OPINIE - BUITENLAND
Hypersone wapens: hype of reële dreiging?
DRS. W.R.M.J. MEESSEN en IR. W.H.C. HALSWIJK
De auteurs zijn werkzaam bij TNO als resp. Principal Advisor Defence and Security en Senior Technoloog Weapon Systems.
Impressie van een glider (afbeelding: Wikimedia Commons)
In december 2019 verraste de Russische president Vladimir Poetin de wereld door te claimen dat Rusland met het Avangard missile over een wapen beschikte dat haar gelijke niet kende en onoverwinnelijk zou zijn. Sindsdien lijken de ontwikkelingen rondom hypersone wapens in een stroomversnelling te geraken, getuige de recente testlanceringen door China en Noord-Korea. Nog niet zo lang geleden was het vrij rustig rondom dit onderwerp. De Verenigde Staten (VS) hadden met de X-43 en X-51 projecten hun ambities niet waargemaakt en ook in andere landen heerste ook radiostilte. De vraag is nu wat we de komende tijd kunnen verwachten: worden hypersone wapens de nieuwe realiteit of blijken de technische uitdagingen toch nog te complex om snelle doorbraken te verwachten.
Snelheden
Wat kenmerkt hypersone wapens eigenlijk? Allereerst de snelheid: hypersone wapens vliegen met snelheden die minstens vijf maal hoger zijn dan de geluidsnelheid (Mach 5). Dit kan in extreme gevallen zelfs oplopen tot Mach 25. Om dit in perspectief te plaatsen: tien maal de geluidssnelheid impliceert het overbruggen van 200 kilometer in iets meer dan een minuut, oftewel bijvoorbeeld in tien minuten van Moskou naar Amsterdam.
Deze hoge snelheden kunnen in principe niet worden bereikt door de gebruikelijke straalmotoren (turbojets) omdat de compressoren en turbines last krijgen van de vele ontstane schokgolven, waardoor ze inefficiënt worden bij hogere supersone snelheden. Om toch hoge snelheden te kunnen realiseren kan men gebruik maken van ramjets, deze hebben niet de compressor en turbine van een turbojet maar maken gebruik van het ram-effect voor de compressie van de inlaatlucht. Door dit ram-effect wordt de druk van het gas dat een snel bewegende inlaat instroomt verhoogd zonder dat hiervoor mechanische compressie nodig is. Hoe sneller de inlaat zich voortbeweegt, hoe hoger de drukstijging is. Dit principe is bruikbaar tot maximaal Mach 6. Daarboven loopt de temperatuur in de verbrandingskamer zo hoog op dat de brandstof niet meer goed kan reageren met de zuurstof in de lucht. Om ook dit probleem te omzeilen worden voor snelheden boven Mach 5 scramjets gebruikt. Een scramjet remt de inlaatlucht minder sterk af, waardoor deze koeler blijft en de brandstof beter kan reageren. Bovendien gaat er minder energie verloren in de inlaat. Eén van de uitdagingen bij scramjets is echter dat de stroming in de verbrandingskamer supersoon blijft, en er daardoor maar enkele milliseconden tijd is om de brandstof te laten mengen met de lucht, te ontsteken, en volledig te laten verbranden. Omdat ramjets en scramjets alleen bij hoge snelheden werken blijft het nodig een grote afwerpbare raketmotor (booster) te gebruiken om het voertuig op snelheid en hoogte te brengen. Met voorstuwing gebaseerd op waterstof kunnen veel hogere snelheden worden bereikt, tot Mach 11, dan met gebruik van conventionele brandstoffen waarbij Mach 8 het maximum haalbare is. Ook rotating detonation engines (RDE) zouden de maximale snelheid nog flink kunnen verhogen. Echter, deze RDE-concepten zijn nog volop in onderzoek.
