吹響高超聲速的號角

晨楓

3月6日，由美國航空航天學會（AIAA）、中國工程院主辦，廈門大學承辦的第21屆國際航天飛機和高超聲速系統(tǒng)與技術(shù)大會在廈門大學科學藝術(shù)中心開幕。這是美國航空航天學會成立80多年來第一次在中國召開會議，也是中國軍工科技界難得的高調(diào)亮相。乘著中國經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展的東風，中國高新技術(shù)近些年來也獲得了顯著發(fā)展，驚喜一個接一個。但中國的保密傳統(tǒng)沒變，對于還在研發(fā)中的新型武器和平臺往往秘而不宣。高超聲速飛行及超燃沖壓發(fā)動機的研究是航空科技的最前沿，仍然高度保密，公開的細節(jié)很少，正因為如此，廈門會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

1946年，錢學森首先提出了高超聲速的概念，當時錢老還在加州理工學院噴氣推進實驗室工作。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的高超聲速客機從溫哥華到上海不到兩小時就可以到達，M25的話更是只有20分鐘。

速度不是高超聲速的唯一優(yōu)勢，彈道導彈的速度也很快，但高超聲速飛行最大的優(yōu)勢是機動性。彈道導彈在近地空間和再入過程中都只有有限的機動能力，高超聲速飛行器把速度和機動性相結(jié)合，使其探測和攔截窗口都大大縮小，其軍事意義不言而喻。攔截機動的高超聲速飛行器與攔截彈道導彈有本質(zhì)區(qū)別。由于導彈與反導彈都只有有限的機動性，攔截命中率在很大程度上依靠對目標彈道的精確推算及反導彈的提前量，反導彈的機動性只能對預估誤差或者目標機動作有限的補償。高超聲速飛行器的機動能力大大超過彈道導彈，使得彈道推算失去意義，在最終轉(zhuǎn)向目標俯沖攻擊之前無法判斷導彈的攻擊目標和彈道，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)動機推進來實現(xiàn)，也可以用運載火箭加速到近地軌道然后返回再入做滑翔飛行來實現(xiàn)。前者當然理想，后者也具有巨大的軍事意義，可以用于彈道導彈增加射程和打擊機動目標。事實上，錢學森當年提出的就是這樣的助推-滑翔概念。

為了實現(xiàn)機動飛行，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翼產(chǎn)生升力和一定的氣動控制力。常規(guī)飛機由機翼產(chǎn)生升力，控制面控制飛行姿態(tài)，通過任務(wù)隔離以簡化分析和設(shè)計。但升力體不再容許這樣的隔離，使得分析和設(shè)計大大復雜化。

更大的挑戰(zhàn)來自于高超聲速飛行器的空氣熱動力學現(xiàn)象。高超聲速時，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性質(zhì)和流體力學性質(zhì)高度交聯(lián)，空氣動力學變?yōu)榭諝鉄釀恿W。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。

升力體其實是依靠壓縮升力完成飛行的，這和飛機機翼產(chǎn)生升力的原理完全不同。通常的機翼靠上下翼面之間氣體的流速差導致壓力差，進而產(chǎn)生升力。壓縮升力則是像滑水板一樣，由物體前進運動對空氣的動壓產(chǎn)生——一個上平下斜的鍥形體前行時，下斜面對空氣的動壓壓縮作用在產(chǎn)生阻力的同時，也產(chǎn)生升力。比壓縮升力更進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)計得當?shù)某瞬w的“翼展”應(yīng)該正好坐落在激波錐內(nèi)，達到最大升力。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對應(yīng)于60度后掠角，M3對應(yīng)于70度后掠角，M5對應(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拱起的脊背而不影響壓縮升力，以增加機內(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于下平上拱的橫置梭鏢。當然，這是理論形狀，具體形狀還有其他設(shè)計考慮。

已有的高超聲速飛行器

高超聲速飛行器的另一個核心技術(shù)是超燃沖壓發(fā)動機。俄羅斯在1992年就和法國合作試驗過超燃沖壓發(fā)動機，但沒有產(chǎn)生凈推力。澳大利亞昆士蘭大學的一個研究小組用8 500萬美元的拮據(jù)的經(jīng)費，在2002年先于美國成功地試驗了超燃沖壓發(fā)動機，首次在飛行中產(chǎn)生凈推力，發(fā)動機工作了10秒鐘。但在很長時間里，美國耗資2.5億美元的X-43及其超燃沖壓發(fā)動機代表了最高水平。X-43的速度達到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，直到超燃沖壓點火。2001年第一次試驗時，飛機失控，被迫自毀。2004年3月27日的第二次試驗成功，超燃沖壓發(fā)動機在29 000米高空工作了11秒鐘，飛行了24千米，速度達到M6.83，成為世界上最快的采用噴氣動力飛行體，然后飛機無動力滑翔，直到在指定地點墜毀在海里。2004年11月16日，又一架X-43再次打破紀錄，在33 528米高空，速度達到M9.6。

美國的另一個高超聲速項目X-51更為成熟，機體由波音設(shè)計，發(fā)動機為普拉特-惠特尼SJX61超燃沖壓發(fā)動機，用乙烯點火，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)計速度為M5。X-51與X-43有很強的傳承關(guān)系，SJX61原來就是為X-43發(fā)展型設(shè)計的。X-51的第一次有動力飛行在2010年5月26日進行，然后在兩次失敗后，終于在2013年5月1日實現(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)動機助推到M4.8，而后SJX61點火工作。美國空軍計劃將X-51最終發(fā)展成1 000千米射程的空對地導彈。當然這只是計劃而已，美國的高超聲速技術(shù)離武器化還有很長距離。

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)被西方確認試飛至少7次，而且全部成功。雖然外界對DF-ZF的性能仍屬猜測，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屆會議上，中國相關(guān)單位提交了89篇論文，而本屆廈門會議上共有347篇論文提交，其中272篇來自中國。據(jù)統(tǒng)計，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。

當然，數(shù)量不等于質(zhì)量，學術(shù)會議上也不會暢談武器科研那樣的敏感話題，但廈門會議畢竟把中國高超聲速研究神秘的帷幕拉起了一角。會上，科研人員介紹了中國在空氣動力學、熱力學、超燃沖壓、燃氣與渦流耦合機制、計算預測、數(shù)值方法、材料與結(jié)構(gòu)、熱防護、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》稱這是中國對整個西方的叫板，并稱中國在會議上展示了協(xié)調(diào)有效、舉國發(fā)力的高超聲速科研計劃，不僅具有令人震驚的深度、廣度，而且在相對較短的時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)，廈門會議或許真是一個轉(zhuǎn)折點，不僅顯示了在中國航空航天領(lǐng)域的實力和自信，還在航空航天科技最前沿的高超聲速俱樂部的擂臺上敲響了戰(zhàn)鼓。中國選擇了專業(yè)學術(shù)會議這樣一個場所敲響了戰(zhàn)鼓，專門敲給有心人聽。需要聽懂的人聽到了，不需要驚動的人沒有被驚動。既傳達了信息，又不給“中國威脅論”添柴潑油，很有意思。endprint