高超聲速的誘惑

苗若玖

近70年前，人類(lèi)掌握了以超越聲音的速度飛行的能力，繼而發(fā)現(xiàn)突破音障之后的天空是一片“坦途”。此后，人類(lèi)又開(kāi)始了向更高速度進(jìn)軍的征程，想要讓空中打擊和日常旅行都變得更為迅捷，高超聲速的概念應(yīng)運(yùn)而生。越來(lái)越多為實(shí)現(xiàn)高超聲速而研制的實(shí)驗(yàn)飛行器，逐漸模糊了航空與航天的界限。

從突破音障到挑戰(zhàn)熱障

第二次世界大戰(zhàn)末期，以活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)，其性能已經(jīng)達(dá)到了極限。當(dāng)飛行速度接近聲速的時(shí)候，螺旋槳槳葉尖端的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)超過(guò)聲速，使螺旋槳的性能迅速下降;機(jī)翼和機(jī)身表面的氣流也變得非常紊亂，令飛機(jī)難以操控。此時(shí)，飛行員們發(fā)現(xiàn)，他們的飛機(jī)仿佛撞在了一堵無(wú)形的墻上，這就是音障現(xiàn)象，如果處置不當(dāng)，很可能導(dǎo)致墜毀事故。很顯然，想要突破音障，實(shí)現(xiàn)超聲速飛行，只能由動(dòng)力更為強(qiáng)大，而且機(jī)體經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)的噴氣式飛機(jī)來(lái)完成。

戰(zhàn)后，突破音障成為航空研究的熱點(diǎn)課題。1947年10月14日，美國(guó)試飛員查克·耶格爾駕駛著以火箭為動(dòng)力的X-1型飛機(jī)，完成了人類(lèi)第一次超聲速飛行。此后，人們很快發(fā)現(xiàn)音障只有一道，也就是說(shuō)，飛機(jī)只要突破音障，便擁有一段相當(dāng)大的提速空間。只有在飛行速度超過(guò)2.5倍聲速的時(shí)候，飛機(jī)才會(huì)面臨另一重威脅，即機(jī)體與空氣摩擦，將會(huì)產(chǎn)生足以威脅機(jī)體強(qiáng)度的高溫，這種新的挑戰(zhàn)被稱(chēng)為熱障。

想要克服熱障，傳統(tǒng)的航空鋁合金材料已經(jīng)無(wú)能為力，只有借助鈦合金、不銹鋼和特制的高溫鋁合金等材料。美國(guó)研制的SR-71戰(zhàn)略偵察機(jī)和XB-70女武神轟炸機(jī)，飛行速度都達(dá)到了聲速的3倍。蘇聯(lián)為截?fù)鬤B-70研制的米格-25狐蝠戰(zhàn)斗機(jī)，也擁有這樣的高速。它們是為數(shù)不多的克服熱障的成功者。

但這些為軍備競(jìng)賽研制的飛機(jī)，都是不計(jì)成本的產(chǎn)物，而且為克服熱障，在其他性能上做出了或多或少的讓步，因而有著各自的缺陷。例如，SR-71需要大量的地面準(zhǔn)備工作才能起飛，而且其機(jī)體結(jié)構(gòu)需要為高速飛行時(shí)的熱脹預(yù)留空間，所以在地面上和低速飛行時(shí)會(huì)不可避免地漏油，以至于每一次任務(wù)都只能帶半箱油起飛，還必須有專(zhuān)用的空中加油機(jī)隨時(shí)待命補(bǔ)給燃油。米格-25受制于蘇聯(lián)在鈦合金領(lǐng)域的短板，機(jī)體主要由不銹鋼制造，不僅犧牲了操控的靈活性，而且只能維持很短的高速時(shí)間。XB-70原本是為高速突破蘇聯(lián)的防空網(wǎng)所設(shè)計(jì)，因此不計(jì)成本地使用了大量鈦合金材料;但迅速進(jìn)步的洲際導(dǎo)彈技術(shù)，提供了更高的速度和打擊精度，這使得XB-70憑借的戰(zhàn)術(shù)不再有意義，XB-70和為它護(hù)航的F-108輕劍戰(zhàn)斗機(jī)也胎死腹中。