Figuur 1 Schematisch vergelijking van turbojet (a), ramjet (b) en scramjet (c). (Afbeelding: TNO via auteurs)
Figuur 2 De 'Avangard' glider, zoals door Poetin gepresenteerd. Deze afbeelding kan sterk afwijken van de werkelijke vorm van het voertuig. (Foto: TNO via auteurs)
Typen
In feite kennen we twee typen hypersone wapens: hypersone kruisraketten en hypersone gliders. De Hypersonic Cruise Missiles (HCM) hebben hun eigen voortstuwing, met een ramjet of scramjet, en kunnen hoog in de atmosfeer een willekeurige koers vliegen. Op elk moment kunnen ze bochten maken zonder snelheid te verliezen. Hierdoor zijn ze net zo onvoorspelbaar als conventionele kruisraketten, maar met nog minder waarschuwingstijd en op grotere hoogte. Door hun hoge snelheid vliegen ze het meest efficiënt op een hoogte tussen 30 en 40 km, waar ze moeilijk te onderscheppen zijn.
De Hypersonic Glide Vehicles (HGV) hebben geen eigen voortstuwing, maar worden door een extra grote afwerpbare raketmotor op snelheid gebracht. Dit ‘duwtje’ zorgt ervoor dat ze de atmosfeer verlaten en honderden kilometers verderop weer in de dampkring terugkeren. Gliders gebruiken dan hun aerodynamische vormgeving om hoog in de atmosfeer naar hun doel te glijden. Hierbij kunnen ze zijwaartse, maar ook verticale manoeuvres uitvoeren, waardoor voorspelling en onderschepping bemoeilijkt wordt. De HGV zullen in de nabije toekomst zeer hoge snelheden kunnen bereiken en zeer manoeuvreerbaar zijn, maar hebben dermate grote booster raketten nodig dat ze duurder zullen zijn en moeilijker in te zetten. Ook zullen ze minder koerscorrecties kunnen uitvoeren dan HCM omdat elke manoeuvre extra snelheidsverlies betekent.
De ontwikkeling naar echte hypersone kruisraketten en gliders gaat geleidelijk. De eerste stappen worden gezet met ‘tussenvormen’, waarvan de prestaties minder goed zijn dan wat uiteindelijk te bereiken is, maar die een technologie gebruiken die al operationeel is. Voor de kruisraketten zullen de eerste versies nog een conventionele raketmotor gebruiken, soms Hypersonic Rocket genoemd. Deze hebben een kleiner bereik dan de ramjet of scramjet varianten, maar kunnen wel zeer hoge snelheden bereiken.
Voorgangers van de gliders bestaan nu uit Manoeuvring Re-entry Vehicles (MaRVs). Evenals hypersone gliders zijn dit ballistische warheads die dankzij hun aerodynamische vormgeving bestuurbaar zijn zodra ze de atmosfeer binnenkomen. De mate van manoeuvreerbaarheid, alsmede de efficiëntie, is echter nog laag, maar zal toenemen. De scheiding tussen een MaRV en een glider is vooralsnog niet scherp gedefinieerd.
Huidige ontwikkelingen
Momenteel lijken Rusland en China voorop te lopen. Eind 2019 kondigde Poetin aan dat het Avangard missile operationeel in gebruik zou worden genomen. Dit hypersone wapen is van het type gliders, en kan mogelijk snelheden tot Mach 20 bereiken. Hoewel Rusland claimt dat dit een onverslaanbaar wapen is doordat het met hoge snelheden zowel verticaal als horizontaal kan manoeuvreren, valt het nog te bezien in hoeverre dit gerealiseerd is. De mate van controle bij sterkere manoeuvres is een bekend probleem bij dit soort voertuigen; om instabiliteit, en daarmee opbreken, te voorkomen zal men de manoeuvres waarschijnlijk noodgedwongen moeten beperken. Ook beschikt Rusland over hypersone kruisraketten. Het 3M22 Zircon kruisvluchtwapen is bedoeld om vanaf een oppervlakteschip of onderzeeboot te worden gelanceerd, en zou snelheden tot Mach 8 kunnen bereiken. Tijdens recente testen werden, volgens Russische bronnen, afstanden tot 450 kilometer overbrugd.
