1.97）。这实际上消除了舰船指挥官和船员对攻击做出反应的任何反应时间。
改编自：（CBNRECy 的无人机交付，2022 年）
时间是关键组成部分，正如国防部研究和工程副部长办公室的 Michael E White 雄辩地指出的那样，“......对手越来越关注那些大大压缩战术战场的时间表和时间尺度的系统。这些系统——包括弹道导弹、带有机动再入飞行器的弹道导弹以及性质越来越高超音速的飞行器——使对手能够在数百英里甚至数千英里之外将我们的部队置于危险之中，飞行时间以分钟为单位。（克朗克，2021 年）。
如前所述，以 8 马赫的速度飞行的高超音速导弹可以在不到 1000 分钟的时间内覆盖 10 英里。这使得指挥和控制部门几乎没有时间做出防御性对策或反打击决定并实施/采取行动。这种极快的速度和很长的距离可以快速覆盖，从而减少了遵循用于决策的 Observe， Orient， Decide， Act （OODA） 循环等流程所需的时间。不幸的是，防守方在过程开始时会损失大量时间，那些被围困的人将花费关键时间观察并试图让自己适应正在发展的情况。这种时间吸收将严重减少防守方做出决定和行动的时间。它还推断有必要重新校准周期，这也需要时间。修改后的循环将在一个更加压缩的循环中运行，从而成为任何试图抵御此类事件的人的恶性循环和后勤噩梦。
图 13-2
观察。东方。决定。Act-Loop 操作循环
来源：（维基百科，2003 年）
据报道，目前与美国洲际弹道导弹发射决定相关的技术、流程和方法从检测到做出发射决定需要 17-20 分钟（Blair，2019 年）。然而，在做出决定时，以 8 马赫的速度行驶的高超音速飞行器可能已经行驶了大约 1,725-2,030 英里。假设先发制人或先发制人打击情况，导弹速度有效地减少了 OODA 回路的观察和定向阶段的时间。同样，防御方或敌对势力希望技术能够提供早期检测/观察能力和充分（如果不是更优越的话）对策来提供防御并实现有效的报复性打击能力，以阻止先发制人的行动。
目前，多个国家吹嘘其武器库中拥有高超音速型武器或处于接近准备就绪的状态。
注意。该信息基于声明，可能不是可现场的设备或广受好评的速度和距离。
继续开发能够比目前吹嘘的更快的高超音速的武器会带来挑战和代价。实现这些要求需要必须跨越多个科学学科的新技术。
来源：作者
图 13-3
与高超音速飞行相关的科学挑战
来源：（美国空军科学研究办公室，2011 年）
然而，尽管制造满足许多吹嘘的速度和射程的可部署武器与许多已知的技术困难有关，但多个科学领域的技术进步正在使今天的神话和炒作更接近现实。要欣赏这些技术成就，必须了解生理和技术挑战以及与更快的高超音速相关的复杂性。
物理力量和人类
与搭载人类飞行员的 SR-71 等超音速间谍飞机不同，由于高速机动时产生的自然力，高超音速飞机的能力已经超出了人类生理学的界限。例如，G 力是重力的缩写，是物体或人相对于重力所经历的加速度的量度，通常以“G”为单位表示，相当于重力加速度（大约每平方 9.8 米或每平方秒 32.2 英尺在地球上）。在航空机动、太空旅行、汽车或游乐园游乐设施中也可以体验到 G 力。在这些情况下，可以根据特定运动向各个方向施加加速度，包括垂直、横向或纵向。力量的强度取决于转动速度和物体的速度。需要更高速度和更急转弯的转弯将受到离心力产生的更高 G 力，离心力是由物体在被迫转弯时试图保持直线的惯性引起的。以下是一个简单的计算，用于说明基于对象速度变化的 G 力变化：
g 力 = （v² / （r * g）） + 1 方程 13-2
哪里：
v 是飞机的速度（以米/秒为单位）。
r 是转弯的半径（以米为单位）。
g 是重力加速度（约 9.8 m/s²）
来源：源自牛顿第二运动定律和圆周运动原理和向心加速度。
注：该表比较了在相同半径内以不同速度执行转弯的同一对象上的 G 力。
高超音速飞行器结构上的 g 力应力随着速度和转弯率的增加而增加。这同样适用于人体，高 G 力会产生不适，如果维持或增加，可能会导致严重的生理后果甚至死亡。这通常发生在个体暴露于大于 4 至 7 G 的持续 G 力时。重要的是要注意 ''...战斗机飞行员经常暴露在大约 8 或 9 的较高 G 力下，因为专门的 G 服以及适当的饮食和水分。（Venose，2016 年）。然而，即使是这样的专业人士也会开始出现意识丧失或 G-LOC，这是由于血液被迫从大脑流向左肢而引起的。如果长时间持续，可能会导致脑损伤甚至死亡。如果我们参考上一张图表，飞行员以 2 马赫的速度开始转弯将体验到 10.8 Gs，但以 5 马赫的速度进行相同的转弯将产生 62.2 Gs。这使得人类飞行员在以 5+ 马赫的速度行驶的高超音速飞行器被迫采取规避行动的情况下成为一个薄弱环节。以这种速度执行规避行动几乎肯定会导致飞行员被判死刑。这是未来大多数基于无人驾驶车辆的军事设计的一个重要原因。因此，本章的其余部分将重点介绍自动驾驶或遥控车辆。
请注意，高超音速和 G 力比较图表中的信息将有所帮助，因为我们将继续讨论与表面摩擦、结构完整性和其他领域相关的高超音速炒作和改进。
空气阻力
