高超音速飛行器呼之欲出

范韜

制造五倍音速的飛行器可謂困難重重，但研究人員卻在對此不斷探索。

“高超音速”是個專業(yè)術(shù)語，指超過5倍音速的速度。5倍音速又被稱為5馬赫，相當于海平面每小時6200公里或高海拔每小時5300公里的速度（在高海拔位置，氣溫低、空氣稀薄，聲音傳播速度也很慢）。

與洲際導(dǎo)彈不同，這種高超音速飛行器完全不是基于火箭技術(shù)?；鸺陨硇枰獢y帶包括氧氣在內(nèi)的燃料，以便在真空空間燃燒燃料。由于燃料很重，所以火箭只能進行短時間的垂直飛行，以進入外層空間。因此，工程師們正在構(gòu)想一種飛行器，它必須重量輕，能以空氣為氧化劑，不需攜帶額外氧化劑，并且飛行方式和普通噴氣飛機一樣，速度可以和火箭匹敵——這就是構(gòu)想中的高超音速飛行器。

飛行器在大氣層以高超音速飛行，會帶來諸多好處。首先，它不受現(xiàn)存彈道導(dǎo)彈條約的限制；其次，可以躲避攔截，如果目標移動，它也能隨之改變軌道；第三，利用高超音速飛行器，人們飛入大氣層高端位置的成本也隨之下降，這項技術(shù)有助于降低軍用或民用設(shè)備進入外太空的成本。

雖然有著種種好處，這種飛行器發(fā)動機的構(gòu)造卻與現(xiàn)有客機和戰(zhàn)斗機使用的渦扇或渦輪噴氣發(fā)動機非常不同?，F(xiàn)有飛機的速度很少能超過2馬赫（2倍音速），如果超過這個速度，噴氣發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)葉片就不能將進氣口的空氣速度減慢至亞音速，這將使噴氣發(fā)動機無法正常燃燒燃料。如果要進一步提升飛行器的速度，工程師只能設(shè)計一種沒有運動部件的噴氣發(fā)動機，于是，一種被稱為沖壓噴氣發(fā)動機的新型發(fā)動機被設(shè)計了出來。沖壓噴氣發(fā)動機的進氣口采用精心設(shè)計的形狀，能將空氣流在進氣口處進行壓縮，從而減緩空氣流進入噴氣發(fā)動機的速度。值得注意的是，法國的新型ASMPA 核導(dǎo)彈使用的就是沖壓噴氣發(fā)動機，法制颶風或幻影戰(zhàn)斗機均能發(fā)射這種導(dǎo)彈。ASMPA 核導(dǎo)彈能以3馬赫（每小時3700公里）的速度飛行500公里。

技術(shù)難度遠超火箭

要將飛行器在大氣層里的飛行速度提高至5馬赫或更高，意味著沖壓發(fā)動機必須利用超音速空氣流來燃燒燃料。這種噴氣發(fā)動機被稱為超音速燃燒沖壓噴氣發(fā)動機。雖然超音速沖壓噴氣發(fā)動機進氣口的特殊形狀，能減緩吸入的空氣流的速度，但無法將空氣流的速度下降至亞音速。這種情況使工程師不得不面對一個大難題：讓沖壓發(fā)動機吸入超音速空氣流，并且在超音速空氣流里點燃燃料。拉塞爾·卡明斯是加州州立理工大學的超音速推進專家，他對此的描述為：“這種情況如同在在颶風里點燃一根火柴并保持其燃燒。”

一個解決辦法就是采取特殊的燃料噴嘴，使其能以特定的角度將燃料注入超音速空氣流中。燃料導(dǎo)致空氣流中產(chǎn)生微小震蕩波，這種微小震蕩波能將氧氣和燃料充分混合；隨后氧氣-燃料混合物進入沖壓噴氣發(fā)動機燃燒室，燃燒室內(nèi)更大的空氣震蕩波會將這種混合物點燃。此外，澳大利亞國防學院也發(fā)明了另一種沖壓噴氣發(fā)動機的點火方法：他們使用持續(xù)時間為幾納秒的激光脈沖來剝離燃料混合物的電子，從而在沖壓噴氣發(fā)動機燃燒室內(nèi)產(chǎn)生大量的熱等離子，燃料混合物被熱等離子點燃。這種點火方式與汽油發(fā)動機的火花塞放電類似。

