پرونده ویژه ساینتیفیک امریکن: ماجرای فیزیک و هیاهوی سلاح‌های هایپرسونیک

ولادیمیر پوتین، رییس جمهور روسیه در سخنرانی تلویزیونی خود در مجمع فدرال روسیه در سال ۲۰۱۸ از تشدید رقابت تسلیحاتی مداوم با ایالات متحده به خاطر خارج شدن از پیمان موشک‌های ضد بالستیک (ABM) سال ۲۰۰۲ خبر داد. با رد توافق چند دهه‌­ای برای کنترل تسلیحات، ایالات متحده شروع به توسعه و ساخت یک شبکه پدافندی برای رهگیری موشک‌های بالستیک کرده که باعث تهدید توانایی روسیه برای جلوگیری از حملات به سرزمینش است. پوتین به حضار اذعان کرد که وی به آمریکایی‌­ها هشدار داده است که روسیه مجبور خواهد شد به استقرار این سامانه پاسخ دهد، اما آن‌ها از گوش دادن خودداری کرده‌اند. «پس حالا گوش کنید.»

روسیه در حال توسعه سلاح‌­های هایپرسونیک جدیدی است و پوتین اظهار داشت که موشک‌های آن‌ها در مسافت­های طولانی بیش از پنج برابر سرعت صوت یا بیشتر از ۵ ماخ در جو عبور می‌­کنند. (۱ ماخ سرعت معمول صوت است، سرعت‌های بین ۱ تا ۵ ماخ اولتراسونیک بوده و سرعتی بیش از ۵ ماخ هایپرسونیک محسوب می‌گردد.) به گفته وی، یکی از این موشک‌ها با نام آوانگارد موشکی با قابلیت مانور بالاست که می‌تواند هزاران کیلومتر را با سرعت اولیه‌ای بیش از ۲۰ ماخ شلیک شود و «کار را برای هر سیستم دفاعی هوایی یا موشکی آسیب‌ناپذیر سخت می‌کند.»

بیانیه پوتین به همراه شبیه‌سازی‌های ترسناک سلاح‌های جدید که می‌توانند با سرعتی باورنکردنی در سرتاسر جهان شلیک شوند مثل هیزمی بر آتش رقابت خطرناک تسلیحاتی جدید شد. سلاح‌های دخیل در این رقابت نه تنها به دلیل سرعت‌شان، بلکه همچنین به خاطر قدرت مخفی بودن و قدرت مانور خود مورد توجه قرار می‌گیرند. موشک‌های بالستیک قاره‌پیما، که قبل از این که به سمت هدف‌شان فرود آیند مسیری بیضوی را در فضا طی می‌کنند، به سرعتی بیش از ۲۰ ماخ می‌رسند. اما در بیشتر مسیر پرواز خود مسیرهایی قابل پیش‌بینی دارند و معمولا پس از ورود مجدد به جو، قدرت مانور کمی خواهند داشت. در مقابل، سلاح‌های هایپرسونیک در اکثر مواقع با استفاده از نیروی بالابرنده (لیفت) ایجاد شده توسط جریان هوا برای حرکت مارپیچ و فرار از ره­گیرها در اعماق جو پرواز می‌کنند. با کم شدن ارتفاع، این سلاح‌ها از شناسایی خود توسط سیستم‌های راداری زمینی تا زمان رسیدن به هدف جلوگیری می‌کنند و متوقف کردن‌شان دشوار می‌شود. در ارزیابی‌ه­ای بعد از سخنرانی پوتین، ارتش ایالات متحده اظهار داشت که سلاح‌های هایپرسونیک که چین نیز در حال توسعه آن‌هاست انقلابی را در جنگ‌ها در پی خواهد داشت. پنتاگون که یک و نیم دهه بر روی سیستم‌های مشابه کار می‌کرد نیز تلاش‌های خود را افزایش داده است. سال گذشته کنگره ۳٫۲ میلیارد دلار به تحقیق و توسعه سلاح‌های هایپرسونیک و پدافندها اختصاص داد. روسیه و چین اکنون ادعا می‌کنند که هر کدام حداقل یکی از این سیستم‌ها را در اختیار دارند. ایالات متحده شش برنامه هایپرسونیک دارد که بین نیروی هوایی، ارتش و نیروی دریایی تقسیم شده‌اند. حامیان این طرح می‌گویند که این سلاح‌ها فوق‌العاده سریع‌السیر و سریع‌العمل بوده و عملا نامرئی­ هستند.

ما با این گفته مخالفیم؛ جامعه کوچک اما مشتاق فیزیکدانان و مهندسین کره خاکی که سیستم‌های تسلیحاتی جدید را مطالعه می‌کنیم تا تاثیر بالقوه‌شان را بر امنیت جهانی بفهمیم. این کار سنتی دیرینه است و به کمک اعضای پروژه­ منهتن و دانشمندان روسی مانند آندره ساخارف (Andrei Sakharov) که به دنبال کاهش خطر سلاح‌های هسته‌ای برای دنیا بودند به وجود آمده.

ما بعنوان جمعی از فیزیکدانان محقق، می‌توانیم اطلاعاتی را در مورد فناوری‌های جدید و معمولا محرمانه بدست آورده و تجزیه و تحلیل‌شان کنیم و ارزیابی خود را با عموم به اشتراک بگذاریم.

