美國海軍中程常規快速打擊(IRCPS)

 

──by Captain Picard


 

起源:常規精準全球打擊計畫(CPGS)

在2000年代初期,美國國防部開始發展常規精準全球打擊(Conventional Prompt Global Strike, CPGS)
,目的是發展一種從美國本土發射、一小時內打擊全球任意目標的常規武器系統。這種攻擊速度類似
過去的洲際彈道飛彈,然而傳統的洲際彈道飛彈只能瞄準預先設定的固定目標(例如特定城市、重要基地),而CPGS則是希望在發現敵方某些關鍵性目標出現後(例如某個重要領導人物在某段時間內會出現在某個地點),在緊迫的反應時間內迅速給予精準有效的打擊,而且不需要動用核子武器。
美國國防部希望CPGS能取代約30%、過去由洲際彈道飛彈瞄準的攻擊任務。依照美國國防部的概念,CPGS被希望能進一步補充現在美軍投射武力,包括快速反應武力如前沿部署部隊(Forward Deployed Forces)、空中特遣群(Air Expeditionary Groups,快速反應備便時間約48小時)、海軍航母打擊群(反應備便時間約96小時)等等。

可能的CPGS武器包括三種:

1.由類似現有彈道飛彈的火箭來投擲的高速飛行器,能部署在陸基彈道飛彈發射台或核能彈道飛彈潛艦上。

2.由飛機、潛艦發射的超高音速(hypersonic,泛指10馬赫左右的飛行速度)的巡航飛彈。

3.由部署在太空軌道上的平台(如衛星)發射的超高速飛行器。

 

相較於以彈道拋擲、飛入大氣層以外的彈道飛彈,超高音速滑翔飛行器在大氣層頂部飛行,全程都以氣動翼面控制航向,因此能可改變航道、繞過國家領空;此外,由於不像彈道飛彈需飛出大氣層,飛行高度較低,一般用來探測彈道飛彈的地面遠程預警雷達難以早期發現。相較於彈道飛彈,高超音速武器全程都以氣動控制航道,誤差半徑可控制在公尺級,光靠武器動能就足以穿透地下工事,無須動用核子戰鬥部。此外,高超音速武器飛行高度低於彈道飛彈(彈道飛彈離開大氣,超高音速武器在大氣層頂部飛行),可以躲避敵方彈道飛彈長程預警雷達,也不會被誤認為搭載核子戰鬥部的洲際彈道飛彈而引爆核戰;而超高音速武器的飛行高度與速度比一般陸基、艦載防空飛彈系統的攔截範圍高得多,等於利用了反彈道飛彈系統與一般常規防空系統的空隙。

超高音速飛行器的主要技術難題是在大氣層內高速飛行時,空氣的摩擦生熱、震波會使其表面溫度達攝氏數千度,可輕易燒毀飛行器,因此耐熱材料是主要的門檻;此外,高超音速飛行時,飛行器周遭的流場環境相當複雜,控制面既要精確控制又不增加太多阻力,也是一大難題。再者,高超音速飛行時,震波與高熱會將空氣與表面蒙皮解離形成電漿,將無線通信屏蔽,無法與外部進行指令收發(例如中途更新目標資訊或停止攻擊等),同樣需要突破材料技術(例如發展耐高溫複合材料)。另外,固然超高音速飛行器可壓低飛行高度來迴避敵方長程預警雷達,然而在大氣層內飛行意味全程都會與空氣摩擦產生高熱(彈道飛彈在外大氣飛行階段就不會與大氣摩擦生熱),給敵方長程紅外線探測裝置(如監視衛星)更多機會察覺。

美國早在1950年代就開始發展在內大氣層飛行的超高音速武器技術,稱為「推升滑翔重返載具」(Boost Glide Reentry Vehicle,BGRV),利用Atlas洲際彈道飛彈搭載並發射升空,BGRV安裝在彈道飛彈前部(外型呈長針狀)。BGRV由麥克唐納.道格拉斯公司發展,在1966年的試飛中達到7000km射程,是史上首次長程極音速滑翔器飛行。

