吹響高超聲速的號(hào)角

晨楓

3月6日，由美國航空航天學(xué)會(huì)（AIAA）、中國工程院主辦，廈門大學(xué)承辦的第21屆國際航天飛機(jī)和高超聲速系統(tǒng)與技術(shù)大會(huì)在廈門大學(xué)科學(xué)藝術(shù)中心開幕。這是美國航空航天學(xué)會(huì)成立80多年來第一次在中國召開會(huì)議，也是中國軍工科技界難得的高調(diào)亮相。乘著中國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展的東風(fēng)，中國高新技術(shù)近些年來也獲得了顯著發(fā)展，驚喜一個(gè)接一個(gè)。但中國的保密傳統(tǒng)沒變，對(duì)于還在研發(fā)中的新型武器和平臺(tái)往往秘而不宣。高超聲速飛行及超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究是航空科技的最前沿，仍然高度保密，公開的細(xì)節(jié)很少，正因?yàn)槿绱?，廈門會(huì)議上中國的開放姿態(tài)才更引人注意。

速度不是唯一優(yōu)勢(shì)

1946年，錢學(xué)森首先提出了高超聲速的概念，當(dāng)時(shí)錢老還在加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室工作。高超聲速是指5倍聲速以上的速度，也可表示為M5。一般認(rèn)為，高超聲速在M5～25之間，更高的速度已經(jīng)是第一軌道速度，就不再用聲速作為衡量尺度了。M5的高超聲速客機(jī)從溫哥華到上海不到兩小時(shí)就可以到達(dá)，M25的話更是只有20分鐘。

速度不是高超聲速的唯一優(yōu)勢(shì)，彈道導(dǎo)彈的速度也很快，但高超聲速飛行最大的優(yōu)勢(shì)是機(jī)動(dòng)性。彈道導(dǎo)彈在近地空間和再入過程中都只有有限的機(jī)動(dòng)能力，高超聲速飛行器把速度和機(jī)動(dòng)性相結(jié)合，使其探測(cè)和攔截窗口都大大縮小，其軍事意義不言而喻。攔截機(jī)動(dòng)的高超聲速飛行器與攔截彈道導(dǎo)彈有本質(zhì)區(qū)別。由于導(dǎo)彈與反導(dǎo)彈都只有有限的機(jī)動(dòng)性，攔截命中率在很大程度上依靠對(duì)目標(biāo)彈道的精確推算及反導(dǎo)彈的提前量，反導(dǎo)彈的機(jī)動(dòng)性只能對(duì)預(yù)估誤差或者目標(biāo)機(jī)動(dòng)作有限的補(bǔ)償。高超聲速飛行器的機(jī)動(dòng)能力大大超過彈道導(dǎo)彈，使得彈道推算失去意義，在最終轉(zhuǎn)向目標(biāo)俯沖攻擊之前無法判斷導(dǎo)彈的攻擊目標(biāo)和彈道，只有靠現(xiàn)在還不成熟的激光或者粒子束武器來攔截。高超聲速可以靠噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)來實(shí)現(xiàn)，也可以用運(yùn)載火箭加速到近地軌道然后返回再入做滑翔飛行來實(shí)現(xiàn)。前者當(dāng)然理想，后者也具有巨大的軍事意義，可以用于彈道導(dǎo)彈增加射程和打擊機(jī)動(dòng)目標(biāo)。事實(shí)上，錢學(xué)森當(dāng)年提出的就是這樣的助推-滑翔概念。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)飛行，高超聲速飛行器是用升力體（lifting body），也就是用飛行器本身的形狀而不是機(jī)翼產(chǎn)生升力和一定的氣動(dòng)控制力。常規(guī)飛機(jī)由機(jī)翼產(chǎn)生升力，控制面控制飛行姿態(tài)，通過任務(wù)隔離以簡(jiǎn)化分析和設(shè)計(jì)。但升力體不再容許這樣的隔離，使得分析和設(shè)計(jì)大大復(fù)雜化。