مطالعات ما نشان ­می‌دهد که سلاح‌های هایپرسونیک ممکن است در برخی از سناریو­ها مزایایی داشته باشند، اما به هیچ وجه چیزی پیشرو و انقلابی به حساب نمی‌آیند. و بسیاری از ادعاهای مربوط به آن‌ها مبالغه‌آمیز یا حتی نادرست هستند. و با این حال، تصور شایعی که سلاح‌های هایپرسونیک جریان بازی را عوض می‌کنند، تنش‌های بین ایالات متحده، روسیه و چین را افزایش داده، و باعث شکل‌گیری یک رقابت تسلیحاتی جدید و افزایش احتمال درگیری‌ها شده است.

فراخورها و مقدمات

نظامیان تقریبا یک قرن است که هواپیماهای هایپرسونیک را هر چند با موفقیتی کم در دستور کار قرار داده‌اند. در اواخر دهه ۱۹۳۰ مهندس اتریشی، اویگن سانگر (Eugen Sänger)، و فیزیکدان آلمانی، ایرن برت (Irene Bredt)، اولین هواپیمای مافوق صوت را، که یک گلایدر به نام سیلبرواگل (Silbervogel)، بود طراحی کردند. این هواپیما باید از یک سکوی پرتاب موشک روانه می‌گشت، در جو پرواز می‌کرد و مثل هر گلایدر دیگری با استفاده از نیروی بالابرنده آیرودینامیکی در ارتفاع می‌ماند. اما طراحان نازی به این نتیجه رسیدند که ساخت آن بسیار گران و سخت است.

در طول جنگ جهانی دوم، مهندسین آلمانی ساخت موتورهایی موشکی را دستور کار قرار دادند که سوخت پیشرانه آن ترکیبی از سوخت و اکسید کننده شیمیایی بود تا با انفجاری سریع انرژی را آزاد کند. در طی دهه‌های بعد، هواپیماهای آزمایشی موشکی رکوردهای سرعت را یکی بعد از دیگری شکاندند. در اکتبر ۱۹۴۷ موشک ایکس-۱ اولین هواپیمای دارای خلبان بود که رسما دیوار صوتی را شکست ـــ سرعتش از ۱ ماخ عبور کرد ـــ و در دهه ۱۹۶۰ میلادی هواپیمای ایکس-۱۵ در طی آزمایش‌ها به سرعت ۶٫۷ ماخ رسید. نیروی گرانش قوی ایجاد شده توسط موتورهای موشک، فیزیولوژی انسانی قدرتمندی می‌طلبید، در نتیجه ساخت هواپیماهای موشکی دارای خلبان بیش از این آزمایش نگردید. اما فناوری موشک‌ها به ایالات متحده و اتحاد جماهیر شوروی این امکان را داد تا زرادخانه‌ای از موشک‌های بالستیک هسته‌ای بسازند که در طول قاره‌پیمایی به سرعتی بیش از ۲۰ ماخ می‌رسند.

به هر حال، فناوری دیگری در این عصر توسعه یافت؛ موتور جت، تبدیل به اسب بارکشی برای سفرهای نظامی و تجاری گشت. با جذب اکسیژن هوا برای سوختن مداوم، موتور جت دیگر باری اضافی از اکسید کننده را با خود حمل نمی‌کند. این وسیله حمل و نقل و مانورهای طولانی را بدون شتاب شدید موتورهای موشکی امکان‌پذیر کرد. امروزه بیش­ترین سرعت ثبت شده برای یک هواپیمای جت دارای خلبان تقریبا ۳ ماخ است که هواپیمای لاکهید اس-آر ۷۱ بلک­برد (Lockheed SR-71 Blackbird) در جولای ۱۹۷۶ به آن رسید. موتورهای جت همچنین موشک‌های کروز ـــ هواپیماهای با مانور بالا و بدون خلبان ـــ را، که سریع‌ترین‌هایشان می‌توانند به سرعت هایپرسونیک برسند، تغذیه می‌کنند.

در همین حال، گلایدرهای مافوق صوت به اوج‌گیری خود ادامه دادند و سپس شکست خوردند. در سال ۱۹۶۳ ایالات متحده بعد از صرف بیش از ۵ میلیارد دلار (به دلار فعلی) برای ساخت گلایدر مافوق صوت ایکس-۲۰ این طرح را کنار گذاشت. اما پس از حملات القاعده در ۱۱ سپتامبر ۲۰۱۰، جرج دبلیو بوش، رئیس جمهور آمریکا، بر توسعه موشک‌های هایپرسونیک نظارت داشت تا بتوانند با سرعت و دقت فعالیت‌های تروریستی در قاره‌های مختلف را با کلاهکی غیر هسته‌ای از کار بیندازند. (موشک‌های بالستیک می‌توانند کار خود را انجام دهند، اما پرتاب چنین سلاحی می‌تواند با پرتاب سلاحی هسته‌ای اشتباه گرفته شده و باعث شروع جنگی هسته‌ای شود.)

