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國防科技

極音速飛彈吹捧上天

2021-11-01 撰文/萊特(David Wright)、崔西(Cameron Tracy)|繪圖/史托福(Brian Stauffer)
美、中、俄三國宣稱極音速飛彈的速度飛快且機動性高, 可閃避任何防禦系統,但就物理學來說,這種武器沒這麼厲害。這種炒作宣言反倒會提高全球軍事危機。

重點提要

  1. 關於極音速飛彈的浮誇宣言,可能引發新一波軍備競賽,提高全球緊張關係,軍事衝突一觸即發。
  2. 短期內部署的極音速飛彈,都是藉由火箭助推,其性能好壞的主要指標取決於升力與阻力的比值(升阻比)。
  3. 從性能上來說,比起發展成熟的彈道飛彈與巡弋飛彈,極音速飛彈在射抵時間、機動性、匿跡性皆無優勢。


2018年時,在俄羅斯一場聯邦議會實況轉播的演講中,該國總統蒲亭(Vladimir Putin)宣佈將加快和美國之間持續進行的軍備競賽。其實美國於2002年便已退出「反彈道飛彈條約」(Anti-Ballistic Missile Treaty),而且在拋棄這已有數十年歷史的限制戰略武器條約後,便研發並建立起一套用於攔截長程彈道飛彈的防禦網絡,而這就威脅到俄羅斯防禦本土的能力。蒲亭告訴聽眾,他早就警告美國,針對這種部署,俄羅斯將會做出反制,但美國硬是不聽。「你們現在都給我聽清楚了!」


除了其他系統外,蒲亭宣稱俄羅斯也在研發新的極音速(hypersonic)武器,這種遠程飛彈能在大氣層中以超過五倍音速飛行,亦即超過5馬赫(Mach)。1馬赫等於當地的音速,介於1~5馬赫則稱為超音速(supersonic),超過5馬赫稱為極音速。根據蒲亭的說法,其中一種稱為先鋒(Avangard)的飛彈發射速度超過20馬赫,且機動性高、可滑翔數千公里,「絕對無懈可擊,不論面對的是空中或飛彈的防禦系統。」


蒲亭的宣示,同時輔以懾人的試射影片,顯示新武器以令人無法置信的速度蛇行全球,無異是對危險的新軍備競賽火上添油。在這輪競賽中的武器被吹捧成不僅速度極快,而且有絕佳的匿蹤性(stealth)與機動性(maneuverability)。洲際彈道飛彈的飛行速度也可以超過20馬赫,在最後迎頭痛擊目標之前,都是在太空中沿著橢圓路徑行進,所以在大部份的飛行路徑屬於可預測的軌跡,而在重新進入大氣層後通常也只能短暫操控。對比之下,極音速武器大部份時間都是在大氣層深處飛行,憑藉氣流產生的升力來迂迴行進,以迴避攔截。它如此低空飛行來逼近目標,可避開地面雷達系統的偵測,所以要將之阻擋有其難度。


疾速、機敏又隱形?

美國軍事官員在針對蒲亭演講進行事後評估時,把中國也正在研發的這種極音速武器形容為「將澈底顛覆戰爭」。美國已經開發類似系統長達15年的五角大廈更是卯足全力,力促美國國會於去年專款提撥32億美元,用於研發極音速武器及防禦。俄羅斯與中國如今都各自聲稱,已部署至少一套系統,而美國已公開的極音速計畫有六項,涵蓋在陸海空三軍。支持者宣稱這種武器不但快到難以置信,而且機敏又近乎隱形。


我們兩人無法苟同。我們隸屬於科學家關懷聯盟(Union of Concerned Scientists),這個活力十足的小團體,成員有來自全球的物理學家與工程師,我們研究新的武器系統,以理解它們對全球安全的可能衝擊。此傳統之深,可溯及美國曼哈頓計畫的成員以及包含沙卡洛夫(Andrei Sakharov)在內的俄羅斯科學家 ,他們都曾對核武器的誕生予以助力,之後遂戮力於緩解核武器對世界造成的危機。我們身為物理學家兼調查員,盡力收集所能找到的最新而通常是機密的科技,並在完成分析後把評估報告公諸於世。


我們研究的結果顯示,極音速武器在某些場合或許有其優勢,這並不意味著它具有顛覆性。許多關於它們的宣稱要嘛誇大不實,要嘛根本弄錯了。但極音速武器將改變軍備競賽規則,此一廣泛誤解已加劇美、俄、中的緊張關係,驅動了新的軍備競賽,並增加了發生衝突的可能。


各國軍方研發極音速飛行器已近一世紀,但只獲得些許成功。奧地利工程師桑格(Eugen Sanger)與德國物理學家布列特(Irene Bredt)在1930年代晚期設計出首架極音速飛行器,這種稱為銀鳥(Silbervogel)的滑翔機是藉由火箭發射,但主要都在大氣層中飛行,而且類似於其他滑翔機,是利用空氣動力產生的升力來懸浮在空中。但德國納粹決策者認為,這種滑翔機太難製造且造價過高。