按照工程師克林頓·格魯斯的說法，超音速沖壓噴氣發(fā)動機的燃料必須與燃燒室的壁面保持一定距離，否則燃料會在形成合適的氧氣-燃料混合物之前被提前點燃，產(chǎn)生的爆炸能將飛行器炸掉。格魯斯是多倫多大學的工程師，現(xiàn)在在英國劍橋大學做研究工作（他同時還擔任普惠發(fā)動機公司和勞斯萊斯發(fā)動機公司的顧問）。超音速沖壓噴氣發(fā)動機還有更加棘手的問題——如果以過快速度飛行，其機體內(nèi)部的溫度和空氣壓力很難用機械手段進行調(diào)節(jié)。因此，當超音速沖壓噴氣沖壓發(fā)動機加速時，飛行器必須飛到大氣層的更高處，那里的空氣比較稀薄，在保持飛行速度的同時，能減少燃料的大量消耗和沖壓發(fā)動機燃燒室爆炸的幾率，從而降低沖壓噴氣發(fā)動機機體的溫度和壓力過快上升。

也就是說，將超音速沖壓噴氣發(fā)動機點燃是一件十分困難的事情，而要使超音速沖壓噴氣發(fā)動機保持燃燒并且不發(fā)生爆炸也是一件困難的事情。此外，超音速沖壓噴氣發(fā)動機和普通沖壓噴氣發(fā)動機一樣，自身不能起飛——沖壓噴氣發(fā)動機的啟動必須以極高的速度來壓縮空氣，以便進行燃燒，這就要求使用沖壓噴氣發(fā)動機的飛行器必須另外配置渦輪或渦扇噴氣發(fā)動機，或用火箭來進行初始階段的加速飛行，然后才能啟動超音速沖壓噴氣發(fā)動機。簡而言之，工程師必須克服諸多困難，才能將配備超音速沖壓噴氣發(fā)動機的飛行器制造出來。因此，雖然高超音速飛行器的概念早在20世紀50年代就被提出，但直到20世紀90年代，這種飛行器才進行了飛行測試。那次的飛行測試是由俄羅斯研究人員與法國和美國科學家共同進行的，但有些專家懷疑那次測試是否真正達到了超音速燃燒的目的。

2002年7月，昆士蘭大學的研究人員成功地進行了世界上第二次高超音速飛行器測試。他們的“海肖納”超音速沖壓噴氣發(fā)動機以7.6馬赫的速度飛行了6秒，但這架飛行器卻不是在可控狀態(tài)下進行測試的。這架飛行器搭載在火箭上，由火箭將其帶入外太空，隨即該飛行器的超音速沖壓噴氣發(fā)動機被啟動，頭朝地面飛行——高超音速的速度就是這么達到的。

最近的兩次高超音速飛行器測試是由美國國家航空航天局進行的，這表明美國在這方面的研究取得了一些進展。被測試的兩架飛行器全部由運輸機帶到空中，在空中被釋放后，首先由火箭助推器進行加速，然后再啟動超音速沖壓噴氣發(fā)動機進行飛行。在2004年11月，用于測試的X-43A型無人高超音速飛行器以氫為燃料，飛行最大加速度達到了10馬赫。雖然飛行時間只有區(qū)區(qū)10秒，但這是人類第一次進行完全可控的高超音速飛行。

美國國家航空航天局現(xiàn)在將精力集中到了另一種高超音速飛行器——X-51A“波行者”。在2010年5月的第一次測試中，“波行者”的飛行速度雖然沒有達到預(yù)期的6馬赫，但也到達了5馬赫，并以此速度飛行了大約200秒。但“波行者”在隨后的兩次測試中都以失敗而告終。三年后，“波行者”在2013年5月1日的測試中以5.1馬赫的速度飛行了4分鐘，創(chuàng)下了高超音速飛行器的最長飛行時間記錄。