空气阻力或空气阻力是指与物体通过空气（或流体）的运动相反的力。当物体在空气中移动时，由于空气分子与其表面的碰撞，它会受到阻力。这种阻力或阻力受多种因素的影响，包括：
形状：对象的形状在决定其承受的阻力大小方面起着重要作用。流线型物体或空气动力学形状（如飞机或赛车）旨在通过减少正面面积和促进物体周围的顺畅气流来最大限度地减少阻力。
表面粗糙度：表面粗糙度会通过产生湍流并破坏物体周围空气的平滑流动来增加阻力。更光滑的表面通过允许空气更顺畅地流动来减少阻力。
速度：对象在空中移动的速度会影响它所承受的阻力量。阻力随速度的平方而增加，这意味着对象的速度加倍会使作用在其上的阻力增加四倍。
空气密度：空气的密度也会影响阻力。较高的空气密度会增加与物体表面碰撞的空气分子的数量，从而导致更大的阻力。随着高超音速导弹进入大气层的较低层，空气变得更稠密，并增加了阻力（以及升力）。
粘度：空气的粘度或其流动阻力也会影响阻力。由于空气分子的粘性，较高的粘度会导致阻力增加。
空气动力阻力可以使用阻力系数 （Cd） 进行量化，阻力系数 （Cd） 是表示物体空气动力学效率的无量纲值。作用在物体上的阻力 （Fd） 可以使用以下公式计算：
Fd = （1/2） * cd * ρ * A * V^2 方程 13-3
哪里：
Fd = 是阻力。
Cd = 是阻力系数。
ρ （rho） = 是空气密度。
A = 是对象的参考区域（通常是正面区域）。
V = 是物体相对于空气的速度。
来源：（阻力系数，n.d.）
在高超音速下，空气阻力变得更加重要。它可以严重影响在大气中移动的物体的性能，并产生额外的力，例如“波浪阻力”和“弓形激波”，当物体的移动速度超过它在周围空气中产生的波时，这些阻力会高速发生。由于涉及高速，激波在高超音速流动中起着重要作用。就其性质而言，冲击波是当物体以比该介质中的声速更快的速度通过流体（例如空气）时形成的压缩波。
图 13-4
冲击波和压缩波
哪里：
t = 时间
s = 源
v = 速度
备注： “来自移动速度快于声速的声波从发射点呈球形传播，但声源会先于每个声波移动。沿所示线路的相长干涉（实际上是三维圆锥体）会产生称为音爆的冲击波。源的速度越快，角度 θ“ 越小。（Lumen Learning，2018 年）。。
来源：https://s3-us-west-2.amazonaws.com/courses-images/wp-content/uploads/sites/2952/2018/01/31201658/CNX_UPhysics_17_08_SBoom.jpg
当物体以高超音速行进时，它会在它前面产生弓形激波。这种弓形冲击波是一种弯曲的冲击波，当物体的前缘压缩其前方的空气时形成，并标记了物体前方的超音速流与其周围压缩的亚音速流之间的边界。
弓形激波后面存在一个称为激波层或激波边界层的压缩空气区域。由于激波引起的压缩，该区域会经历高温和高压。激波层的特点是空气密度、温度和压力突然增加。
除了弓形冲击波外，高超音速飞行还可以根据物体的形状和特性产生其他冲击波。例如，如果物体具有尖锐的前缘或突出的特征，则可能会在这些位置形成额外的冲击波，称为分离激波或压缩激波。
图 13-5
冲击波和压缩波
注意：“通过音速会压缩流经翼型的空气，产生冲击波——”音爆“乘波者利用冲击波来增加他们的升力，本质上是在加压空气波上冲浪。“（美国海军研究所，2020 年）
来源：https://www.usni.org/magazines/proceedings/2020/december/hypersonic-missiles-coming-hot
高超音速飞行中冲击波的存在有几个含义。首先，冲击波有助于热力学加热，主要是由于物体在空气中移动时将物体的动能转化为热能引起的。当物体的移动速度超过声速时，它会压缩它前面的空气，从而增加气压和温度。随着物体速度的增加，这种压缩-加热效应变得更加明显。
热力学加热的过程涉及几个因素：
可压缩性：在高超音速下，空气的可压缩性变得很重要，因为空气无法对压力变化做出即时响应，从而导致局部温度升高。这种压缩加热与气体在压缩时的绝热加热有关。
摩擦加热：物体与周围空气之间的相互作用产生摩擦力。这些力将动能转化为热能，导致进一步加热。摩擦产生的热量取决于物体的表面特性，例如其粗糙度和材料成分，以及所穿过的材料（在本例中为空气）的密度。
冲击波加热：当物体以高超音速移动时，会形成冲击波。这些冲击波压缩空气并产生高压和高温区域，有助于物体的整体热力学加热。
高超音速飞行产生的热力学产生的高温对此类飞行器中使用的设计和材料构成了重大挑战。例如，极端高温会导致结构变形、材料降解、包含电子元件并引起热应力。因此，陶瓷和热保护系统 （TPS） 等先进材料通常用于管理和散热，从而保护车辆的结构。以下是一些较宽的温度范围。请注意，这些续航里程将根据车辆设计和其他条件而变化：
低高超音速（5 马赫至 7 马赫）：在这些速度下，所经历的温度范围约为 900°C 至 1,500°C（1,650°F 至 2,730°F）。该范围表示物体与空气相互作用引起的压缩加热和摩擦加热效应。