بوش همچنین از پیمان موشک‌های ضدبالستیک که آمریکا و اتحاد جماهیر شوروی در سال ۱۹۷۲ آن را امضا کرده بودند، خارج گشت. این معاهده طرفین را از ساخت سپرهای دفاعی در برابر موشک‌های بالستیک یکدیگر منع کرده بود ـــ و به این ترتیب رقابت برای فناوری‌­های ساخت سپر و نفوذ به آن از هر دو طرف متوفق گشت. در عوض دولت بوش اقدام به توسعه و استقرار رهگیرها برای محافظت در برابر موشک‌های بالستیک دوربرد کرد. روسیه و اخیرا چین از ترس این که توانایی‌شان برای جلوگیری از حمله هسته‌ای ایالات متحده به خطر بیفتد، راه‌های گوناگونی را برای غلبه بر سپر ایالات متحده در پیش گرفته‌اند. یکی از جدیدترین اقداماتْ موشک‌های مافوق صوتی هستند که در ارتفاعی بسیار  پایین پرواز می‌کنند تا توسط رهگیرهای فعلی ایالات متحده برای موشک‌های بالستیک دور برد از بین نروند. در مجموع، حملات ۱۱ سپتامبر مجموعه‌ای از تصمیمات شتاب‌زده را به دنبال داشت که این سه ابرقدرت را به شرایط کنونی رساند که در آن همگی در تلاش برای توسعه سلاح‌های مافوق صوت برپایه فناوری‌های گوناگون و برای اهداف مختلف هستند.

نیروهای درگ و لیفت

سیستم‌های هایپرسونیک، که در آینده‌ای نزدیک به کار گرفته می‌شوند، سلاح‌هایی با توان بوست-گلاید خواهند بود که توسط یک تقویت‌کننده موشکی پرتاب می‌گردند و بدون نیروی محرکه در در مسافت‌های طولانی به پرواز در می‌آیند. (همچنین ایالات متحده و سایر کشورها در حال کار بر روی ساخت موشک‌های کروز هایپرسونیک هستند. اما موتورهایشان هنوز برای تکمیل شدن نیاز به کار دارد.) با این حال، مطالعات ما نشان می‌دهد که گلایدرهای هایپرسونیک با چالش‌هایی جدی روبرو هستند و علم فیزیک مانعی بر سر کارشان است.

طراحان موشک‌های هایپرسونیک با رقیبی سرسخت روبرو هستند: نیروی درگ، یا همان مقاومت سیال در برابر هر چیزی که در درون آن حرکت می‌کند. نیروی درگ روی یک جسم پرنده متناسب با مجذور سرعت آن افزایش می‌یابد و آن را در سرعت‌های بالا بسیار ضعیف می‌کند. برای مثال، یک گلایدر در ۵ ماخ سرعت، در مقایسه با زمانی که با ۱ ماخ پرواز می‌کند، ۲۵ برابر نیروی درگ بیشتری را تحمل می‌کند. و در ۲۰ ماخ این عدد ۴۰۰ برابر بیشتر از زمانی است که با ۱ ماخ در حرکت است.

انرژی‌ای که از هواپیما برای به جلو و کنار زدن مولکول‌های هوا گرفته می‌شود از این هم بیشتر است، چرا که این عدد با مکعب سرعت افزایش می‌یابد. در نتیجه وقتی که گلایدری با سرعت ۵ ماخ پرواز می‌کند ۱۲۵ برابر سریع‌تر از سرعت ۱ ماخ انرژی از دست می‌دهد. و در سرعت ۲۰ ماخی این عدد برابر با ۸۰۰۰ است. انرژی جنبشی که از گلایدر به هوای اطراف جریان می‌یابد و به انرژی حرارتی و امواج ضربه‌ای تبدیل می‌گردد نیز به همان اندازه مشکل‌ساز است. بخشی از این انرژی به عنوان گرما به وسیله منتقل می‌شود: لبه‌های اصلی سلاح‌های بوست-گلاید که با سرعتی بیش از ۱۰ ماخ یا بیشتر پراوز می‌کنند می‌توانند در مدت طولانی به دمایی بیش از ۲۰۰۰ کلوین برسند. محافظت از وسیله در برابر این حرارت شدید یکی از بزرگترین مشکلاتی است که مهندسین با آن دست و پنجه نرم می‌کنند.

در عین حال، مانند هر گلایدر دیگری، یک هواپیمای هایپرسونیک باید یک نیروی لیفت نیز ایجاد کند ـــ نیروی عمود بر جهت حرکت هواپیما ـــ تا بتواند در ارتفاع مانده و بچرخد. (گلایدرها چرخش را با حرکت یا چرخش یک جز افقی از نیروی لیفت انجام می‌دهند.) از قضا مقدار نیروی لیفت نیز با مربع سرعت در تناسب است. به علاوه، عملیات­ آیرودینامیکی که نیروی لیفت را ایجاد می‌کنند، ناگزیر باعث ایجاد نیروی درگ نیز می‌شوند. نسبت نیروی لیفت (L) به نیروی درگ (D) نسبت لیفت به درگ نام دارد (L/D) که نشانگری کلیدی برای کارایی یک گلایدر است.

مقادیر L/D برای وسایل هایپرسونیک بسیار کمتر از هواپیماهای معمولی است. در هواپیماهای معمولی این نسبت می‌تواند برابر ۱۵ یا بیشتر باشد. با این وجود بعد از گذشت دهه‌ها تحقیق و توسعه، به نظر می‌رسد که سلاح‌های هایپرسونیک آزمایش گشته ایالات متحده در دهه گذشته نسبت L/Dشان چیزی کمتر از ۳ باشد. چنین مقدار کمی از L/D به معنای نیروی لیفت کم و درگ بسیار است ـــ که سرعت و برد یک گلایدر را محدود کرده، قدرت مانورش را کاهش داده و حرارت سطحی را افزایش می‌دهد.