美國國防部執行的第一個CPGS計畫,是2002年左右展開的「獵鷹」(FALCON,Force Application and Launch from CONtinental United States)計畫,由美國國防部先進計畫研究局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA) 以及美國空軍聯合負責。獵鷹計畫預定發展一種載具可重複使用的超高音速武器系統(Hypersonic Weapon System,HWS),以及用來發射載具並協助其加速到巡航速度的發射系統;之後由於美國國防部先決定先集中力量發展超高音速飛行技術而不是直接開發一種武器系統,所以HWS改稱為超高速巡航載具(Hypersonic Cruise Vehicle,HCV)。

獵鷹計畫的主要測試載具項目包括:X-41通用空中載具(Common Aero Vehicle,CAV) ,以及超高音速技術載具(Hypersonic Technology Vehicle ,HTV)等。X-41的目標是一種能由彈道飛彈或巡航飛彈施放的超高音速飛行器,飛行速率約7到9馬赫,可攜帶1000磅籌載。

依照HTV的計畫,最早的HTV-1的升阻比(Lift-to-Drag ratio,L/D)約2.5,HTV-2增至3.5~4(之後實際試飛的HTV-2約為2.6),兩者都由火箭從地面發射升空,其中HTV-2的飛行速率高達21000km/hr(約每小時13000英里)。HTV-1原定在2007年9月試飛,但遭到取消,直接專注於發展下一階段的HTV-2。完成HTV-2之後,原訂以之為基礎發展HTV-3X Blackswift(原訂在2025年部署)超高音速巡航載具,這是一種能由常規跑道起降、反覆使用的超高音速無人巡航載具(HCV),升阻比4~5,能攜帶5400kg(約12000磅)的籌載,在2小時之內攻擊16650km以外的目標。HTV-3X 的所有推進系統都內建於機體內,由渦輪噴射引擎升空並加速到3馬赫,隨後以衝壓發動機加速到6馬赫。而如果想把速率進一步提高到10馬赫,HCV載具在4萬公尺高空(約13萬英尺)需要6至7的升阻比。

此後,美國陸軍太空與飛彈防禦司令部和空軍戰略司令部(U.S. Army Space and Missile Defense Command/Army Forces Strategic Command,SMDC/ARSTRAT)也展開另一個類似的CGPS計畫,稱為先進超高音速武器(Advanced Hypersonic Weapon,AHW),目標是發展一種攻擊距離約3200海里(6000km)、飛行時間在35分鐘以內、圓週誤差半徑小於10m的超高速精準常規武器。依照美國陸軍公布的資料,AHW能攜帶約450公斤的戰鬥部。AHW計畫大約在2006財年左右出現。

在2008財年,美國防部對CPGS項目進行一些重要調整:第一,將項目目標由武器裝備研製變更為較長期的技術驗證;第二,各軍種進行的相關項目由國防部長辦公室統一管理,避免各計畫發生重複建設;第三,除了原本的美國空軍和海軍外,也將陸軍納入,並組建了由美軍軍方、重點實驗室和學術機構等在內的國家級科研團隊,合作進行技術發展。在2008年的重整後,國防部直接領導的CPGS項目重點支持了兩大技術方案,第一是DARPA與空軍合作的「獵鷹」計畫中的HTV-2(HTV-3X則遭到取消),第二則是陸軍為主的AHW。

(上與下)美國DARPA與空軍主導進行的超高音速測試載具二號(HTV-2)的想像圖,上圖

是籌載火箭與HTV-2載具分離瞬間的想像圖,下圖是HTV-2重返大氣層的想像圖,

其飛行速率高達20馬赫。不過在2010到2011年,HTV-2的兩次試飛都宣告失敗。

HTV-2在2010年4月22日進行首次試飛(HTV-2a),由Minotaur IV Lite火箭搭載。

此次試射宣告失敗。

HTV-2的飛行測試由DARPA、美國國家航空太空總署(NASA)、太空與飛彈系統中心(the Space and Missile Systems Center)、聖迪納國家實驗室(Sandia National Laboratories)、空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory,AFRL)的飛行與太空載具分部(Air Vehicles and Space Vehicles Directorates)以及洛克西德.馬丁(Lockheed Martin)公司等單位一同合作。HTV-2的機體由洛克希德.馬丁製造,以耐超高溫的石墨複合材料為主,因為在20馬赫的飛行速度下機體會產生華氏3500度(約攝氏1926.7度)的高溫,鋼鐵在華氏2500度(1371度)就會融化。