中等高超音速（7 马赫至 12 马赫）：在此速度范围内，由于压缩和摩擦加热增加，温度范围约为 1,500°C 至 2,500°C（2,730°F 至 4,530°F）。这些温度对高超音速飞行器及其热保护系统的覆盖物、材料和机身的要求更高。
高超音速（12 马赫及以上）：在非常高的高超音速下，温度可能超过 2,500°C （4,530°F），并可能达到 3,000°C （5,432°F） 甚至更高。具体温度取决于车辆的设计和热保护系统的有效性。
为了帮助说明在这些速度下产生的热强度，下表提供了各种金属的熔化温度，作为说明高超音速热活动产生的热量的一般参考。
资料来源：（American Element，2022 年）
除了加热之外，冲击波还会导致阻力和空气动力增加，影响车辆的稳定性和控制，还会导致空气动力波动并引起振动或抖动，这在车辆设计中必须仔细考虑。
冶金和散热材料的进步
高超音速下发生的压缩性、摩擦阻力和冲击波加热引入的热力学特性使得高超音速导弹必须由能够承受其非凡速度产生的极端热量和压力的材料制成。材料科学的最新进展导致了可以承受许多这些条件的新化合物和组合物的开发。在过去十年中，我们在以下方面取得了进展：
碳-碳复合材料：碳-碳复合材料是嵌入碳基体中的碳纤维。它们具有出色的热稳定性，可承受高达 3,000 摄氏度 （5,432 °F） 的温度。这些复合材料重量轻、强度高，常用于航空航天应用。
陶瓷基复合材料 （CMC）：CMC 结合了陶瓷纤维和陶瓷基体。它们具有高强度和优异的耐热性。CMC 可以承受超过 2,000 摄氏度 （3,632 °F） 的温度。它们比传统金属更轻，正在研究用于高超音速飞行器结构。
难熔金属：某些难熔金属，如钨和钼，具有高熔点，可以承受极端温度。例如，钨的熔点约为 3,400 摄氏度 （6,152 °F）。这些金属通常用于需要耐高温的航空航天应用。
镍基高温合金：高温合金是在高温下保持强度的高性能合金。镍基高温合金，如 Inconel 和 Hastelloy，表现出优异的耐热性和抗氧化性。它们通常用于喷气发动机的高温部分，也可以考虑用于高超音速应用。
石墨烯：石墨烯是单层碳原子，排列在六边形晶格中。它具有卓越的机械、热和电气性能。石墨烯可以承受高温并具有出色的导热性。但是，它仍处于早期开发和大规模生产阶段。
如果回顾高速飞行的历史，可以观察到随着速度的提高和对改进材料的需求而随着时间的推移而发生的变化。
图 13-6
使用各种材料散热的改进
来源：（Glass，2015 年）
本章仅涵盖目前正在开发高超音速应用材料的几个领域。这是一个积极研究的领域，不断探索新材料和复合材料。
除了提高耐热性外，通过更先进的保护材料和技术改进热保护系统 （TPS） 来散热也至关重要。散热通常通过空气动力学/结构设计和实施有效的热管理系统 （HMS） 来解决，该系统可快速重新分配热量以保护机身和电子仪器。由于压力和温度的快速变化可能会对电子元件构成重大风险，因此这成为一项关键的工程挑战。例如，几乎所有的电子元件都是用一种焊料连接的。其中一种焊料是共晶金锡“（金锡 （AuSn） 焊料是一种共晶合金，由 80% 的金和 20% 的锡重量组成，熔点为 280°C （536°F）。（电 - 磁，2023 年）。据报道，其他特种合金在钎焊应用中的熔点为 1000 摄氏度（1,832°F）。在共晶金锡 （金锡 （AuSn） 焊料的情况下，如果内部温度超过 280°C （536°F） 的熔点，焊料将开始熔化并松开组件之间的连接。这只是一个例子，但其他组件也直接受到热量的影响。幸运的是，数十年来为卫星研究、开发和实际发射收集的信息得出了仪器的许多操作限制。然而，无论结构对熔化的耐热性如何，“最高结构温度仍然远高于导致电子元件退化和失效的温度......组件可以承受低至 –55°C （–67°F） 和高达 125°C （257°F） 的温度...这些热条件会导致多种故障模式，包括封装和芯片开裂、键合线断裂、水分进入、芯片分层、锡须生长和焊点故障。（电子产品，2019 年）。
图 13-7 速度和温度比较
注意：温度将根据车辆的材料和空气动力学设计而变化。
如上图所示，必须应用和维护热管理，以确保计算、导航、方向控制、通信和其他管理功能所需的仪器不受影响。
热管理系统 （HMS） 研究已扩展到许多领域，以应对因高超音速产生的热量而发现的挑战。这些系统旨在消散或吸收过多的热量，防止损坏关键部件并确保导弹的性能。以下是一些示例：
散热器和散热器：散热器和散热器可散发关键部件的多余热量。这些系统通常使用高导电材料和结构（如热管或散热片）来吸收和传递敏感区域的热量。散热器为热量辐射到周围环境提供了一个表面，有助于为导弹降温。
主动冷却：在某些情况下，高超音速导弹利用主动冷却技术来管理热量。这可能涉及冷却剂（如液体或气体）通过导弹结构内的通道循环，以吸收和带走关键部件的热量。主动冷却系统虽然更复杂，但可以提供高效的热传递，并能够在高温条件下持续运行。
绝缘：绝缘材料用于最大限度地减少炎热的外部环境和导弹内部组件之间的热传递。多层绝缘 （MLI） 毯或其他低导热性材料可形成热屏障并保护敏感组件免受过度热量暴露。
