钱学森弹道,也被称为“助推-滑翔”弹道,是一种结合了弹道导弹和巡航导弹特点的新型弹道,它的整体轨迹有点像我们扔纸飞机

采用钱学森弹道的经典代表有DF-17,DF-27导弹。
我们从弹道导弹飞行的三个阶段来讨论普通弹道导弹和钱学森弹道导弹拦截难度:
一、助推阶段
助推阶段指 点火发射后,火箭发动机将导弹加速到极高的速度,冲出稠密大气层这个过程。
在这个阶段:
- 容易被发现:助推阶段火箭发动机产生巨大的火焰尾流,释放出非常强的红外信号,这使得导弹在太空中非常容易被红外预警卫星发现和跟踪。
- 速度相对较慢: 虽然导弹在助推阶段会迅速加速,但相对于中段和末段的极速,助推阶段的速度是相对较慢的,且速度还在不断增加中。
- 轨迹相对固定: 在助推阶段,导弹主要沿着一条预设的爬升轨迹飞行,其机动能力非常有限。这使得防御方更容易预测其短期的飞行路径。
- 目标比较大: 火箭发动机和燃料箱在助推阶段是导弹最大、最脆弱的部分,如果能在这个阶段被击中,整个导弹结构都会被摧毁,避免了弹头分离后难以拦截的问题。
然而,尽管有这些易于拦截优势,助推段拦截也存在巨大的技术和操作挑战,导致其在实战中难以实现:
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时间窗口极短: 洲弹道导弹的助推段通常只有3-5分钟,短程或中程导弹的助推段更短;这要求拦截系统必须在极短时间内完成探测、跟踪、识别、决策和发射拦截弹,并确保拦截弹能迅速抵达拦截位置。
采用钱学森弹道的导弹助推阶段主要目标是为了达到极高速度和到达指定滑翔高度,从而实现远程滑翔,理论上时间更短,所以更加难以拦截。
地理位置限制: 助推段发生在导弹发射方领土或其附近,要在助推阶段几分钟内摧毁导弹,这意味着拦截系统必须部署在非常靠近敌方导弹发射位置,对于小国家基本就是边境,对于大国家基本就是要部署在对方领土领空内,这存在巨大的政治、军事和安全风险,几乎成为不可能。
技术难度高: 需要能够快速响应、高速飞行且具备高精度制导能力的拦截器,以及能穿透敌方空域的平台(如无人机、空基平台或天基平台)。
总结下就是在助推阶段拦截在技术上有可行性,但是由于时间窗口端、地理位置限制、穿透对方防御网的难度等原因导致助推段拦截未形成成熟的实战部署能力,虽然钱学森弹道导弹理论上拦截时间窗口更短(但大家本来都很短,这个阶段优势不明显),但在不管哪种导弹在实战过程中几乎未有助推阶段被拦截下来,可以说在这个阶段不分伯仲吧。
二、飞行中段
助推段结束后,弹头与助推器分离,弹头在外太空或者稠密大气层外飞行。
在这个阶段,普通弹道导弹:
- 轨迹可预测: 普通弹道导弹在中段通常在大气层外(太空),以惯性沿着一条相对固定的、可预测的抛物线弹道飞行,一旦其助推段结束,弹道参数基本确定。
- 飞行时间长: 普通弹道导弹(尤其是洲际弹道导弹)在中段的飞行时间通常是其整个飞行过程中最长的阶段,可能持续 15到25分钟甚至更久,这为防御方提供了相对更长的发现、跟踪、识别和拦截窗口。
钱学森弹道导弹模糊了传统意义上的“中段”和“末段”的界限,或者说引入了一个新的重要阶段——滑翔段
在滑翔阶段弹头在大气层边缘(通常是20-100公里高度,属于临近空间)进行混沌可控的高超音速飞行,其难以拦截有三个主要因素:
1、 滑翔阶段的高度是目前各种雷达探测盲区。
钱学森弹道导弹在滑翔阶段通常飞行在几十到一百多公里的临近空间高度。
在这个高度,由于地球的曲率,地面雷达的探测距离受到严重限制,雷达波无法弯曲绕过地球表面,因此在远距离上,滑翔体可以长时间地飞行在地面雷达的“视线”下方,是地基雷达的探测盲区。
对于天基红外预警卫星可以在助推段发现导弹的巨大火焰,但在滑翔段,导弹发动机已经关闭,其红外特征大幅减弱;
对于地球同步轨道上的预警卫星来说,距离地面目标数万公里,其分辨率不足以持续精确跟踪滑翔体这样相对较小且机动频繁的目标;
对于低轨道(LEO)预警卫星虽然距离近,但单颗卫星覆盖时间短,难以有效跟踪,需要无数颗卫星组建成网来持续跟踪,涉及巨大的成本和技术难度。(例如马斯克的星链在探测这个高度的导弹就具备天然优势,很适合军事用途,但如此数量庞大的卫星和相互间通信技术并非等闲之辈能玩转)。
2.、大气内超高音速飞行产生的离子体鞘套会吸收和散射雷达波
滑翔体以高超音速在大气层边缘飞行时,其表面与空气剧烈摩擦会产生等离子体鞘套,这层电离气体可以吸收和散射雷达波,导致雷达难以获得清晰的回波信号,从而难以精确探测和跟踪。
3、 全程混沌机动。
滑翔体弹头的可控机动性主要依赖气动舵面,这些舵面会根据飞控指令进行精确偏转来控制飞行方向,进行复杂的三维机动,包括横向大范围变轨;除可控动机动外,在飞行过程中飞控指令是有间隔的(中段控制频率几十到几百HZ),在高超音速飞行过程中,一个气流扰动就有可能直接导致几十米的偏差,加上传感器延迟、纠正过程中出现的误差积累,总计误差可达几百米到数公里;所以总体轨迹来看,滑翔体弹头一直朝向目标飞行,但细看每一个小段,它又是随气流扰动、空气密度等愿意干扰而飘忽不定地快速飞行,这就叫混沌机动。
混沌”一词在数学和物理中,指的是对初始条件极为敏感的复杂系统,微小的变化都可能导致结果的巨大差异,使其行为难以被预测。
这里有一个思考题:如果速度一样,空气中飞行的纸飞机和铁球哪一个轨迹更容易预测,哪一个更容易拦截?