無盡蒼穹，試問誰主翱翔

2010年，美國太平洋司令部的海軍上將羅伯特·威拉德聲稱中國正計劃通過將核彈道導(dǎo)彈的核戰(zhàn)斗部改裝為常規(guī)戰(zhàn)斗部的方法來獲取打擊美國航母的能力，并且已經(jīng)“初步形成戰(zhàn)斗力”。被改裝的導(dǎo)彈被稱為“東風-21D”，按照羅伯特·威拉德的說法，該導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗部以高超音速從外太空進入大氣層，對美國西太平洋的艦艇進行攻擊。埃里克·麥利凱是前美國海軍少將和現(xiàn)在的東亞安全顧問，他對此評論道：盡管“東風-21D”制導(dǎo)系統(tǒng)的精度還不為人所知，這種導(dǎo)彈實際上改變了它射程之內(nèi)的國家力量對比。

由于發(fā)展X-51A飛行器后續(xù)型還需數(shù)年時間，為了抵消東風-21D所導(dǎo)致的“核模糊”，美國已經(jīng)開始探索另一種獲取高超音速飛行器的辦法。美國空軍和美國國防部高級研究計劃局對美國武裝力量進行了研究，研究出了一種“高超音速推進”的飛行器，該飛行器由改裝過的洲際彈道導(dǎo)彈將飛行器帶到高空，隨后該飛行器以高超音速從高空飛向地面目標。這項研究是作為所謂“獵鷹”項目的一部分來開展的。

該研究中的“高超音速巡航飛行器”首先由洲際彈道導(dǎo)彈將其帶入近地軌道，與導(dǎo)彈分離后，不再繼續(xù)沿著弧形的彈道飛行，而是以超過每小時2萬公里的速度滑翔進入地球。在2010年4月進行的第一次測試中，“高超音速巡航飛行器”成功地與洲際彈道導(dǎo)彈分離，但9分鐘之后，地面控制人員與飛行器的聯(lián)系中斷。布萊恩·維頓是前美國空軍上尉和蒙大拿州的核導(dǎo)彈發(fā)射人員，他告訴記者：“在最初階段，他們?nèi)〉昧撕芏嗔己脭?shù)據(jù)，但不久，該飛行器的外皮脫落，飛行器爆炸了?！敝档米⒁獾氖敲绹?011年的同類實驗也失敗了。

雖然受到了不少的挫折，美國卻仍然堅持對高超音速武器進行研究。制造飛行速度為16馬赫的飛行器雖然十分困難，但也絕非完全不可能。美國的航天飛機重回大氣層的速度達到了25馬赫，在這種速度下，航天飛機與空氣分子摩擦產(chǎn)生的等離子層將航天飛機包裹起來，連無線電信號都無法感知。?？āどＤ钒退孤菓?yīng)用薄膜公司的老板，該公司設(shè)在伊利諾伊州，為美國軍方提供軍用飛機部件。?？暦Q他們公司的陶瓷基復(fù)合材料有良好的熱絕緣性能。

同時，測試設(shè)備也有了很大的進步?？稀ぐ驳律前拇罄麃唶揽茖W與技術(shù)組織的領(lǐng)導(dǎo)人，他表示：溫度和壓力感應(yīng)器，甚至攝像頭都可以安裝到飛行器機體里，測試人員可以在飛行器飛行時，以前所未有的“精度和保真度”來收集相關(guān)數(shù)據(jù)。風洞技術(shù)的進步也有助于工程師設(shè)計更好的高超音速飛行器。比利時的馮·卡門研究所用于流體研究的風洞能產(chǎn)生短時間14馬赫的空氣流。馮·卡門研究所是通過對測試室進行冷卻，減低音速來提升空氣驅(qū)動活塞的馬赫數(shù)的。

去年，美國美國國防部高級研究計劃局在一份報告中指出：隨著其他國家隱身技術(shù)和反隱身技術(shù)的發(fā)展，美國逐漸在隱身技術(shù)方面喪失了“戰(zhàn)略優(yōu)勢”。正因如此，美國國防部高級研究計劃局建議美國政府將高超音速飛行器作為一種新型隱身技術(shù)進行研究。俄羅斯副總理德米特里·羅戈津在去年也公開聲稱，俄羅斯將設(shè)計高超音速導(dǎo)彈作為俄羅斯的重點項目。無須諱言，發(fā)展高超音速飛行器將是十分困難的工作，但沒有人會放棄它。

（作者單位：湖南山立水電設(shè)備制造有限公司）