热管理设计：导弹的整体设计，包括其形状和配置，都经过优化以管理热量。通过精心塑造导弹的机身并结合空气动力学特性，它可以帮助控制飞行过程中产生的热量强度，并最大限度地减少其对关键部件的影响。
图 13-8
各种冷却技术示例
来源：（Le， Ha， & Goo， 2021）
持续高超音速飞行特别令人感兴趣的是各种类型的主动冷却系统;一些高超音速导弹可能采用主动热控制系统，该系统使用先进的技术来管理热量。这些系统可以包括各种方法，例如蓄热式冷却、薄膜冷却和其他冷却技术，以有效控制温度并保护关键组件：
再生冷却：再生冷却是高超音速导弹中常见的主动冷却技术。在这种方法中，冷却剂（如液氢或燃料）通过导弹结构中的通道或管道循环，通常围绕燃烧室或喷嘴。冷却剂从热表面吸收热量，然后通过热交换器冷却，然后再循环。冷却剂的这种连续循环有助于将温度保持在可接受的范围内。
薄膜冷却：薄膜冷却是高超音速导弹中采用的另一种主动技术。它涉及在热表面上释放一层冷却剂薄膜，通常是液体或气体。冷却剂形成保护层，有助于减少向结构的热传递。冷却剂膜可以从小孔喷涂，也可以通过导弹表面的多孔材料输送。
蒸腾冷却：蒸腾冷却涉及在导弹表面使用多孔材料或涂层。冷却剂供应到多孔材料中，然后渗透到材料中并在外表面蒸发。这种蒸发从表面吸收热量，有效地冷却它。
高超音速导弹中使用的特定冷却系统取决于各种因素，包括导弹的设计、材料、操作条件和任务要求。每个冷却系统都有优点和局限性，冷却技术的选择取决于重量、复杂性和可靠性，并且需要性能权衡。
机身设计和机动性的进展
最近的进展集中在通过提高车辆的敏捷性来提高机动性。这种敏捷性将有助于避开敌人的防御，并更好地使他们能够更准确地击中目标。这方面的一些显著改进是：
空气动力学形状优化：先进的计算流体动力学 （CFD） 技术与强大的计算资源相结合，可以对机身的形状进行详细分析和优化。这包括改进飞行器的外部轮廓，以最大限度地减少阻力并提高高超音速下的空气动力学效率。改进车辆的空气动力学形状有助于减少热量产生并实现更高效的推进。
机动和控制系统：高超音速飞行器需要先进的机动和控制系统来应对具有挑战性的飞行需求。开发先进的飞行控制算法、反应控制系统和空气动力学控制面，可以在高超音速飞行期间实现更好的机动性、稳定性和控制权限。这些系统可实现精确的轨迹控制、机动执行和车辆稳定性。
可变几何图形：一些高超音速机身设计包含可变几何特征，例如可调节机翼或控制面。可变几何结构允许飞行器根据不同的飞行条件优化其配置，包括不断变化的空气动力、重心和稳定性要求。这种灵活性增强了在各种飞行条件或要求下的性能和控制。
主动流控制：主动流量控制技术涉及使用传感器、执行器和智能控制系统操纵机身周围的气流。这些系统可以通过操纵边界层流动或采用自适应控制表面来提高空气动力学效率、减少阻力并改善稳定性和控制。主动流量控制可实现更好的车辆响应、改进的机动性和更高的整体性能。
集成车辆设计：高超音速飞行器设计的进步涉及将飞行器视为一个整体系统，而不是单个组件。为了实现整体性能改进，集成车辆设计方法优化了各种子系统之间的交互，例如空气动力学、推进、结构和控制。这种整体设计方法可确保有效利用资源、减轻重量、最大限度地提高性能并增强可操作性。
可变几何的概念，也称为变形机身，是整体设计方法的产物。它是指允许在飞行过程中改变飞机结构的形状或配置的设计和技术。这种能力提供了几个潜在的好处，包括改进的空气动力学性能、增加机动性、减少阻力、提高燃油效率和对不同飞行条件的适应性。以下是变形机身技术的一些关键方面和示例：
形状变化的结构：变形机身包含可以改变形状或配置以优化性能的结构。这可能涉及使用灵活和智能的材料或机制来控制变形。例如，可变外倾翼可以改变机翼表面的曲率，以改善升力特性和控制。
自适应机翼变形：自适应机翼变形侧重于改变机翼形状以适应不同的飞行条件。这可能包括改变机翼后掠、跨度、和弦长度或扭曲。通过调整机翼的几何形状，飞机可以在各种飞行条件下优化其性能，从亚音速到超音速或高超音速。
主动流量控制：变形机身可以采用主动流量控制技术，例如合成喷射执行器或流体装置，以操纵飞机表面的气流。这些设备可以在气流模式中创建局部变化，减少阻力，增强稳定性并提高控制权限。
形状记忆合金 （SMA）：SMA 在受到特定刺激（例如电气或温度变化或机械应力）时会发生变形并恢复到其原始形状。通过将 SMA 集成到机身结构中，组件可以根据不同的飞行条件改变形状或位置。
分布式控制系统：变形机身需要复杂的控制系统来监控飞行条件并相应地调整飞机的形状或配置。这些系统通常使用传感器阵列、计算算法和执行器来实现实时调整，以提供保护并确保最佳性能。
仿生学：变形机身设计可以从大自然中汲取灵感，模仿鸟类、昆虫或海洋动物的适应性特征。例如，鸟类在飞行过程中改变翅膀形状的能力激发了仿生变形翅膀设计的发展。
图 13-9
变形机翼和机身
注意： 不同的 morphing 配置可以提供相对于所执行的操作的最终配置。上图具有 Standard flight、Lottery 和 dash 配置。