Ook China timmert fors aan de weg en investeert miljarden in onderzoek en ontwikkeling van hypersone wapens. Men paradeert al jaren de Dong-Feng 17 (met DF-ZF glider) op mobiele lanceervoertuigen, te gebruiken tot middellange afstand. In oktober kwam het bericht naar buiten dat China in augustus een intercontinentale hypersone glider heeft getest. Opmerkelijk daarbij was dat het wapen de ruimte in werd geschoten en daarna een baan om de aarde heeft gedraaid voordat het terugkeerde in de dampkring om nabij een doel in China neer te komen. Hoewel het door China zelf werd geclassificeerd als een civiele test van een herbruikbaar ruimtevoertuig, zijn veel experts bang dat China mogelijk een Fractional Orbital Bombardment System (FOBS) aan het ontwikkelen is, waarmee een warhead vanuit alle richtingen naar locaties overal op aarde gericht kan worden. Dat China over de benodigde techniek beschikt is geen verrassing, wel dat de Chinezen deze ambitie hebben
Figuur 3 X-51 Waverider, een Amerikaans scramjet research ontwerp met een rechthoekig geconfigureerde inlaat, vaak kenmerkend voor scramjets. (Illustratie: TNO via auteurs)
China investeert miljarden in hypersone wapens, de VS lijken achter te lopen
De VS lijken, ook naar eigen zeggen, nu achter te lopen. Tussen 2000 en 2010 hebben zij veel tijd en geld gestoken in de ontwikkeling van hypersone wapens. Het X-43 project betrof een onbemand voertuig met een op waterstof werkende scramjet, dat snelheden tot Mach 10 kon bereiken. Hoewel de X-43 tijdens de testen liet zien over een goede stuwkracht te beschikken, was de vlucht in het hypersone snelheidsgebied maar van zeer korte duur (10 seconden). Dit project werd opgevolgd door de X-51, een scramjet die kerosine gebruikte, was in staat om met Mach 5 langer en verder te vliegen (200 seconden), maar bleek veel controleproblemen te hebben. Na deze maar deels succesvolle testen hebben de VS de ontwikkeling en het investeren in hypersone wapens op een lager pitje gezet. Echter met de snelle ontwikkelingen in Rusland en China zien de VS zich genoodzaakt om haar activiteiten een boost te geven. In september heeft het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) van het Pentagon met succes een hypersoon wapen getest dat in staat is om snelheden van Mach 5 te bereiken. Deze demonstraties van de Hypersonic Airbreathing Weapon Concept (HAWC) waren de eerste testen na het X-51 echec. Ook de investeringen zijn fors opgeschroefd: van 340 miljoen dollar in 2016 naar 3,5 miljard momenteel.
Ook in enkele andere landen worden hypersone wapens ontwikkeld of zijn er plannen daartoe. India ontwikkelt de Brahmos-II in samenwerking met Rusland, en landen als Frankrijk en Australië streven schijnbaar ook naar deze technologie. Zo wordt in Australië al decennialang veel onderzoek gedaan naar geavanceerde voortstuwing, zoals scramjets.
Technische uitdagingen
Ondanks de berichten uit China en Rusland over succesvolle testen en het reeds in operationeel gebruik hebben van hypersone wapens, is het toch lastig om die claims te verifiëren. Rusland test haar hypersone wapens in het Russische deel van het Noordpoolgebied, een gebied dat door satellieten moeilijk te volgen is. China laat weinig los over haar ontwikkelingen, de militaire aard van de testvlucht in augustus werd zelfs ontkend.