به نظر می‌رسد که این مقدار کافی نباشد، فیزیک و شیمی جریان هوایی که از یک جسم عبور می‌کند در سرعت‌های هایپرسونیک تفاوتی چشمگیر دارد. با افزایش دمای هزاران درجه‌ای، هوای اطراف پرنده تجزیه شده و مولکول‌های اکسیژن را به اتم‌هایی جدا از هم تبدیل می‌کند که می‌تواند باعث یونیزه کردن و از بین رفتن سطوح وسیله شود. حتی اگر موشک از جزغاله شدن جان سالم به در ببرد، حرارت ناشی منجر به تولید یک سیگنال مادون قرمز می‌گردد که باعث می‌گردد ماهواره‌ها موشک را شناسایی کنند.

نه به گلوله نقره‌ای

در اوایل دهه ۲۰۱۰ میلادی، ایالات متحده گلایدری دوربرد مجهز به تکنولوژی هایپرسونیک به نام HTV-2 را آزمایش کرد. این هواپیما پس از رسیدن به سرعت اولیه ۲۰ ماخ توسط یک راکت مسافتی ۷۶۰۰ کیلومتری را طی کرد. ما داده‌های این آزمایش‌ها را با سایر اطلاعات مربوط به این وسیله در کنار هم گذاشتیم تا شبیه‌سازی‌های کامپیوتری دقیق پرواز هایپرسونیک را تولید کنیم. همچنین عملکرد سلاح‌های بوست-گلاید را با فناوری‌های قدیمی مانند موشک‌های بالستیک یا موشک‌های کروز از نظر یه ویژگی ـــ زمان پرتاب، قدرت مانور، و قابلیت اختفا ـــ که گفته می‌شود سلاح‌های هایپرسونیک در آن‌ها استثنایی هستند، مقایسه کردیم.

اغلب گفته می‌شود که سلاح‌های هایپرسونیک زمان لازم مورد نیاز برای برخورد یک کلاهک جنگی را کاهش می‌دهند، اما این ادعا عمدتا بر اساس مقایسه‌ای نادرست با موشک‌های کروز در مقیاسی زیر سرعت صوت و یا با موشک‌های بالستیک در مسیرهای طولانی‌تر است. مقرون به صرفه‌ترین مسیر برای یک موشک بالستیک، که مسیر حداقل انرژی نام دارد، مسیری است که در آن کلاهک را قبل از برخورد به هدف در مسیر قوسی به ارتفاعی بسیار بالاتر از سطح زمین برساند. این کلاهک در بیشتر مسیر پرواز از نیروی درگ اتمسفر دوری می‌کند اما مسیری بسیار طولانی‌تر از یک گلایدر هایپرسونیک طی خواهد کرد. و در نتیجه زمان رسیدن به هدفش کمی طولانی­‌تر می‌گردد.

با این حال، در عوض موشک بالستیک می‌تواند در ارتفاعی پایین‌تر پرواز کند که مسیر فرورفته نام دارد ـــ مسیری که تا مدت‌ها به عنوان راهی برای انجام سریع‌تر حملات هسته‌ای به وسیله زیردریایی‌ها شناخته می‌شد. چنین مسیری بسیار کوتاه‌تر از مسیری با حداقل انرژی است، و به دنبال آن کلاهک نیز نیروی درگ کمتری را در طول مسیر تحمل می‌کند. در مقابل، گلایدر هایپرسونیک زمان بیشتری را در جو سپری می‌کند و به این دلیل سرعتش بخاطر نیروی درگ کاهش می‌یابد. محاسبات ما نشان می‌دهد که یک موشک بالستیک در طی یک مسیر فرورفته قادر است در بردی یکسان با سلاحی هایپرسونیک کلاهک را در مدت پرواز مساوی یا کمتری حمل نماید.

قدرت مانور یکی دیگر از مزایای تبلیغاتی سلاح‌های هایپرسونیک است و باز هم واقعیت پیچیده‌تر از چیزی است که به نظر می‌رسد. ایالات متحده حامل‌های مانور جدیدی به نام MaRVها را تحت توسعه و آزمایش قرار داده است ـــ کلاهک‌هایی که از نیروهای آیرودینامیکی برای تغییر جهت و نزدیک شدن به هدف استفاده و به افزایش دقت و فرار از سپرهای موشکی کمک می‌کنند. و باز هم دهه‌هاست که قدرت مانور در موشک‌های بالستیک نیز بالا بوده و چنین چیزی مختص به سلاح‌های هایپرسونیک نیست. به منظور اطمینان، MaRVها معمولا فقط در اواخر پرواز پیچش و چرخش دارند و نمی‌توانند در کل زمان پرواز خود مانند دیگر گلایدرهای هایپرسونیک یک مسیر حرکت مارپیچی داشته باشند. اما نیروهای زیادی که در چرخاندن حامل با چنان سرعت فوق‌العاده‌ای لازم هستند، قدرت مانور گلایدرهای هایپرسونیک را محدود می‌گرداند.

گلایدر هایپرسونیک برای تغییر جهت باید از نیروهای بالابرنده برای منتقل کردن نیروهای افقی استفاده کند ـــ که خود آن‌ها نیز ممکن است هایپرسونیک باشند. برای مثال به منظور چرخش ۳۰ درجه‌ای، گلایدری که با سرعت ۱۰ ماخ یا ۴٫۵ کیلومتر بر ثانیه پرواز می‌کند باید سرعت افقی ۷٫۵ ماخی یا ۲٫۳ کیلومتر بر ثانیه‌ای ایجاد کند. (از آنجا که سرعت صوت با چگالی و ارتفاع تغییر می‌کند، مهندسین پرواز اغلب ۱ ماخ را برابر با ۳۰۰ متر بر ثانیه در نظر می‌گیرند، پس ما نیز همین کار را کردیم.) در عین حال گلایدر باید به اندازه کافی نیروی بالابرنده عمودی را حفظ کند تا بتواند در ارتفاع بماند. چنین مانورهایی کاهش سرعت و برد قابل توجهی را در پی دارد.