改编自：https://trimis.ec.europa.eu/sites/default/files/project/documents/40418/final1-maws-overview.pdf（Yang， Nangia， & Cooper， 2014）
变形机身在早期阶段是一个很有前途的研究领域。然而，如前所述，这些需要在材料科学、控制系统和制造技术方面进行持续研究和进步，以实现能够满足军事需求的变形机身。
计算机开发和人工智能 （AI） 的进步
开发用于高超音速导弹的计算机对于实现此类武器所需的性能、准确性和响应能力至关重要。实现这一目标需要复杂的机载计算机来处理实时复杂的任务。以下是计算机开发中将影响高超音速导弹发展的一些关键方面：
抗辐射处理器：高超音速导弹通常在高辐射水平的环境中运行，例如在太空旅行或重返大气层期间。为了确保板载电子设备的可靠性，使用了抗辐射处理器。这些处理器旨在承受辐射的影响并防止由辐射引起的错误引起的故障。
高性能处理器：高超音速活动需要能够快速准确地执行复杂算法的强大处理器。这些处理器必须以极高的速度处理导航、制导、控制和传感器数据处理任务。通常采用专门的高性能计算架构（如多核处理）来满足这些要求。
实时操作系统：为了确保及时执行关键功能，高超音速导弹通常使用实时操作系统 （RTOS）。RTOS 根据任务的紧急程度确定任务的优先级，最大限度地减少延迟的可能性，并确保在飞行过程中进行精确控制和响应。一些 RTOS 允许分离关键和非关键软件组件，从而允许多个操作系统或应用程序在同一硬件平台上共存。
导航和制导算法：复杂的导航和制导算法对于高超音速导弹保持其预期轨迹并准确击中目标至关重要。这些算法持续分析传感器数据，例如 GPS 信号和惯性测量，以计算最佳飞行路径并实时调整航向校正。
传感器融合：高超音速导弹依靠各种传感器，例如惯性测量单元 （IMU）、GPS 接收器和高级成像或目标跟踪传感器，来收集有关其周围环境和目标的数据。传感器融合算法整合了来自这些不同来源的信息，以增强态势感知并提高导弹识别和交战目标的能力。
自主决策：高超音速导弹通常在有争议和快速变化的环境中运行。因此，他们可能需要做出自主决策以适应意外情况或对策。先进的人工智能 （AI） 和机器学习算法被集成到导弹计算机中，以提供智能决策能力。
图 13-10 带有加油 Drogue 联轴器的 U 型联轴器的高级架构示例
注意：这并不代表为高超音速飞行器提供服务的更复杂的架构和子系统，而是给出了必须考虑的活动的一般概念。
改编自：（Wilson，2015 年）
安全通信：高超音速导弹在飞行过程中可能会与指挥中心或其他平台通信，需要安全可靠的通信系统来中继数据并接收更新的指令。加密和安全通信协议对于保护导弹的完整性和维护操作安全至关重要。此外，必须快速执行加密/解密过程，以避免在通信、命令和控制 （C3） 流程中引入延迟。系统还必须考虑在这种速度下车辆周围的电离。
容错和冗余：暴露在极端条件和具有挑战性的环境中，机载计算机必须采用容错设计原则和冗余表面控制系统，以提高任务成功的可靠性。这种冗余使导弹即使在飞行过程中特定部件发生故障也能继续运行。
尽管与所用处理器类型相关的许多信息都是机密的，但它们必须具有高性能计算能力，才能对车辆运行所需的许多传感器进行实时处理，并进行实时计算以实现精确机动执行。例如，在 5 马赫时，导弹的飞行速度约为每秒 1 英里。没有时间延迟计算或将信号传送到关键的机动部件。此类开发是一项多学科的工作，涉及航空航天工程、计算机科学、电子学、系统集成和制造专业知识。
图 13-11
X-51A HCM 与子系统的剖面图
资料来源：J. Hank， J. M.、Murphy， J. S. 和 Mutzman， R. C.，“X-51A 超燃冲压发动机飞行
演示计划“，第 15 届 AIAA 国际太空飞机和高超音速系统，以及
技术会议，2008 年 5 月，第 7 页，（J. Hank，2008 年）
此外，改进计算硬件。软件必须同样高效并能够执行出色的分析，这一点至关重要。人工智能 （AI） 在制导、导航、控制 （GNC）、目标获取和自主决策等各个方面发挥着作用。以下是高超音速导弹中的一些特定 AI 用途：
数据处理与融合：大量数据来自板载传感器和外部来源。AI 可以协助处理和融合这些数据，为导弹的制导和决策系统提供全面的态势感知。机器学习算法可以整合和分析来自多个来源的信息，以生成准确和实时的飞行时间评估。
GNC 优化：AI 可以优化高超音速导弹的制导、导航和控制算法，以提高飞行性能和准确性。机器学习技术可以分析大量数据，以改进轨迹规划、控制表面调整和整体飞行稳定性。
目标识别和跟踪：AI 可以分析传感器数据，例如雷达和红外成像，以检测、识别和跟踪目标。机器学习算法可以识别与各种类型目标相关的模式和特征，从而提高导弹捕获和交战它们的能力。同样的技术也有利于在飞行的各个阶段检测高超音速导弹的对抗措施。
自主定位：AI 可以根据预定义的标准自主选择目标并确定其优先级。将 AI 算法集成到导弹系统中，使其能够在没有人工干预的情况下分析实时数据、评估威胁并做出目标交战决策。