更大的挑戰(zhàn)來自于高超聲速飛行器的空氣熱動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。高超聲速時(shí)，空氣從理想氣體向?qū)嶋H氣體變化，很多人們所熟知的物理規(guī)律不再適用。比如隨馬赫數(shù)的增高，飛行器表面的氣動(dòng)加熱使邊界層“受熱膨脹”，阻力隨速度的增加急劇增高，而雷諾數(shù)不再能夠確切地描述流體邊界層?？諝獾臒崃W(xué)性質(zhì)和流體力學(xué)性質(zhì)高度交聯(lián)，空氣動(dòng)力學(xué)變?yōu)榭諝鉄釀?dòng)力學(xué)。在稀薄的空氣中，空氣分子的間距大大增大，空氣不再能夠用連續(xù)介質(zhì)描述，更像互不接觸的粒子，描述亞聲速和超聲速空氣性質(zhì)的納維-斯托克斯方程也不再適用。

升力體其實(shí)是依靠壓縮升力完成飛行的，這和飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生升力的原理完全不同。通常的機(jī)翼靠上下翼面之間氣體的流速差導(dǎo)致壓力差，進(jìn)而產(chǎn)生升力。壓縮升力則是像滑水板一樣，由物體前進(jìn)運(yùn)動(dòng)對(duì)空氣的動(dòng)壓產(chǎn)生——一個(gè)上平下斜的鍥形體前行時(shí)，下斜面對(duì)空氣的動(dòng)壓壓縮作用在產(chǎn)生阻力的同時(shí)，也產(chǎn)生升力。比壓縮升力更進(jìn)一步的是利用激波產(chǎn)生升力，乘波體就是依靠這種升力完成高速飛行的。激波是對(duì)空氣高度壓縮的產(chǎn)物，激波鋒面好比一張無形的鋼板，理論上密度無窮大。高速飛行體在飛行中，形成首激波和尾激波，激波形狀大體為錐形，具體形狀由飛行器的首尾形狀決定。乘波體的下斜面形成下激波鋒面，好像騎乘在前傾的鋼板上一樣。設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)某瞬w的“翼展”應(yīng)該正好坐落在激波錐內(nèi)，達(dá)到最大升力。要是“翼展”太小了，壓縮升力要從兩邊“漏氣”，降低升力效率；太大了，翼尖要進(jìn)入激波區(qū)，帶來不必要的阻力和結(jié)構(gòu)應(yīng)力。從另一方面講，要在激波錐內(nèi)達(dá)到“氣密”，決定了乘波體的基本形狀在水平面上是銳角等腰三角形，頂角的角度就要看工作速度下激波錐的形狀了。

在理論上，馬赫角的正弦等于馬赫數(shù)的倒數(shù)，因此M2對(duì)應(yīng)于60度后掠角，M3對(duì)應(yīng)于70度后掠角，M5對(duì)應(yīng)于78.5度后掠角等等。激波錐的形狀很尖銳，因此坐落在激波錐內(nèi)的乘波體也很尖銳，這使得機(jī)內(nèi)容積有限。由于乘波體的上半躲在上激波的背后，可以在中線靠后的上部形成一個(gè)拱起的脊背而不影響壓縮升力，以增加機(jī)內(nèi)容積，便于裝載任務(wù)載荷。這樣，乘波體在形狀上大體相當(dāng)于下平上拱的橫置梭鏢。當(dāng)然，這是理論形狀，具體形狀還有其他設(shè)計(jì)考慮。

已有的高超聲速飛行器

高超聲速飛行器的另一個(gè)核心技術(shù)是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。俄羅斯在1992年就和法國合作試驗(yàn)過超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，但沒有產(chǎn)生凈推力。澳大利亞昆士蘭大學(xué)的一個(gè)研究小組用8 500萬美元的拮據(jù)的經(jīng)費(fèi)，在2002年先于美國成功地試驗(yàn)了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，首次在飛行中產(chǎn)生凈推力，發(fā)動(dòng)機(jī)工作了10秒鐘。但在很長(zhǎng)時(shí)間里，美國耗資2.5億美元的X-43及其超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)代表了最高水平。X-43的速度達(dá)到M7以上，高度3萬米以上，用B-52攜帶到空中投放，然后用“飛馬”火箭助推器加速，直到超燃沖壓點(diǎn)火。2001年第一次試驗(yàn)時(shí)，飛機(jī)失控，被迫自毀。2004年3月27日的第二次試驗(yàn)成功，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在29 000米高空工作了11秒鐘，飛行了24千米，速度達(dá)到M6.83，成為世界上最快的采用噴氣動(dòng)力飛行體，然后飛機(jī)無動(dòng)力滑翔，直到在指定地點(diǎn)墜毀在海里。2004年11月16日，又一架X-43再次打破紀(jì)錄，在33 528米高空，速度達(dá)到M9.6。