برای ایجاد نیروی لیفت اضافی مورد نیاز برای تغییر جهت، حامل می‌تواند به ارتفاع کمتری شیرجه بزند تا از فشار بیشتر هوا ناشی از چگال‌تر شدن هوا استفاده نماید. این کار باعث می‌شود تا حامل قبل از بازگشت به ارتفاع بالاتر با نیروی درگ کمتری به پرواز خود ادامه دهد. رفتن به ارتفاعات کمتر زمان لازم برای چرخش را کاهش می‌دهد اما میزان نیروی درگ افزایش پیدا می‌کند. برای مثال، در ۱۵ ماخ سرعت یک گلایدر HTV-2 در ارتفاع حدود ۴۰ کیلومتری پرواز می‌کند. اگر ارتفاع حدود ۲٫۵ کیلومتر کاهش یابد، چرخش ۳۰ درجه‌ای حدود ۷ دقیقه طول خواهد کشید و در طی این مدت در امتداد قوسی وسیع با شعاعی در حدود ۴۰۰۰ کیلومتر حرکت می‌کند. نیروی کشش اضافی ناشی از جابجایی در هوای چگال‌تر، حتی برای مدتی کوتاه، سرعت گلادیر را تا ۱٫۳ ماخ کاهش می‌دهد و باعث می‌گردد تا ۴۵۰ کیلموتر از برد ۳۰۰۰ کیلومتری، که در غیر این صورت طی می‌کرد، کمتر شود.

برخی از مانورهای بین راهی مانند انتخاب هدف جدید می‌توانند مفید واقع گردند و گلادیرها احتمالا مانورهای بزرگتری نسبت به کلاهک‌های موشک‌های بالستیک انجام دهند. با این وجود، MaRVها می‌توانند صدها کیلومتر مانور را حین باز ورود انجام دهند، پس این قابلیت به سختی چیزی انقلابی به حساب می‌آید.

ادعای شایع دیگر این است که گلایدرها در ارتفاعاتی کمتر نسبت به موشک­های بالستیک پرواز می‌کنند و از این رو برای سیستم‌های هشدار اولیه تقریبا نامرئی خواهند بود. یک سیستم رادار زمینی قادر است یک کلاهک جنگی را در ارتفاع ۱۰۰۰ کیلومتری از مسافتی در حدود ۳۵۰۰ کیلومتری تشخیص دهد. اما به دلیل انحنای زمین، تا زمانی که تنها ۵۰۰ کیلومتر از آن فاصله دارد، گلایدر را در ارتفاع ۴۰ کیلومتری را نخواهد دید. اما ایالات متحده و روسیه ماهواره‌های هشدار دهنده اولیه مجهز به مادون قرمزی حساسی دارند که می‌توانند گلایدرها را به دلیل دمای بسیار بالایشان شناسایی نمایند. تجزیه و تحلیل‌های ما نشان می‌دهد که ماهواره‌های ایالات متحده در حال حاضر قادر به شناسایی و ردیابی گلایدرهایی که در جو با سرعتی نزدیک به سرعت هایپرسونیک پرواز می‌کنند هستند.

در صورتی که گلادیرها در آینده بتوانند در پایین‌ترین محدوده هایپرسونیک ـــ زیر ۶ ماخ ـــ پرواز کنند امکان دارد که ماهواره‌ها قادر به شناسایی‌شان نباشند. و به نظر می‌رسد این نگرانی انگیزه ایالات متحده برای جستجوی مجموعه­ جدیدی از سنسورهای ماهواره‌ای باشد. اما یک حامل بوست-گلایدر مانند HTV-2 با سرعت اولیه ۵٫۵ ماخی مسافتی کمتر از ۵۰۰ کیلومتر را طی می‌کند. لذا پرواز با این سرعت برد آن را تا میزان قابل توجهی محدود می‌نماید. موشک‌های کروز هایپرسونیک می‌توانند این سرعت‌های پایین را در فواصل بیشتری حفظ کنند. با این حال، چنین سرعت‌های کمی می‌توانند ادعای کلیدی دیگری را برای سلاح‌های هایپرسونیک، مبنی بر توانایی‌شان برای دوری از سپرهای موشکی پایانی، نفی نمایند.

به نظر می‌رسد روسیه و چین عمدتا به دلیل توانایی سلاح‌های هایپرسونیک در فرار از سیستم‌های دفاعی موشکی ایالات متحده در حال کار و توسعه آن‌ها هستند. سامانه دفاعی زمینی ایالات متحده و سامانه دریایی Aegis SIM-3، که برای دفاع از ایالات متحده، ژاپن و سایر کشورها در نظر گرفته شده‌اند، در فضای بالای جو عمل می‌کنند و قادر به مقابله با سلاح­های هایپرسونیک در ارتفاعات پایین نیستند. همچنین گلایدرهای هایپرسونیک با سرعت و قابلیت مانور کافی می‌توانند دور از دسترس سیستم‌های مبتنی بر بردهای کوتاه‌تر در درون جو نظیر US PatrioT و THAAD و SM-2 بمانند. این رهگیرها با استفاده از نیروی لیفت برای برخورد با موشک‌های ورودی از مناطق کوچک با ابعاد چند ده کیلومتری در اطراف مراکز و کشتی‌های نظامی محافظت می‌کنند. کارآیی آن‌ها به قابلیت مانورشان در برابر موشک‌های مهاجم بستگی دارد. که این نیز به نوبه خود به سرعت پرواز وابسته است. برای مثال، رهگیرهای پاتریوت برای رسیدن به سرعتی در حدود ۶ ماخ از بوسترهای موشکی استفاده می‌کنند. در صورت حفظ سرعت بالا، سلاح‌های هایپرسونیک به احتمال زیاد قادرند که از دسترس این رهگیرها دور بمانند. اما ممکن است هنگام پرواز در سرعت‌های زیر ۶ ماخ در برابرشان آسیب‌پذیر باشند. در نتیجه تقریبا به محض اینکه یک گلایدر هایپرسونیک در نظر ماهواره‌ها نامرئی شود (ولی برای رادارهای زمینی قابل رویت باشد) می‌تواند قابل رهگیری شود.