对策和适应性：高超音速导弹必须避开潜在的敌方防御，并对不断变化的情况做出反应。AI 算法可以评估和响应即将到来的威胁，确定对策，并相应地调整导弹的轨迹或战术。这种适应性可以提高导弹的生存能力并增加任务成功的可能性。
图 13-12
检测规避
来源：（Brimelow，2018 年）
通过机器学习增强的 AI 应用程序有可能规避敌人的对策，并根据当前情况和态势感知进行自我配置。此功能将允许设备对计划外的遭遇做出反应，并根据当前环境和可用的操作信息修改操作要求，或者在没有此类数据的情况下做出决定。
交付系统的增强功能
要适当地构建高超音速导弹的概念，必须了解有两大类，每类都可以从多个平台部署，例如空中、船舶、陆地或太空。正如第 7 册第 2 章关于卫星杀手和高超音速无人机（2022 年）所讨论的那样，高超音速巡航导弹 （HCM） 有一个独立的推进系统，通常由 SCRAM 喷气技术和高超音速滑翔飞行器 （HGV） 驱动，依靠重力和大气条件来产生速度和机动性。如果这些车辆从空中或太空平台释放，则很难追踪。
图 13-13
高超音速导弹的类别
来源：兰德公司（Speier， Nacouzi， Lee， & Moore， 2017）
与它们的前身弹道导弹不同，弹道导弹遵循抛物线形拱门，从发射到目标的飞行路径是可预测的。
图 13-14
弹道导弹轨迹示例
来源：（Salia，2018 年）
高超音速 HCM 和 HGV 在更平坦的轨道上运行，并且更具机动性。它们的敏捷性提供了更多的能力来避免被地面雷达探测，并且在部署时更有可能躲避对手的对策。导航、制导和控制技术的改进使其能够在其打击范围内寻找替代目标，甚至可以计算飞行路径，这会给用于检测和计算哪些位置可能成为潜在目标的概率的对手跟踪带来混淆。这种类型的欺骗将有助于阻碍反对派部署对策以保护实际目标的能力。
图 13-15
HCM、HGV 和弹道导弹的地面探测点
来源：（Higham & Strategy_Analytics，2022）
图 13-16
HCM 或 HGV 的可能替代目标选项
来源：（Delcker，2019 年）
与任何飞行的武器系统一样，重量和飞行特性成为设计、作战范围和速度的考虑因素。例如，这两种设计都需要一些初始级别的飞行辅助。HGV 经常需要助推器的帮助才能达到低轨道并利用重力。对于 HCM，需要助推器或空气发射以获得接合机载 SCRAM 喷气发动机所需的速度。此外，HCM 必须携带其燃料和其他所需的控制系统以及它将提供的有效载荷。火箭助推器、电子设备、轻质、耐热材料和空气动力学设计的进步使携带更大的有效载荷（核或常规有效载荷）成为可能。
航天飞机和 Space-X 等航空进步的出现消除了曾经使考虑一些先前概念的成本高昂或根本不可行的障碍。这些更现代的进步和技术改进为基于应用其他领域的进步重新考虑旧概念打开了大门。例如，人们对“雷神计划”或“来自上帝的棒子”等太空平台重新产生了兴趣，这些平台指的是创建涉及动能轰炸的太空武器系统。这个概念是利用重力来加速大型棒或弹丸，通常由钨等致密材料制成，在撞击地球上的目标时会产生巨大的破坏力。一旦从轨道动能轰炸平台发射，长 20 英尺、直径为 1 英尺且以大约 10 马赫的速度飞行的钨棒将具有足够的动能来造成大规模破坏（史迪威，20211 年）。
为了提供上下文，假设棒的直径为 1 英尺（0.3048 米），长度为 20 英尺（6.096 米），并且由钨制成，我们可以按如下方式计算重量：
半径 = 直径 / 2 = 0.3048 / 2 = 0.1524 米
体积 = π * （0.1524^2） * 6.096 = 0.554 立方米
重量 = 体积 * 密度 = 0.554 * 19,250 = 10,676.75 千克
钨棒重约 10,676.75 公斤（或约 10.68 公吨）。
在此重量下产生的动能加上 10 马赫的速度将产生：
速度 = 10 * 343（1 马赫）= 3,430 米/秒
将钨棒的质量转换为千克（~10.7 公吨 = 10,700 千克）
动能 = （1/2） * 10,700 千克 * （3,430 米/秒）^2
动能 ≈ 248,594,050,000 焦耳或 248.6 吉焦耳
从另一个角度来看，一吨 TNT 相当于 4.184 吉焦耳。因此，来自 20 英尺棒的能量相当于 59.4 公吨 TNT。这将比 2020 年 1 月 6 日袭击波多黎各海岸的 6.4 级地震略大，那次地震对南部地区造成了广泛的破坏。这种在毫秒内转化为势能的集中动能将产生毁灭性的影响。据估计，在上述重量和速度下，该杆的撞击角度为 50-60 度，可能会移动约 23,700 立方米的地球，产生强烈的热量，并留下约 49 米（161.75 英尺）宽和 12.3 米（40.35 英尺）深的撞击者。这不会考虑冲击波、飞溅的碎片或 EMP 产生造成的损害，并且几乎不会留下放射性沉降物。
图 13-17 THOR
图片来自：Kebal Space Program Forums / LADBible （SOFREP， 2022）
图 13-18 中国人报告了 KE HGV 的试投