Om hypersone wapens ook daadwerkelijk operationeel te krijgen, zijn er nog wel enkele technische uitdagingen te overwinnen. Eén daarvan betreft de verhitting van het airframe. Door de zeer hoge snelheden die het wapen kan bereiken, zal er continu een hoge warmtebelasting op de huid en structuur van het voertuig uitgeoefend worden. Er is dan maar weinig extra belasting nodig om tot opbreken te leiden. Dit is eerder al bij testen gebeurd met het HTV-2 testvoertuig dat DARPA in 2010 ontwikkelde. Dit effect werd al veel eerder, in 2003, met catastrofale gevolgen duidelijk bij de space shuttle Columbia. Deze verminderde robuustheid kan onderschepping iets makkelijker maken. Een bijna-treffer of een inslag van een klein fragment zou bijvoorbeeld al voldoende kunnen zijn om het hypersone wapen uit te schakelen dan wel van zijn doel af te houden.
Vaak worden ook de prestaties van de huidige scramjets overschat. Door de korte verblijftijd van het brandstof-luchtmengsel in de verbrandingskamer, en de gevoeligheid van de inlaat voor veranderende vluchtcondities, zijn de huidige praktische scramjets beperkt tot Mach 5 en flauwe bochten, in plaats van Mach 8 en sterke manoeuvres. Technische ontwikkelingen, die op dit gebied tot verbetering kunnen leiden zoals adaptieve inlaten, brandstofinjectie voor de inlaat, praktische opslag van waterstof, of de rotating detonation verbrandingskamers zijn nog in volle gang.
Verdediging en tegenmaatregelen
Hoewel het dus mogelijk nog even kan duren voordat de ‘onverslaanbare’ hypersone wapens op het strijdtoneel worden ingezet, is het wel zaak om snelle stappen te zetten in de verdediging ertegen. Dit is uiteraard een flinke uitdaging. De reactietijden voor een tijdige onderschepping zijn immers zeer kort. Daarnaast maakt de manoeuvreerbaarheid, in het bijzonder van de hypersone kruisraketten, tracking door sensoren en interceptie door wapens zeer lastig. Ook de steile duikvlucht in de eindfase kan een probleem voor huidige sensoren op schepen zijn, die vaak een beperkte elevatiehoek hebben.
Wat is dan wel mogelijk?
Een enkele sensor zal geen soelaas bieden bij tijdige detectie en tracking. De oplossing moet worden gezocht in een netwerk aan sensoren. Daarbij zijn ook space based sensoren van belang, met name infrarood sensoren. Door de hitteopwekking van hypersone wapens kunnen dit soort sensoren, indien in de ruimte gestationeerd, het hypersone wapen al snel na lancering oppikken. Ook Tactische Data Links (TDL) zijn van belang. Deze kunnen in een netwerk van sensoren ervoor zorgen dat snelle en accurate sensorfusie, trackcorrelatie en triangulatie wordt gerealiseerd. Door de korte reactietijden is het immers zaak om snel veel data met een hoge nauwkeurigheid te kunnen uitwisselen in het netwerk.
Voor het onderscheppen van hypersone wapens zijn interceptors nodig die lange tijd een hoge snelheid kunnen volhouden en de manoeuvreerbaarheid van hypersone wapens kunnen evenaren. Dit vereist een combinatie van (sc)ramjet voortstuwing (efficiënte hoge snelheid) en lichtgewicht airframe (manoeuvres). Ook laserwapens kunnen een rol spelen. Door de thermische belasting die hypersone wapens ondergaan, kan een goed gefocuste laser hotspot op de juiste plek al voldoende zijn om het wapen lokaal te beschadigen, waarna de hete luchtstroom de schade kan verergeren en het wapen kan doen opbreken. Een probleem met laser is echter dat deze last heeft van atmosferische storingen en dat het bereik beperkt is. Ook hier zou dan aan een airborne of space based laser gedacht moeten worden.