在2010年4月22日,HTV-2進行第一次試射(編號HTV-2a),由Minotaur IV Lite火箭搭載,從加州范登堡空軍基地(Vandenberg Air Force Base, California),原訂橫越太平洋並落在夸賈林(Kwajalein)還礁,飛行距離4800海里(7700km),飛行速度高達20馬赫;然而載具成功發射後約第9分鐘、火箭與HTV-2載具分離時,突然失去聯繫,試射沒有成功。在2010年11月中,DARPA公布HTV-2第一次試飛的報告,表示載具與火箭分離後就發生劇烈滾轉,載具的飛控電腦遂下達「飛行終止」指令(commanded flight termination);依照DARPA的說法,HTV-2的自動導航儀一旦發現載具呈現不合預期或不安全的狀態,就會強迫進入一個可控的螺旋航道並直接俯衝入海,避免造成傷亡。在2011年8月11日,HTV-2進行第二次飛行測試(編號HTV-b,原訂在8月10日進行,因為氣候惡劣而言後一天);這一次,HTV-2成功發射,然而同樣在升空後約9分鐘、載具與發射火箭分離並進入滑翔軌道的時刻,HTV-2又失去聯繫。HTV-2第二次試飛失敗的原因與第一次相同,載具與火箭分離後發生劇烈滾轉,使得導航電腦下令終止飛行並進入俯衝自毀航道,約在3分鐘之後落海。調查顯示,HTV-2載具分離時,表面溫度上升到華氏3500度(顯示應有加速到原訂的20馬赫),高溫使得載具部分外皮脫落,可能是失控的原因。

美國陸軍主導開發的AHW載具想像圖。

AHW在2011年11月17日由夏威夷發射升空進行首次試飛的畫面,由一個三級固體火箭搭載。

HTV-2第二次飛行測試失敗後三個月,美國陸軍主導的AHW在2011年11月17日成功進行第一次試飛:測試的AHW載具在夏威夷當地時間上午1時30分由夏威夷考艾島(Kauai, Hawaii)的太平洋飛彈試射場(Pacific Missile Range Facility)發射升空,由一個三級固態火箭搭載,AHW載具與火箭分離後以滑翔彈道飛行,並成功命中距離2300海里(3700km,其中AHW載具滑翔距離約2500km)以外、為於夸賈林環礁(Kwajalein Atoll)的雷根測試場(RTS)預定目標,飛行時間約30分鐘,最大飛行速率約8馬赫,飛行高度約9000km,終端撞擊速度約4馬赫;由此可見,AHW的第一次飛行測試的距離、速率都遠低於HTV-2。在2014年8月25日,AWT在阿拉斯加柯狄亞克發射場(Kodiak Launch Complex)進行第二次試射,但此次測試以敗收場,調查結果認為是因為用來保護火箭發動機 的隔熱外罩與載具飛行控制面發生衝突,導致載具升空後不久就發出飛行終止信號。

在2011年HTV-2方案連續兩次試飛失敗和AHW首次試飛成功之後,美國國防部CPGS計畫就將AHW列為優先資助計畫,整個CPGS項目的絕大部分經費都給了AHW。在2013年7月,DARPA決定終止HTV-2的試飛,不再進行第三次,因為前兩次試飛已經獲得足夠數據(包括空氣動力、高溫對載具結構影響等),再繼續試飛不會提供更有用得數據。雖然不再試飛,HST-2的相關研究活動仍持續到2014年夏季,對超高音速飛行進行更多更進一步的研究。

總計從2008到2014財年期間,HTV-2項目共獲得國防部超過4.77億美元資助,AHW項目則獲得4.63億美元撥款,各自進行了2次試飛。

CGPS的實用化:中程常規快速打擊(IRCPS)