在二次大戰期間,德國工程師研發出火箭引擎,它的推進劑混合了燃料與化學氧化劑,燃燒後可釋出強烈爆發的能量。接下來的數十年,以火箭推動的飛行器在試驗中屢屢打破之前的速度紀錄。例如,以火箭推動的X-1這款飛行器於1947年10月,在飛行員駕駛下正式首度突破音障(速度超過1馬赫),而X-15於1960年代的測試中速度更高達6.7馬赫。火箭引擎所產生的強大g力(g-force)對人類生理耐受度是極大考驗,這就是為何有人駕駛的火箭推動飛行器始終只停留在實驗階段。但火箭技術確實讓美國與前蘇聯得以建立起核武彈道飛彈的軍火庫,並將其速度提升至超越20馬赫,以射抵各大洲。


話說回來,在同一時期所研發出來的噴射引擎科技,倒是成為軍用與商業旅行的主力。因為噴射引擎是吸進大氣中的氧氣來維持燃料不斷燃燒,所以不需要攜帶徒增負載的氧化劑。它實現了長程運輸與機動性,並避開火箭引擎的極端加速。有人駕駛的噴射飛行器現今最快的官方紀錄約達3馬赫,是由洛克希德公司的SR-71黑鳥號於1976年7月所締造。噴射引擎也用於推進巡弋飛彈,在這種可操控的無人飛行器之中,速度最快的也能達到超音速。


與此同時,極音速滑翔機的熱度也持續沖天,只是時不時地會跌到谷底。例如,在挹注超過相當於今日50億美元的經費後,美國於1963年毅然決然放棄研發中的X-20動力飛翔(dyna-soar)這種極音速滑翔機的設計。但在2001年9月11日蓋達組織的911攻擊之後,美國總統布希便指示展開極音速飛彈的研發,以便利用非核彈頭迅速而準確瓦解來自各大洲的恐怖活動。(彈道飛彈雖然也可完成這項任務,但其發射可能會被誤解為一種核武攻擊,從而引起核戰。)


極音速比一比

裝配武器的載具若以超過五倍音速(5馬赫)長距離飛行,而且利用來自大氣的升力加以操控,就歸類為極音速武器;彈道飛彈是以火箭助推器來加速,並能以高達20馬赫的速度飛行,但不歸屬於此類。

全球軍方研發的極音速武器有兩類,一類是巡弋飛彈,它全程藉由引擎推進,但能把此武器推進至超過5馬赫的引擎尚在研發階段。另一類是「助推滑翔式」武器,俄羅斯與中國都宣稱已完成部署。它們透過火箭助推器來達到極音速後,接著會在大氣層中滑翔很長距離,並利用氣流造成的升力進行操控。


布希政府退出了美蘇於1972年便已簽署的反彈道飛彈條約。此條約禁止雙方建造防禦性屏障來阻擋雙方的彈道飛彈,可望終止雙方「以余之矛破子之盾」這種科技研發競賽。然而布希政府接下來做的卻是,研發並部署可保護美國免受遠程彈道飛彈攻擊的攔截裝置。俄羅斯與中國近年擔憂自身軍備不足以嚇阻美國的核武攻擊,開始尋求各式策略來突破美國的屏障。當中最新的裝置便是極音速飛彈,它們飛得極低,所以可躲過用以攔截遠程彈道飛彈的裝置。總結來說,911攻擊促成了一連串倉卒的決定,並導致三個超級大國現今的局面,讓三個超級大國根據不同的技術和預設目的來競相研發極音速武器。


阻力與升力至關重要

在短期內各國所能部署的極音速武器系統,都會是「助推滑翔式」(boost-glide),它先藉由火箭助推器發射,然後在無推進力的情形下滑翔非常遠的距離。(美國和其他國家也試著要做出極音速巡弋飛彈,但引擎尚在研發中。)但我們研究的結果顯示,極音速滑翔機面臨著極大的挑戰,其中的阻礙正是物理學。


設計極音速飛行器的工程師所面臨的頭號對手是令人卻步的阻力(drag),流體對所有穿透其內的物體都會施加這樣的阻力。飛行中的物體所受阻力正比於速度的平方,所以對於極音速來說根本是致命傷。舉例來說,以5馬赫飛行的滑翔機所受阻力是1馬赫滑翔機所受阻力的25倍,而以20馬赫飛行時則大上400倍。


更嚴重的是飛行器往前把空氣分子推開時所損失的能量:這是以速度的立方來增加。因此,以5馬赫飛行的滑翔機損失的能量比1馬赫滑翔機損失的能量大上125倍,而以20馬赫飛行時損失的能量則大上8000倍。同樣也會造成問題的是,從滑翔機流入周遭空氣的動能會轉換成熱能與震波。此能量有一部份會以熱的形式回傳給飛行器,以10馬赫或更快速度飛行的助推滑翔式武器的前端,可能長時間處在比絕對溫度2000K更高。所以工程師面對的重大問題之一,便是該如何保護處於如此高溫下的飛行器。


與此同時,極音速滑翔機也和其他滑翔機一樣,都得靠產生的升力來懸浮在空中並轉彎。(此升力與運動方向垂直,而滑翔機可藉著側傾或其他可產生一個具水平分量升力的方式進行轉彎。)無獨有偶的是,升力也是正比於速度的平方。而且產生升力的這個空氣動力學過程還無可避免會產生阻力。升力(L)與阻力(D)的比值L/D稱為升阻比(lift-to-drag ratio),是滑翔機性能好壞的主要指標......


# 關鍵字:國防科技飛彈物理極音速
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