资料来源：（中国武器，2020 年）
防御策略的修订
改进的多学科改进改进了高超音速技术，这使得检测和无效使用这些技术的武器变得困难。即使防守方具有进攻对等性，这也规定了进攻优势，除非防守方已经制定了适当的对策;即便如此，由于这些武器所涉及的速度、目标捕获能力和机动性，它可能会使防御者的任何反应时间无效。因此，必须增强防御性检测方法，以提供更快、更可靠的通知/警报，从而提高消除此类威胁的可能性。如本章前面所述，观察、定位、决定、行动 （OODA） 循环是评估后续操作并对其采取行动的主要方法。观察和定向的步骤越早完成，就越有时间做出决定和行动。
与计算机技术的创新一样，实时操作系统 （RTOS） 和 AI 正在协助基于高超音速的输送系统;相同或类似的技术可以帮助其检测和实施对策。我们讨论了航天飞机和 Space-X 等技术进步如何实现“雷神项目”等平台的交付。这些也使早期观察/检测的创新成为可能。这种创新将有助于改进 OODA 循环的 “Observe” 阶段。自 2019 年以来，五角大楼太空发展局 （SDA） 一直与诺斯罗普·格鲁曼公司、约克太空系统公司、L3Harris 和 Space-X 积极合作，构建和部署一个由数百颗小型卫星组成的美国军事巨型星座，以改善对高超音速导弹的探测。在助推器技术、重复使用助推器的能力以及返回发射台的能力取得进步之前，这种 scall 的部署是无法实现的。这种技术进步使得部署天基监测和通信卫星网络以提供全球的虚拟画布在技术和财务上都是可行的。
图 13-19 美国军用巨型星座的计划
照片：美国国防部，
来源：https://www.defense.gov/Multimedia/Photos/igphoto/2002511880/
这些配备了新传感器技术的新卫星网络可以检测到新的红外特征并刺穿等离子体隐身的盔甲。在许多情况下，当导弹达到如此高的速度时，由于空气压缩，它会经历极端的空气动力学加热，导致导弹周围形成等离子云。等离子体隐身，也称为基于主动等离子体的隐身，是一种拟议的技术，通过在飞机或导弹周围产生等离子云来降低飞机或导弹的雷达可探测性。
等离子体隐身背后的想法是利用高超音速飞行产生的高温在导弹周围形成一层电离气体或等离子体。这种等离子云可能会干扰雷达信号并降低导弹的可探测性。电离气体会反射、吸收或散射入射的雷达波，使雷达系统更难准确检测和跟踪导弹。
等离子体云形成的确切速度可能会有所不同，但通常发生在 7 到 10 马赫之间（海平面上大约每秒 2,390 到 3,430 米）。在这些速度下，导弹周围的空气变得如此高能，以至于电子和离子从它们的原子中解离，形成导电等离子体。
尽管等离子体隐身可以提供从雷达到此类导弹的可行隐身值，但提供这种隐身性的空气的电离本身可以被检测到，因为它会留下等离子体足迹，尽管这种足迹是短暂的（毫秒），但可以从配备的卫星财产中检测到（Harshitha & Baskaradas，2023）。如前所述，传统技术针对发射和跟踪洲际弹道导弹进行了优化，其卫星将检测筒仓和地面雷达的大李子和废气，这些雷达对不同的热特征和雷达反射敏感
图 13-20
星座中卫星的网状网络
资料来源：（Tingley，2021 年），照片：美国国防部的 SDA
这样的导弹发射。
分层防御
由于光电红外 （EO/IR） 领域的新技术，可以检测到从飞行剖面的滑行阶段过渡到末端阶段的高超音速导弹。此外，星座配置的天基红外系统 （SBIRS） 和高超音速和弹道跟踪空间传感器 （HBTSS） 的开发可以从发射的那一刻开始执行检测并跟踪导弹直至完成。AI 的进步有助于识别敌友、战斗管理、通信、指挥和控制。这些技术的结合将成为多层防御战略的一部分。这将包括雷达和天基监视和预警系统，并将包括配备接收器和各种类型直接能武器 （DEW） 的地面单位。这样的防御战略将结合先进的战斗管理系统，以协调和集成各种数据收集平台，包括空中和海上侦察。这种集成的信息收集将提供全面的实时态势图，为关键决策提供必要的基本信息。由于与高超音速武器相关的速度，可能需要将 AI 纳入拦截决策过程。这种需求将取决于导弹的探测时间及其与潜在攻击媒介范围内任何资产的距离。
图 13-21
分层检测、跟踪和拦截
资料来源：（Burgess，2022 年）照片：诺斯罗普·格鲁曼公司
随着技术的进步，迭代 OODA 循环的端到端时间会减少。最近讨论的主题有助于提高“观察”启动的能力。借助先进的计算机算法和来自其他来源和天基系统的输入，以及战斗管理系统的适当集成，可以更快地“定位”。但是，拥有足够的信息来“决定”和“行动”至关重要。这可能需要另一组技术，这些技术将根据从前面讨论的数据收集点收集的信息执行预测分析，以便在预测高超音速飞行器可能瞄准位置的概率时做出明智的决策。这变得很复杂，因为这些设备非常快速和敏捷，可能没有足够的时间来决定拦截、疏散或接受附带损害。这可能会受到迎面而来的武器的机载情报的进一步影响。攻击设备可能具有类似的内置智能，以解冻或反击防御者分析或计算拦截的任何尝试，从而消耗额外的时间。所有这些策略都可能在“决策”过程中造成额外的延误，更不用说国内和国际的政治影响，这可能是进一步的障碍。然而，在纯粹的战斗战区中，例如岸对舰攻击或地面支持行动，使用 AI 可以更快地做出这样的决定，而在战斗场景中，攻击通常集中在军事或战争支持资产上。但是，应该注意的是，使用 AI 系统做出自主发射决策存在重大的道德和伦理问题。世界上大多数军队都需要人工干预和监督才能授权发射导弹。