在2012年美國國防部公布的「國防預算優先事務與選擇」文件,首次提到打算在潛艦上部署一種類似CPGS的常規快速打擊武器;這是2008年以後,美軍第一次提到將CPGS相關技術成果轉化為一型武器。
不過,或許由於擔心升高可能的核武衝突,美國國防部一度推遲了潛射CPGS的發展。在2014年2月,美國海軍提出了一個為期二年的業界取捨(industry trade studies)研究,針對潛射超高音速中程(hypersonic submarine-launched intermediate-range)PGS武器進行相關的可行性研究工作;這項研究旨在評估各種可能的技術選項,而不是在系統等級上開始發展具體型號的武器。美國海軍表示,在這項可行性研究中,打算頒授一至二個為期13個月給技術評估機構,每個合約價值約500萬美元。

在2014年,美國海軍戰略系統項目辦公室正式從國防部手中接過CPGS項目的主導權(這與美國陸軍主導的AHW項目在同年第二次試飛失敗無關),並啟動「中程常規快速打擊」(Intermediate Range Conventional Prompt Strike,IRCPS)項目,這意味著CPGS武器項目第一個實用化的目標,是海軍領域的潛射超高音速武器,將結合先前HTV-2與AHW的技術成果。依照美國防部預算申請文件,CPGS項目在2015至2017財年期間累計獲得批准3.66億美元的經費,並預計在2018至2022財年累計申請到10.93億美元預算。美國國會也要求美國防部,必須在2020年9月底前完成CPGS項目的里程碑A(Milestone A,即從先期研究轉入具體武器型號項目的技術成熟與降低風險研究階段)。依照美國海軍的2019財年預算申請,會在2020財年完全接手原CPGS項目,並改稱為常規精準打擊(Conventional Prompt Strike,CPS),並在2020財年起啟動一種戰略級潛射型高超音速助推滑翔導向武器的研製計畫。CPS項目在2019年下半進入工程發展製造(EMD)階段,並至少持續到2023財年;美國海軍在2019財年預算申請文件中提到,計畫於2020至2023財年申請16.3億美元的預算給CPS項目。這意味美國海軍的戰略級潛射型高超音速飛彈應會在2023財年以後服役。

在2017年10月30日,IRCPS項目在夏威夷考艾島的太平洋飛彈測試場成功完成第一次飛行測試(代號FE-1),此一測試的主要責任單位是美國海軍戰略系統辦公室,美國能源部、美國陸軍等也參與合作。IRCPS的FE-1主要是在先前AHW的基礎上(AHW第一次試飛已經驗證了超高音速滑翔飛行器的氣動力性能,以及導航/控制/熱防護等技術),進一步驗證高超音速滑翔飛行器的升級飛控軟體、導航控制演算法、航電設備、子系統小型化以及可製造性等等。IRCPS的FE-1測試的各項細節大致與先前AHW第一次試飛相同,例如同樣使用美國陸軍稱為「戰略靶標系統」的三級固體火箭(含負載段的全長約10m、重約16噸、直徑約1.4m)發射升空,目標同樣是夸賈林環礁(Kwajalein Atoll)的雷根測試場(RTS),飛行距離約3700km,飛行時間不到30分鐘,而飛行參數(高度、速度等)可能也都與AHW第一次試飛類似。

美海軍計劃在2019財年(2020年)進行IRCPS的第二次飛行測試(FE-2),可能在2022年進行第三次飛行測試(EF-3)。在這段期間,IRCPS項目需要開發所需的大量相關技術,包括潛艦從水下發射的火箭助推器。美海軍在2017年10月發布了IRCPS項目技術驗證助推器(TB)的需求徵詢書(RFP);依照RFP記載,美國海軍目前已經完成了技術驗證助推器的初步設計,是一種兩級固體火箭發動機,而此次招標主要項目內容包括對方案設計進行驗證,以及助推器兩級火箭發動機的製造、靜態點火試驗等。

目前推測IRCPS開發的潛射超高音速武器的射程約4000至5000km(依照「中程」的定義,應不會超過5500km)。由於發展自先前陸軍的AHW,因此IRCPS的飛行參數估計與之類似(飛行速度約8馬赫、終端撞擊速度約4馬赫)。由於IRCPS必需能部署在潛艦上,因此要求的尺寸更為緊致,戰鬥部重量可能比原本AHW更低。