接下来我们一起看看DF-17

这种弹头叫乘波体弹头,乘波体是一种高超音速飞行器的气动外形,在高超音速下飞行器前方会产生强大激波,乘波体气动外形(比如小角度倾斜角)巧妙地让激波紧贴其下表面,从而产生高压空气,利用这股压力产生高效升力,这样就像冲浪板一样,不过它是”骑乘“的是自身飞行时产生的激波之上。
乘波体在高超音速下能获得更高升力,同时减少阻力,显著提高飞行效率和航程。
乘波体的升力主要由气动外形(比如头部倾斜角等)、速度和大气密度决定,它中段飞行高度就是稠密大气层边缘的临近空间,和飞机升力原理不同,为了提供足够的升力,所以乘波体一般有着特定飞行速度和飞行高度,难以兼顾亚音速、跨音速和跨域飞行,它对气动设计、材料耐热、制造精度和飞控系统要求极高。
当在中段飞行的时候,乘波体弹头是要翻转过来的,使用三个小舵面来控制方向,它就像一个小船或者冲浪板,不过它是在稠密大气层边缘冲浪,地球上方每个地方的稠密大气高度是不太一样的,如果把大气涂上色彩出来,你站在大气层之上看,大气层就也像海面一样波涛翻滚,乘波体弹头就是在这种波涛翻滚的稠密大气层上乘风破浪,所以小范围内观测它的飞行高度就像冲浪一样忽高忽低了(不过这个“浪”几十米或者几公里),所以就有不少人说这是打水漂,也算形象。
三、末段(再入段)
再入段是指弹道导弹、航天器或再入飞行器在完成其外层空间或高空飞行后,重新进入稠密大气层,并继续向地面目标飞行的阶段。
在这个阶段,普通弹道导弹:
- 弹道可预测: 普通弹道导弹在脱离助推段后,主要依靠惯性飞行,其弹道基本遵循抛物线轨迹,一旦发射,其落点相对容易预测。
- 速度高但缺乏机动性: 在再入大气层时,弹头速度极高(通常可达马赫数10-20甚至更高),但其在大气层内的机动能力非常有限,通常只能进行小范围的姿态调整或简单的规避动作。
所以纵使普通弹道导弹在末端速度也极高,但是由于弹道可预测且缺乏机动性,防御系统可以在末段(通常是几十公里到十几公里高度)进行拦截。
而钱学森弹道导弹:
1、持续高速机动,弹道不可预测
滑翔弹头在再入大稠密气层后,不是依赖惯性俯冲,而是利用其特殊的气动外形(如乘波体)在大气层内超高音速滑翔+降低高度,在这个过程中可进行大范围的横向机动,甚至改变攻击方向,使得防御方难以预测其最终目标和攻击路径。
2、高度更低、躲避雷达能力强、拦截时间窗口少
相较于普通弹道导弹,高超音速滑翔弹头的“末端高度”通常更低,可以利用地球曲率以及其他地形遮蔽,来规避高空反导系统(如陆基中段防御系统GMD)的探测,从而缩短防御系统的预警时间。
但超强机动性需要超强的飞控技术,在科普|导弹惯性制导原理一文中也提到,精确的飞行控制能力涉及到超高的控制频率+精准的运动姿态控制能力,这依赖强大的芯片、传感器、算法、材料技术,需要有强大的工业基础和巨大的科研投入,没有这些高机动就会失控,常见的失控就是打不准,比如伊朗的法塔赫2导弹疑似采用了钱学森弹道,但是由于相关的科技没有突破,在末端突防阶段,对手不知道它机动到哪里,控制方也不知道飞向哪里了,突防是突防, 但总是打不准,大大降低了战略威慑能力。
小结
简而言之,普通弹道导弹就像是大力抛铁球,是靠“快”和“高”来突防,其轨迹相对固定,机动性一般,拦截难度虽大但仍在现有反导系统能力范围内。
而钱学森弹道导弹,则是像是大力扔滑翔机,滑翔机除了有弹道导弹那样的超高速度外,还全程保持着高速的机动能力,又因为混沌效应在局部飞行时呈现出来不可预测和难以捉摸的轨迹,它的出现对现有导弹防御体系构成颠覆性挑战。
钱学森弹道这种高机动性要求超强的飞控能力,而高超音速下的飞控能力是当前航空航天领域最前沿和最具挑战性的技术之一,这不仅需要单一领域的突破,涉及到高超声速气动、高温材料、先进飞控(含传感器、执行机构、芯片研发与制造)、实时仿真、风洞技术、系统集成、高性能计算与软件开发、以及高端材料制造与加工等尖端科学领域的深度投入和工业体系的全面支撑。