美國的另一個(gè)高超聲速項(xiàng)目X-51更為成熟，機(jī)體由波音設(shè)計(jì)，發(fā)動(dòng)機(jī)為普拉特-惠特尼SJX61超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，用乙烯點(diǎn)火，然后轉(zhuǎn)換到SR-71專用的JP-7航空煤油，在21 000米高度的設(shè)計(jì)速度為M5。X-51與X-43有很強(qiáng)的傳承關(guān)系，SJX61原來就是為X-43發(fā)展型設(shè)計(jì)的。X-51的第一次有動(dòng)力飛行在2010年5月26日進(jìn)行，然后在兩次失敗后，終于在2013年5月1日實(shí)現(xiàn)了210秒的M5.1的飛行。

在演示中，X-51由B-52在15 000米空中投放，然后由固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)助推到M4.8，而后SJX61點(diǎn)火工作。美國空軍計(jì)劃將X-51最終發(fā)展成1 000千米射程的空對(duì)地導(dǎo)彈。當(dāng)然這只是計(jì)劃而已，美國的高超聲速技術(shù)離武器化還有很長(zhǎng)距離。

中國的發(fā)展

中國的DF-ZF（也稱WU-14）高超聲速飛行器已經(jīng)被西方確認(rèn)試飛至少7次，而且全部成功。雖然外界對(duì)DF-ZF的性能仍屬猜測(cè)，但可以肯定中國在高超聲速領(lǐng)域的研究并不落后。在2014年AIAA舉行的第20屆會(huì)議上，中國相關(guān)單位提交了89篇論文，而本屆廈門會(huì)議上共有347篇論文提交，其中272篇來自中國。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在2002～2015年間，中文媒體共發(fā)表33 300篇涉及高超聲速話題的文章，其中3 582篇為學(xué)術(shù)論文。在世界上，2011～2015年間共有1 660篇高超聲速方面的英文學(xué)術(shù)論文，其中627篇來自中國，占38%；美國為422篇，占25%；其余來自法國、德國、意大利、印度、日本、俄羅斯和英國等國。

當(dāng)然，數(shù)量不等于質(zhì)量，學(xué)術(shù)會(huì)議上也不會(huì)暢談武器科研那樣的敏感話題，但廈門會(huì)議畢竟把中國高超聲速研究神秘的帷幕拉起了一角。會(huì)上，科研人員介紹了中國在空氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、超燃沖壓、燃?xì)馀c渦流耦合機(jī)制、計(jì)算預(yù)測(cè)、數(shù)值方法、材料與結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)、智能自主控制等方面的研究。人們吃驚地發(fā)現(xiàn)，中國在高超聲速方面展開了協(xié)調(diào)有力、持之以恒的科研努力。在深度、廣度、速度上取得了出乎意料的成就，使人們對(duì)中國是否在高超聲速方面接近甚至已經(jīng)超過美國的問題展開遐想。美國《航空周刊》稱這是中國對(duì)整個(gè)西方的叫板，并稱中國在會(huì)議上展示了協(xié)調(diào)有效、舉國發(fā)力的高超聲速科研計(jì)劃，不僅具有令人震驚的深度、廣度，而且在相對(duì)較短的時(shí)間里就取得了多得令人不解的重大成就。權(quán)威專業(yè)期刊如此堆砌重磅感嘆詞是很少見的。

考慮到中國的保密傳統(tǒng)，廈門會(huì)議或許真是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，不僅顯示了在中國航空航天領(lǐng)域的實(shí)力和自信，還在航空航天科技最前沿的高超聲速俱樂部的擂臺(tái)上敲響了戰(zhàn)鼓。中國選擇了專業(yè)學(xué)術(shù)會(huì)議這樣一個(gè)場(chǎng)所敲響了戰(zhàn)鼓，專門敲給有心人聽。需要聽懂的人聽到了，不需要驚動(dòng)的人沒有被驚動(dòng)。既傳達(dá)了信息，又不給“中國威脅論”添柴潑油，很有意思。endprint