图 13-22 分层检测与防御
来源：（CSIS，2019 年），照片：导弹防御局
注意：借助架空持续红外 （OPIR） 卫星、改进的通信和 AI，可以更方便地执行综合战斗管理和拦截活动。
拦截和防御功能
OODA 循环的最后一步是在做出决定后采取行动。此时，行动时间的关键部分已经消耗在流程的前三个步骤中。最后一步也需要相当长的时间，因为物理活动包括目标获取、开发射击解决方案、发射和前往敏捷目标的绘制拦截位置的旅行时间，以 5 马赫或更高的速度行驶。如前所述，这种类型的拦截需要多层次和综合的防御策略。这些策略包括当前和未来的拦截功能
地对空导弹，包括舰基导弹系统。
直接能量武器 （DEW），分为以下几大类
Particle Beam Weapons（粒子束武器）：由一束高能粒子组成。
基于微波：旨在产生电磁干扰
基于激光：旨在加热或脉冲目标并摧毁关键部件
LIPC 武器：激光诱导等离子体通道形成一个通道，允许电磁流清晰地通过目标。
目前，现场空中防御武器的武器库仅限于 RIM-161 或 SM-3 级导弹等系统。这样的限制使得及时检测、跟踪和通信的能力变得极其重要。
图 13-23 高超音速地对空接收器导弹
资料来源：（CSIS，2023 年）
正在积极探索和测试其他陆基和海基系统的开发，例如电磁轨道炮 （EMRG），它可以弹射枪支制导弹丸 （GLGP） 或超高速弹丸 （HVP）。
正如 2023 年 4 月 21 日提交给国会的报告中所概述的那样，该报告讨论了对现有舰载防御系统肚脐脆弱性的担忧，建议对舰载固态激光器 （SSL） 技术进行投资。这导致了海军激光系列系统的发展，其中包括高级测试高能资产 （ATHENA）、高能激光反 ASCM 计划 （HELCAP） 以及具有集成光学眩光和监视 （HELIOS） 武器系统的高能激光器的开发（CRS，2023 年）。
除了激光型技术外，使用高功率微波系统执行反电子活动也取得了许多进步。此类系统会损坏对手武器的电子设备以及电子战和对抗系统，包括导航系统，其中微波会干扰或破坏通信和充分操作攻击武器所必需的其他功能。目前，该项目正在进行一项名为 CHAMPS（反电子高功率微波先进导弹项目）的工作，并据称已部署在一艘或多艘海军舰艇上进行测试和评估。
图 13-24 USS Stockdale 上规定的 ODIN 系统
资料来源：（Tingley， 2021） https://www.thedrive.com/the-war-zone/41525/heres-our-best-look-yet-at-the-navys-new-laser-dazzler-system
这项技术也在战术高功率作战响应器 （THOR） 中得到了证明，其中无人机集群被微波传输中和。
图 13-25 THOR 微波 DEW 系统
资料来源：https://www.airandspaceforces.com/air-forces-thor-drone-swarm-demo/
应该指出的是，正在开发更多高功率系统，以消除高超音速导弹带来的威胁。然而，在此期间，有一些现场系统可以消除来自 UAS 的更多次要威胁和攻击。在许多情况下，对手会实施耗尽舰船空中拦截器库存或支持近距离武器系统 （CIWS） 的弹药的策略。一旦库存耗尽，即所谓的“弹匣深度有限”，一艘船实际上将不受保护。此方案已通过使用 swarm 实现。虽然没有达到消除导弹等重大威胁所需的规模，但使用直接能量 （DE） 武器将有助于消除更轻微的威胁，例如无人机，并维护更重大威胁（例如高超音速导弹攻击）的消耗性资产。
总结
高超音速武器是真实的，自 1960 年代以来就已经存在。随着技术的进步，开发和部署更先进武器的能力也在进步。然而，当前世界大国吹嘘的高超音速武器类型继续部分违背物理学和目前可用的材料和技术来支持吹嘘、吹嘘和炒作。然而，对耐热化合物、流线型航空设计、计算机组件、传感器开发、卫星星座、战斗管理系统和人工智能的研究继续将这些愿望带入可行性领域，并继续提高每个人实现此目标的先发制人优势。同样，人们正在采取相同的多学科技术进步来制定对策来抵消此类攻击，以维持权力平衡。
总体而言，高超音速导弹技术的进步使这些武器更快、更有效。持续的发展也引发了人们对意外或故意使用风险的担忧，以及可能破坏作为威慑的进攻性平等和相互确保销毁的概念的稳定。由于高超音速武器的速度和敏捷性，它只会变得更快、更易操作，因此需要各国采取新的策略，这些策略可能需要人工智能做出发射决策，而不是人工干预，并采用修订后的检测时发射 （LOD） 政策，其中防御者必须在检测到被认为是敌人的发射时采取任何反制措施和报复行动，作为最后的努力提供最高的生存概率。这种策略将继续加剧紧张局势，并助长竞争优势的不可避免的循环。