علاوه بر این، توانایی نفوذ به سپرهای دفاعی منحصر به گلایدرهای هایپرسونیک نیست. به خصوص رهگیرهایی که در خارج از جو مشغول به کارند، در معرض آسیب‌پذیری در برابر تله‌ها و سایر اقدامات متقابل در حال توسعه توسط روسیه و چین، که احتمالا از آن‌ها بهره‌برداری هم کرده‌اند، هستند. موشک‌های بالستیک کوتاه برد و با برد متوسط که از هواپیماها شلیک می‌شوند، قادرند در ارتفاعات پایین پرواز کنند تا از دسترس چنین پدافندهای بیرون جوی دور بمانند. به طور مشابه، تجهیز موشک‌های بالستیک، از جمله­ موشک­های کوتاه برد و با برد متوسط، به MaRVها این اجازه را می‌دهد تا از تیررس سامانه‌های دفاعی، که در محدوده جو کار می‌کنند، دور مانده و به آن‌ها نفوذ کنند.

امروزه ایالات متحده تمرکز خود را از توسعه گلایدرهای دوربرد مانند HTV-2 برداشته و بر روی سیستم‌های هایپرسونیک با بردی کوتاه‌تر تا حدود چند هزار کیلومتر متمرکز است. این تغییر نه تنها ناشی از کاستی‌های نمونه اولیه گلایدر HTV-2 در آزمایشات بوده، بلکه هدفی جدید را نیز دنبال می‌کند: استفاده از سلاح‌ها در محل درگیری برای نفوذ به و نابودی سیستم‌های دفاعی. با این وجود وقتی از قابلیت‌ها صحبت می‌کنیم، این گلایدرهای هایپرسونیک با برد کوتاه عملا با موشک‌های بالستیک مجهز به MaRV که در مسیرهای فرورفته پرواز می‌کنند تفاوت چندانی ندارند. این شباهت در سال ۲۰۱۸ زمانی که وزارت دفاع ایالات متحده طرح خود را از حامل هایپرسونیک، که برای استفاده مشترک ارتش، نیروی دریایی و نیروی هوای طراحی شده بود، پرده‌برداری کرد، نمایان گشت. پنتاگون به جای انتخاب شکل گوه­‌ای، مانند HTV-2 که مقدار L/D را افزایش می‌داد، طرح قدیمی مخروطی شکلی را بر اساس حامل MaRV آزمایشی که در سال ۱۹۷۰ توسعه یافته بود، انتخاب نمود. پنتاگون اذعان داشت که این سلاح دارای برد و قدرت مانور کمتری است اما ریسک آن نیز پایین‌تر است.

یک طرح متعلق به دهه ۱۹۷۰ میلادی به سختی چیزی انقلابی محسوب می‌گردد. به نظر می‌رسد که پنتاگون با اغراق در مورد سلاح‌های هایپرسونیک می‌کوشد تا بودجه خود از کنگره را تامین نماید و در عین حال به یک فناوری توسعه یافته در نیم قرن پیش برای استفاده در سیستم اصلی خود باز می‌گردد. با این که پنتاگون بودجه‌هایی را برای طراحی‌های دیگر اختصاص می‌دهد، تمرکزش روی سیستم انقلابی تبلیغ شده نیست.

موج‌ران

در صورت امکان، افزایش چمشگیر نسبت L/D موانع فنی بر سر راه پروازهای هایپرسونیک دوربرد را کاهش می‌دهد. از لحاظ نظری، طرح­های موج‌ران می‌توانند مقادیر L/D حامل‌های هایپرسونیک را به ۶ یا بیشتر ارتقا دهند. این طرح‌ها از شکل گوه‌ای استفاده می‌کنند که با الگوی موج ضربه‌ای جریان هوای اطراف گلایدر از لحاظ سرعت و ارتفاع مطابقت دارند. و بخشی از موج ضربه‌ای را در زیر حامل قرار می‌دهند تا نیروی بالابرنده اضافی‌ای ایجاد شود.