Figuur 4 De Smart-L ELR van Thales Nederland heeft met zijn 2000 km bereik een unieke missile defence capability. (Afbeelding: TNO via auteurs)
Rol voor Nederland
Het actie-reactie spelletje rondom hypersone wapens lijkt in eerste instantie een strijd der giganten. Gezien de kosten en de technologische uitdagingen is het niet verrassend dat binnen de NAVO met name naar de VS wordt gekeken, niet alleen voor het ontwikkelen van hypersone wapens, maar ook voor het ontwikkelen van adequate verdedigingsmiddelen. Echter, omdat de Amerikaanse voorsprong dit keer niet zo duidelijk is, ziet de Europese industrie kansen om een eigen capability te ontwikkelen, daarbij gesteund door EU-financiering via het European Defence Fund (EDF). Via het Permanent Structured Cooperation (PESCO) framework loopt er bijvoorbeeld het traject Timely Warning and Interception with Space-based Theater surveillance (TWISTER), waarin de belangrijkste eisen aan het systeem gedreven worden door de hypersone dreigingen. Ook voor een land als Nederland is er een rol weggelegd in de verdediging tegen hypersone wapens. Met name de Ballistic Missile Defence (BMD) capaciteiten die Nederland heeft, denk aan de SMART-L radar aan boord van de luchtverdedigings- en commandofregatten en de Patriot systemen bij het Defensie Grondgebonden Luchtverdedigings Commando, kunnen waardevolle capaciteiten zijn in een NAVO-verdedigingsconcept tegen hypersone wapens. Voor de Patriot PAC-3 geldt dat deze in potentie een rol kan vervullen in onderscheppingen onder de 15-20 kilometer hoogte. Probleem is echter de zeer kleine footprint, waardoor er brokstukken, bijvoorbeeld een nog werkende warhead, bij het doel zouden kunnen inslaan. De SMART-L zou onderdeel van een sensor netwerk kunnen zijn waarmee tijdige detectie mogelijk is. Maar ook de kennis die Nederland op TDL’s heeft, kan een belangrijker enabler op het gebied van early warning en tracking van hypersone wapens zijn. Bovendien beschikt Nederland over unieke specialistische kennis op het gebied van innovatieve warheads en ramjet voortstuwing.
Daarnaast is het voor Nederland interessant om enkele ontwikkelingen actief te volgen, denk daarbij aan spacebased sensoren en het Network Centric Airborne Defense Element (NCADE) concept. Dit laatste betreft een anti-ballistisch raketsysteem dat door Raytheon is ontwikkeld voor het Amerikaanse Missile Defense Agency en dat gebaseerd is op AMRAAM missiles met een tweetraps raket. Nederland heeft al AMRAAM missiles in huis en heeft ook de kennis over de inzet daarvan. Mogelijk kunnen de NCADE missiles gebruikt worden met de F-35. Het betreft hier zonder meer dure ontwikkelingen, en daarin zal Nederland ook niet alleen moeten participeren. Mogelijk dat naast de VS een kopgroepje van Europese landen zou kunnen samenwerken om uiteindelijk een pool van verdedigingscapaciteiten op de mat te leggen.
Tot slot
De ontwikkeling en dreiging van hypersone wapens is zeker geen hype. Het is een serieuze dreiging die de huidige wapenbalans kan gaan bedreigen en tot een wapenwedloop kan leiden, als daar nu al geen sprake van is. Hoewel er nog wel enkele forse uitdagingen zijn in het operationeel maken van hypersone wapens, zeker om de vereiste betrouwbaarheid te kunnen garanderen, lijken dit technisch gezien geen onoverkoombare hobbels. Daarom is het zaak om binnen de NAVO snel te komen tot een verdedigingsconcept tegen dit soort wapens. Daartoe zullen zowel bestaande als aanvullende nieuwe capaciteiten moeten worden ontwikkeld en verworven. Voor de Nederlandse defensiesector, overheid, industrie en kennisinstellingen, is het van belang om haar kennis en capaciteiten op het gebied van BMD en in het bijzonder sensoren, voortstuwing en TDL’s daarbij goed naar voren te kunnen brengen. Uiteraard vergt dit meer dan alleen opportunisme, op politiek-militair niveau zal ook moeten worden nagedacht over de consequenties van een Nederlandse bijdrage. Enerzijds in termen van kosten en mogelijk verdringing van andere investeringen, anderzijds in kansen om niche-capaciteiten in te brengen en daarmee ook een waardevolle bijdrage aan de NAVO te leveren.