目前，世界上各個(gè)軍事強(qiáng)國(guó)最先進(jìn)的那一批主力戰(zhàn)斗機(jī)，比如美國(guó)的F-22猛禽戰(zhàn)斗機(jī)，最高速度都在聲速的2.5倍以下。但憑借超聲速巡航能力，它們能夠以更快的速度長(zhǎng)途奔襲作戰(zhàn)。至于研制既能夠以聲速的3倍甚至更高速度巡航，又能投入空戰(zhàn)的戰(zhàn)斗機(jī)，不再是人們追求的目標(biāo)。這是因?yàn)?，同時(shí)具備輕質(zhì)、堅(jiān)固和耐高溫，經(jīng)濟(jì)上也可以接受的材料尚未出現(xiàn)，燃油效率更高的發(fā)動(dòng)機(jī)也有待研發(fā);而且，想要讓這樣的飛機(jī)充分發(fā)揮實(shí)力，還需要空中加油機(jī)或者其他等效的裝備隨叫隨到。

因此可以說(shuō)，在美國(guó)科幻電影《絕密飛行》里，幾架新銳戰(zhàn)機(jī)以4倍聲速做長(zhǎng)途奔襲，到達(dá)戰(zhàn)場(chǎng)后隨即展開(kāi)攻擊的情節(jié)，短時(shí)間內(nèi)還難以成為現(xiàn)實(shí)。即使是在電影虛構(gòu)的近未來(lái)世界中，這樣的戰(zhàn)術(shù)也是在美國(guó)部署了大量巨型飛艇“加油站”的條件下，方才能偶爾為之。

高超聲速為航天“奠基”

如果在科幻電影中未來(lái)戰(zhàn)機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提速，我們就進(jìn)入了高超聲速的領(lǐng)域，也就是以聲速的5倍或者更高的速度飛行。以人類(lèi)目前的動(dòng)力和材料技術(shù)，這樣的速度只有在空氣極為稀薄的高空，或者外層空間，才有達(dá)到的可能。

20世紀(jì)50年代末和60年代初，美國(guó)為載人航天方面的研究，設(shè)計(jì)了X-15試驗(yàn)飛機(jī)。時(shí)至今日，它仍然是飛行速度最快的有人駕駛飛機(jī)。這種獨(dú)特的飛機(jī)使用以液氨和液氧驅(qū)動(dòng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，以挑戰(zhàn)高空高速飛行。但獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力模式，決定了它的發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間極為短暫。因此，它只能被一架B-52同溫層堡壘轟炸機(jī)搭載升空，“發(fā)射”之后飛上一小段時(shí)間再滑翔降落。在一些航次的飛行中，X-15達(dá)到了聲速的6.72倍，并突破距離地面100千米的卡門(mén)線進(jìn)入了太空;那些駕機(jī)突破卡門(mén)線的飛行員，后來(lái)被歸入宇航員之列。

X-15為美國(guó)早期的載人航天計(jì)劃，甚至后來(lái)的阿波羅登月計(jì)劃，積累了極為寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);而它超越時(shí)代的高超性能，也模糊了航空與航天的界限。隨著人類(lèi)進(jìn)入太空并踏足月球，宇宙航行逐漸普及和廉價(jià)的“大宇航時(shí)代”仿佛觸手可及，就像飛機(jī)從獵奇者的玩具到實(shí)用的交通工具，不過(guò)只用了幾十年一樣。一些人開(kāi)始憧憬，未來(lái)的洲際長(zhǎng)途旅行會(huì)以亞軌道飛行完成，也就是說(shuō)，未來(lái)的遠(yuǎn)程客機(jī)在起飛之后，會(huì)進(jìn)入太空并越過(guò)遙遠(yuǎn)的距離，迅速抵達(dá)上萬(wàn)千米外的異鄉(xiāng)，再像傳統(tǒng)飛機(jī)一樣降落，飛行軌跡和洲際導(dǎo)彈有些相似;軍隊(duì)也會(huì)使用類(lèi)似的技術(shù)，完成作戰(zhàn)力量的快速調(diào)遣和超遠(yuǎn)程的精確打擊。這種能夠像傳統(tǒng)飛機(jī)一樣經(jīng)歷多次起飛和降落，又能像航天器一樣在太空中飛行的機(jī)械，被稱(chēng)為“空天飛機(jī)”。雖然人類(lèi)的科技發(fā)展如今已經(jīng)走到了另一個(gè)方向，更為重視互聯(lián)網(wǎng)這樣的“內(nèi)向型”技術(shù)，但空天飛機(jī)的概念仍然被保留下來(lái)。