این ایده مربوط به اواخر دهه ۱۹۵۰ میلادی است اما به کارگیری‌اش در حامل‌ها کاری دشوار است. HTV-2 در واقع مبتنی بر چنین طرحی بود، اما مقدار L/D­ آن تنها برابر با ۲٫۶ بود. با این وجود، در سال ۲۰۲۰ نیروی هوایی از برنامه مشترک هایپرسونیک پنتاگون خارج گشت و اعلام کرد طراحی گوه شکل HTV-2 را برای گلایدرهای کوتاه‌برد پی می‌گیرد. افزایش L/D به ۴ یا ۶ به کاهش بارهای حرارتی و افزایش برد گلایدر کمک می‌کند. اما آیا چنین پیشرفت‌هایی دری از امکانات جدید را برای استفاده‌های نظامی نیز باز خواهند کرد؟

به نظر ما اینطور نخواهد بود. حرارت همچنان یک چالش بزرگ خواهد ماند چرا که دمای سطح حامل با افزایش L/D به آرامی کاهش می‌یابد. برای مثال، محاسبات ما نشان می‌دهد که افزایش L/D از ۲٫۶، یعنی همان مقدار که HTV-2 بدان رسید، به ۶، دمای سطح گلایدر را در یک سرعت معین حداکثر تا ۱۵ درصد کاهش می‌دهد. بنابراین جلوگیری از ایجاد خسارت مادی در طول پروازهای دوربرد هنوز هم مشکل خواهد بود. چنین افزایشی در L/D همچنین اثر مادون قرمز موشک‌ها را کاهش داده و به طرز بالقوه‌ای سرعت پرواز بدون شناسایی (توسط ماهواره‌های کنونی) را تا 7 ماخ افزایش می‌دهد. علاوه بر این، افزایش نسبت L/D می­تواند قدرت مانور بالاتری را نیز در پی داشته باشد. اما با افزایش نسبتا کمی در سرعت اولیه گلایدر به راحتی می‌توان به این هدف رسید.(به یاد دارید که قابلیت مانور به نیروی لیفت بستگی دارد که با مربع سرعت در تناسب است.) به این دلایل، به نظر نمی‌رسد پیشرفت‌های قابل­ پیش‌بینی در گلایدرهای هایپرسونیک، مانند افزایش L/D، به سلاح هایپرسونیک قابلیت‌های انقلابی بدهد.

علی‌رغم این واقعیت، هیاهو در مورد سلاح‌های هایپرسونیک باعث افزایش چشمگیر هزینه‌های این سیستم‌ها و افزایش ترس، بی‌اعتمادی و خطر درگیری بین ایالات متحده، روسیه و چین شده است. تصور حملات سریع و بالقوه ناشناخته، حتی اگر اغراق‌آمیز هم باشد می‌تواند این کشورها را وادار به واکنش سریع و عجولانه نسبت به هشدارهای واقعی یا اشتباهی کرده و احتمال اشتباه در درگیری‌ها را افزایش دهد.

دانشمندان و مهندسین مستقلی مثل ما با ارائه تجزیه و تحلیل فنی سیستم‌های نظامی جدید، به دنبال کمک به عموم مردم و تصمیم‌گیرندگان برای تصمیم‌گیری درست در مورد آن­ها هستند. نقش ما روز به روز در حال کم‌رنگ‌تر شدن است و اگرچه بودجه طراحی و ساخت سلاح‌های جدید پایانی ندارد، منابع برای چنین تحقیقات بی‌طرفانه‌ای در مورد توانایی‌ها و تاثیرات این سلاح‌ها رو به کاهش است و موانعی دلهره‌آور برای محققان اولیه کار که ممکن است تمایل به پیوستن به این حیطه کاری داشته باشند ایجاد می‌کند. اما معتقدیم که مطالعات بی‌طرفانه و آگاهانه‌ای که انجام می‌دهیم حیاتی بوده و سیاست‌گذاران باید به آن‌ها توجه نمایند. کنگره ایالات متحده و پنتاگون باید از هیاهو و اغراق خودداری ورزیده و یک ارزیابی دقیق، واقع‌بینانه و فنی از مزایا و هزینه‌های بالقوه سلاح‌های هایپرسونیک انجام دهند. چرا که عدم ارزیابی کامل این عوامل، مانند دستورالعملی برای ایجاد هزینه‌های بیهوده و افزایش مخاطرات جهانی است.

پیوست

قلمرو هایپرسونیک

حامل‌های مجهز، که پنج برابر سریع‌تر از سرعت صوت (۵ ماخ) و در مسافت‌های طولانی پرواز می‌کنند، از نیروی لیفت جو برای مانور استفاده کرده و به عنوان سلاح‌های هایپرسونیک شناخته می‌شوند. موشک‌های بالستیک توسط راکت‌های تقویتی (بوستر) شتاب‌گیری کرده و با سرعتی بیش از ۲۰ ماخ به پرواز درمی‌آیند، اما آن‌ها به این دسته تعلق ندارند. دنیای نظامی در پی دو نوع سلاح هایپرسونیک است. اولین نوع موشک‌های کروز هستند که در تمام طول پرواز نیروی محرکه دارند، ولی موتورهایی که بتوانند برای این سلاح‌ها سرعتی بیش از ۵ ماخ را فراهم کنند، هنوز در حال توسعه هستند. نوع دیگر که چین و روسیه ادعا به ساختش کرده‌اند سلاح بوست-گلاید نام دارد، که توسط راکت‌هایی به سرعت هایپرسونیک می‌رسند. به نظر می‌رسد که این سلاح‌ها بدون نیروی محرکه در مسافت‌های طولانی در جو و با استفاده از نیروی لیفت ناشی از جریان هوا برای مانور به پرواز در آیند.

موشک‌های بالستیک

مدل دوربرد Minuteman 3: ایالات متحده ۴۰۰ نسخه از این موشک‌های بالستیک هسته‌ای را در سایت‌های زیرزمینی در اختیار دارد، که توسط موتورهای راکت با سوخت جامد برای رسیدن به سرعتی تا حدود ۲۰ ماخ به پرواز در می‌آیند و قابلیت پرواز بین قاره‌ای دارند.