部署方面,IRCPS可望部署在美國海軍四艘俄亥俄級(Ohio class)巡航飛彈潛艦(將原本三叉戟彈道飛彈發射管改裝巡航飛彈發射模組)以及維吉尼亞級潛艦籌載模組(Virginia Payload Module,VPM,維吉尼亞Block V起)內,兩者的垂直發射艙直徑為2.2m;因此,如果IRCPS的直徑控制在1m以內,每個VPM可容納至少兩枚。

 

美國加快超高音速武器發展

在2010年代,由於俄羅斯、中國大力發展高超音速武器的跡象日益明顯,美國開始出現喪失領先地位的危機感。從2016年以來,前美國防部常務副部長羅伯特.沃克、參謀聯席會議副主席保羅·席爾瓦等多位高層人物都曾公開發表「美國已經喪失高超音速技術領先地位」,而美國軍方、各民間智庫都不斷呼籲加速發展高超音速武器,以抵銷中國與俄羅斯近年在此領域的快速發展。在2018年3月,美國國防部先進計畫研究局(DARPA)主管Steven Walker表示,現階段中國國內的高超音速風洞數量是美國的二到三倍,顯示中國早以將高超音速武器領域作為重點發展項目,而美國也必需比照辦理。

依照2018年初美國國防部各機構以及各軍種公布的2019財年國防預算申請文件,美國國防部2019財年在高超音速武器領域的研究、發展、測試、評估(RDT&E)預算超過10.25億美元 ,比前一財年(2018財年)的6.35億美元大增63%,創下近十年來美軍在高超音速研究領域的歷史新高;從2009到2016財年,美國國防部用於高超音速技術的預算總額保持在2至4億美元之間,2017財年增長到近5億美元,2018財年突破6億美元。2019財年相關預算增長的主要來源,是美國各軍種啟動多個高超音速武器型號的研製計畫,包括美國空軍新設立了「空射快速反應武器」(Air launched Rapid Response Weapon, ARRW)和「高超音速常規打擊武器」(HCSW)等兩個戰術級空射高超音速導向武器型號項目,預定在2022財年完成;國防部先進計畫研究局(DARPA)已有的「戰術助推滑翔(Tactical Boost Glide,TBG)項目新增一家總承包商而大幅擴充預算規模;而美國海軍從國防部長辦公室逐步接手的常規精準全球打擊(CPGS)項目則在2020財年完全接手,稱為常規精準打擊(Conventional Prompt Strike, CPS),依照原定的節奏,在2020財年起啟動一種戰略級潛射型高超音速助推滑翔導向武器的研製計畫。

此外,美國軍方從2017到2019財年開始有密集的高超音速試飛活動,例如美空軍和DARPA聯合主管的兩個高超音速飛彈演示驗證項目都在2019財年進行試飛,國防部長辦公室(OSD)主管的CPGS項目在2017與2019財年各進行一次試飛。

而美國國防部與各軍種未來五年內的高超音速武器RDT&E預算將逐漸下滑,因為各軍種高超音速武器的研製、試飛將陸續完成並轉入量產部署階段,因而會改列於裝備採購預算中,而不是研究發展項目。這意味美國空軍可能從2023財年起就會開始裝備ARRW與HCSW這兩種超高音速武器。而美國海軍的戰略級潛射型高超音速飛彈應會在2023財年以後服役。