無(wú)論是民用還是軍用的空天飛機(jī)，都是科幻作品里的?？?，相關(guān)的圖書(shū)和影視作品不勝枚舉;還有一些作品會(huì)為了契合對(duì)科技發(fā)展脈絡(luò)的設(shè)定，使用等效卻看上去相對(duì)原始的技術(shù)。比如，美國(guó)科幻作家菲利普·迪克的《高堡奇人》，幻想了德國(guó)和日本在第二次世界大戰(zhàn)中取勝的世界。在迪克筆下與真實(shí)歷史完全相反的世界里，德國(guó)為戰(zhàn)爭(zhēng)研發(fā)的火箭技術(shù)，在戰(zhàn)后獲得了畸形發(fā)展，以至于人們可以乘坐火箭動(dòng)力的高速客機(jī)跨越大西洋。

撲朔迷離的未來(lái)天空

不過(guò)，在現(xiàn)實(shí)生活里，研制以高超聲速飛行的空天飛機(jī)的努力，卻顯得舉步維艱。20世紀(jì)80年代末和90年代初，美國(guó)曾試圖研制能夠以8倍聲速飛行的空天飛機(jī)X-30，按照計(jì)劃，這種飛機(jī)可以搭載2～3名軍人，以驚人的速度穿洲越洋，對(duì)敵國(guó)進(jìn)行偵察乃至攻擊。但飛機(jī)離開(kāi)和再次進(jìn)入大氣層時(shí)的高溫，成為最大的技術(shù)難關(guān)，即使用最先進(jìn)的鈦基復(fù)合材料也難以克服。隨著東歐劇變和蘇聯(lián)解體，美國(guó)最主要的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在幾年內(nèi)消失，這使成本極高的X-30不再有繼續(xù)研發(fā)的價(jià)值。因此，在蘇聯(lián)解體后不久，美國(guó)就中止了X-30計(jì)劃。

對(duì)空天飛機(jī)的探索，轉(zhuǎn)到了無(wú)人機(jī)的方向。相比于有人駕駛的飛機(jī)，無(wú)人機(jī)不必考慮乘員的生存需求，因此能夠相對(duì)小巧和簡(jiǎn)單（關(guān)于無(wú)人機(jī)在戰(zhàn)場(chǎng)上的優(yōu)勢(shì)，請(qǐng)參閱《知識(shí)就是力量》雜志2016年第2期）。美國(guó)在21世紀(jì)進(jìn)行的幾項(xiàng)空天飛機(jī)研發(fā)計(jì)劃，比如X-37B、X-43和X-51，都是小巧的無(wú)人機(jī)。不僅如此，X-43和X-51的性能指標(biāo)，甚至比多年前的X-30還要保守一些，在取得一些成就之后便被暫時(shí)擱置。2010年試飛成功，并且在太空中飛行了270天的X-37B，則是目前世界上最接近于實(shí)用水平的空天飛機(jī)。近幾年里，中國(guó)也投入研發(fā)空天飛機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)之中，建造了與X-37B類(lèi)似的神龍無(wú)人空天飛機(jī)，并開(kāi)始試飛。

在研發(fā)空天飛機(jī)的同時(shí)，對(duì)高超聲速的研究還有一條更為艱難的路，那就是在地球大氣層中實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行。2013年，美國(guó)公布了SR-71戰(zhàn)略偵察機(jī)的后繼者，無(wú)人偵察機(jī)SR-72的研發(fā)計(jì)劃。按照技術(shù)指標(biāo)，SR-72能夠在平流層頂部以6倍聲速飛行。這意味著它可以在一小時(shí)內(nèi)從美國(guó)本土到達(dá)地球表面的任意地區(qū)，并且因?yàn)轱w行高度低于空天飛機(jī)和間諜衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)，而能夠得到更為清晰的偵察照片。

沒(méi)有人知道SR-72是否真的能夠如計(jì)劃所言，在2030年順利入役;但這個(gè)充滿科幻感的計(jì)劃再次提醒我們，高超聲速技術(shù)或許會(huì)是下一輪軍備競(jìng)賽的制高點(diǎn)，而“選手”們已經(jīng)在暗自發(fā)力。畢竟，以高超聲速跨越遙遠(yuǎn)距離的能力，可以為軍隊(duì)帶來(lái)巨大的戰(zhàn)略?xún)?yōu)勢(shì)。這種來(lái)自高速度的誘惑，顯然值得大國(guó)投入巨量資源奮力一搏。