مدل کوتاه برد Scud-B: بسیاری از کشورها این موشک بالستیک با برد ۳۰۰ کیلومتری را در اختیار دارند که در دهه ۱۹۶۰ میلادی توسط اتحاد جماهیر شوروی ساخته شد. این موشک‌ها با موتورهای راکت با سوختی مایع کار می‌کنند.

موشک‌های هایپرسونیک

مدل بوست-گلاید HTV-2: این گلایدر هایپرسونیک دوربرد در اوایل دهه ۲۰۱۰ توسط ایالات متحده آزمایش و برای پروازهایی هزاران کیلومتری با تقویت راکتی برای رسیدن به سرعتی در حدود ۲۰ ماخ طراحی گشت. این برنامه حدود سال ۲۰۱۴ کنار گذاشته شد.

مدل کروز بوئینگ X-51: این حامل با موتور جت حرکت می‌کند و در اوایل دهه ۲۰۱۰ میلادی توسط ایالات متحده با سرعتی برابر با ۵ ماخ آزمایش شد. این برنامه در سال ۲۰۱۳ پایان یافت.

یک موشک بالستیک بین‌قاره‌ای در قوس «حداقل انرژی» خود در بالای زمین از مقاومت جو در بیشتر مسیرش اجتناب می‌کند. در مقابل، یک سلاح هایپرسونیک گلاید-بوست بیشتر در داخل جو پرواز می‌کند و این کار آن را قادر به انجام مانور می‌کند. این موشک  در مسیر قوسی مرتفع‌تر از یک موشک بالستیک سریع‌تر خواهد بود و یک موشک بالستیک در ارتفاعی پایین‌تر یا در مسیر فرورفته خود می‌تواند یک کلاهک جنگی را به همان اندازه یا سریع‌تر به هدف بزند.

مساله درگ

درگ، یا مقاومت در برابر یک جسم به هنگام عبور از داخل یک سیال، با نسبتی برابر با مجذور سرعت آن جسم افزایش می‌یابد. در نتیجه، این نیرو مانعی بزرگ بر سر راه پرواز هایپرسونیک است و موجب کاهش سرعت گلایدرها و کمتر کردن قدرت مانورشان می‌شود. نیروی درگ با گرفتن انرژی جنبشی حامل و تبدیل آن به موج ضربه‌ای و انرژی حرارتی در هوای اطراف حامل به بدتر شدن اوضاع دامن می‌زند. شدت حرارت در لبه‌های سلاح‌های بوست گلاید در مقاطعی پایدار به هزاران کلوین می‌رسد و استحکام حامل را به خطر می‌اندازد. در چنین دمای بالایی هوای اطراف حامل به اتم‌های آزاد تجزیه و یونیزه شده و از لحاظ شیمیایی فعال می‌گردند و سطح حامل را از بین می‌برند.

اساس بوست گلاید: گلایدرهای هایپرسونیک بعد از حرکت مارپیچی به سمت اهداف‌شان توسط راکت‌ها به سرعتی در حدود ۲۰ ماخ می‌رسند و همانند دیگر گلایدرها از نیروی لیفت ایجاد شده توسط جریان هوا برای در ارتفاع ماندن و مانور استفاده می‌کنند. اگرچه در سرعت‌های هایپرسونیک گلایدر برای تغییر جهت مجبور به قربانی کردن مقادیر زیادی از سرعت و برد خودش است.

موج ضربه‌ای: هر جسمی با سرعتی بیش از ۱ ماخ، یا همان سرعت صوت، موج‌های ضربه‌ای تولید می‌کند که یک لایه‌ی محرک از هوای چگال است. در سرعت‌های هایپرسونیک، زاویه‌ای که موج ضربه‌ای با جهت حرکت می‌سازد بسیار کم است و بدنه جسم در حال پرواز را می‌پوشاند. این محدوده نازک بین بدنه و موج ضربه‌ای حاوی سرعت بسیار بالا، دمای زیاد و هوای ناپایدار شیمیایی است.

لیفت و درگ: هر وسیله پروازی به وسیله نیروی لیفت (L) قادر به پرواز و مانور است: نیرویی عمود بر سرعت نسبت به هوا. نیروی لیفت به نسبت مجذور سرعت افزایش می‌یابد؛ همانند نیروی درگ (D). در نتیجه، نسبت L/D یک نشانه کلیدی از نحوه عملکرد یک وسیله پروازی است و طراحی هواپیمایی با مقادیر بالای L/D در سرعت هایپرسونیک کاری بسیار دشوار است. هواپیماهای تجاری که با سرعتی زیر سرعت صوت جابجا می‌شوند، نسبت L/D در حدود ۲۰ دارند. اما HTV-2 که یک گلایدر آزمایشی هایپرسونیک آزمایش شده توسط ایالات متحده در اوایل دهه ۲۰۱۰ میلادی است، تنها به نسبت L/D­ برابر با ۲٫۶ دست یافت.

درباره نویسندگان:

دیوید رایت (David Wright): محقق سازمانی آزمایشگاه امنیت و سیاست هسته‌ای موسسه فناوری ماساچوست است. وی قبلا اداره برنامه اتحادیه دانشمندان نگران امنیت جهانی را برعهده داشت.

کامرون تریسی (Cameron Tracy): عضو اتحادیه دانشمندان نگران امنیت جهانی است. مهندس و دانشمند حوزه مواد بوده و روی سلاح‌های هایپرسونیک و مدیریت پسماند هسته‌ای کار می‌کند.