中國/俄羅斯的超高音速武器發展

在2014年1月,美國保守派新聞機構「華盛頓自由燈塔」(The Washington Free Beacon)
撰文披露,美國國防部確認中國在2014年1月9日首次測試一種高超音速武器,被美國國防部賦予「WU-14」的代號(並非中國方面型號)。依照後續新聞,中國隨後陸續進行多次超高音速武器試射,分別在2014年12月2日,2015年1月9日、4月7日、6月7日、8月20日和11月23日,以及2017年4月22日等,總共只有一次失敗;其中,2017年4月22日的試射是從山西五寨基地用彈道飛彈發射升空,以每小時6400~11000公里的速度,沿著大氣層邊緣飛到中國西部地區,最高速度約為10馬赫。依照美方報導,推測「WU-14」的技術特性可能與HTV-2類似,飛行速度達10馬赫,而美國國情報部門也稱「WU-14」展示了「很強的機動性」。依照中國在測試期間發佈的禁航公告判斷,中國高超音速武器直線非席距離約在1250~2100km之間。這顯示中國成為繼俄羅斯、美國之後,全世界第三個掌握超高音速武器技術的國家。美國情報單位估計,中國會以東風彈道飛彈搭載「WU-14」,可能攜帶核子戰鬥部,用來穿透美國日益複雜完備的彈道飛彈防禦系統。依照2017年美方宣稱,中國實用化的高超音速武器(由彈道飛彈搭載升空)型號為東風17。此外,外界也推測中國發展的「反艦彈道飛彈」可能也會搭載超高音速武器作為戰鬥部。

在2018年3月初,俄羅斯總統普丁宣布了多項先進武器,其中包括幾種超高音速武器,首先是配備超高音速戰鬥部的先鋒式(Avangard)洲際彈道飛彈,主要就是針對美國在歐洲與本土部署的外大氣層中段反飛彈攔截系統(俄國宣稱其高超音速武器使用的高溫複合材料技術,可承受攝氏1600~2000度的高溫);另一種則是由MiG-31攔截機掛載的「匕首式」(Kinzhal)超高音速反艦飛彈(外型類似陸射的Iskander-M彈道飛彈)。俄羅斯航天軍司令Sergei Surovikin在隔天的記者會中透露,匕首飛彈一種高超音速飛航彈道飛彈(意味結合彈道飛彈與氣動飛行的特性),從MiG-31戰機發射後,只需10分種就可命中2000km以外目標(速率相當於10馬赫),飛行全程都可調整航向,能在全天候精確攻擊目標(意味具有導引裝置,可能包括衛星資料鏈更新以及飛彈本身的終端尋標器)。如此,搭載「匕首飛彈」的飛機可在敵方防空網之外發射,而且由於採用不同於彈道飛彈的氣動控制飛行,因此飛行高度比一般彈道飛彈低很多,不僅壓縮了反彈道飛彈雷達的探測距離,且讓美國海軍大力發展多年的外大氣層反彈道飛彈技術(如標準SM-3防空飛彈)無法攔截。「匕首飛彈」於2017年年底就在俄羅斯南部軍區進行作戰測試,而美國空軍在2019財年啟動的ARRW、HCSW等空射超高音速武器最快要到2023年才能試飛。

在2017年9月27日,美國蘭德(RAND)公司發布了一份名為「防止高超音速飛彈擴散:阻止一種新類
型武器的蔓延」(Hypersonic Missile Nonproliferation Hindering the Spread of a New Class of Weapons)的報告,認為美、中、俄正引領高超音速武器發展,三國應達成協議,阻止這類武器向外擴散。

隨著俄羅斯、中國相繼發展出高超音速武器,美國也開始研究對抗措施。由於高超音速武器是在大氣層內飛行,飛行高度比離開大氣層的彈道飛彈低,使陸基或海基反彈道飛彈預警雷達難以遠距離發現;而用於外大氣層攔截的標準SM-3自然也無法攔截大氣層內的高超音速武器。此外,高超音速武器的飛行高度又高於一般陸地、艦載防空系統的攔截範圍,等於是有效利用了常規防空系統以及反彈道飛彈系統之間的空隙。目前外界知道的美國防禦高超音速武器的相關項目,主要是提升衛星探測能力,例如利用紅外線探測衛星來偵測高超音速武器飛行時與大氣摩擦產生的高熱;以往紅外線彈道預警衛星用來偵測彈道飛彈升空階段的推進器尾焰,一旦火箭燃燒完畢就無法偵測。美國飛彈防禦局(MDA)在2009年發射的兩枚SSTS低軌道衛星,可在大氣層外偵測到彈道飛彈重返載具殘留的熱量,如果進一步改良就可以探測到大氣層內飛行高度較低的超高音速飛行器。