“錢學森原理”，助推高超音速飛行器

紀中展

不久前，“我國JF—22超高速風洞預計2022年建成”登上微博熱搜。這意味著，中國具備了更高的實力來發(fā)展高超音速飛行器。于是，西方媒體又跳出來渲染“中國威脅論”了。其實，美國、俄羅斯都有可用來測試高超音速飛行器的風洞。美國的風洞能滿足30馬赫狀態(tài)的測試，俄羅斯的風洞能滿足20馬赫狀態(tài)的測試。

這里需要先科普兩個概念：風洞和馬赫。

風洞指長條形盤繞著的粗大管道，可以控制管道內(nèi)的流速、密度、溫度。風洞常被用于空氣動力學的研究和試驗?？蒲腥藛T將模型或?qū)嵨镌陲L洞中反復吹風，觀察、測量不同氣流對其產(chǎn)生作用，從而為其結(jié)構(gòu)設(shè)計、性能改進等提供依據(jù)。JF—22型超高速風洞的上一代是JF—12風洞——長265米，居世界風洞長度之首，被國際同行稱為“高超巨龍”，是國際首座可復現(xiàn)飛行條件的超大型超高速風洞。

馬赫即馬赫數(shù)，是物理學單位，一般用于衡量飛行器的飛行速度。1馬赫代表1倍音速，馬赫數(shù)小于1為亞音速，大于5就是高超音速了。目前民用飛機速度一般在0.8—0.9馬赫，對應(yīng)速度大概是每小時800—900千米，最先進的軍用飛機速度能達到3馬赫。國產(chǎn)JF—22風洞的測試速度應(yīng)該不低于35馬赫。

那么，什么是高超音速飛行器？

高超音速飛行器又被稱作“近空間高超音速飛行器”，可以理解為是“飛行速度超過5馬赫的飛機、導彈、炮彈等有翼或無翼飛行器”的總稱。近空間是指飛行高度距離地面20—100千米的大氣層空間，位于低軌衛(wèi)星軌道的下方、飛機飛行高度的上方，包括大氣平流層、中間層和部分熱層。

高超音速飛行器的飛行速度如果是5馬赫，換算下來是每小時飛行距離超過6000千米，是民用飛機的6倍、現(xiàn)役超音速軍用飛機最大速度的兩倍。而且，高超音速飛行器的飛行高度一般在20—40千米（現(xiàn)在民用客機約10千米）。若高超音速飛行器應(yīng)用于民用和貨運，飛行時間會大大縮減，從北京到地球任何地方可能只需1小時，真正實現(xiàn)“首都一小時達”！

知名科學家錢學森是高超音速概念和技術(shù)最早的倡導者和推動者之一。1945年，錢學森發(fā)表論文《論高超聲速相似律》，提出高超音速的飛行速度大于5馬赫這一標準。高超音速飛行器大致分為兩類。一類是依靠自身高性能動力，推進系統(tǒng)實現(xiàn)大氣層內(nèi)數(shù)倍音速。超燃沖壓發(fā)動機、脈沖爆震發(fā)動機是這類高超音速飛行器的關(guān)鍵技術(shù)和儀器。另一類是助推滑翔高超音速飛行器。這又要提到錢學森了。

1948年，錢學森在美國火箭年會上提出了“火箭助推—再入大氣層滑翔機動飛行”的概念，就是通過火箭助推器，將飛行器推出大氣層，在重力作用和地球引力的聯(lián)合作用下，飛行器將從太空重返近空間，然后依靠大氣層內(nèi)的“氣動升力”進一步飛行——氣動升力是評價空氣動力學性能的指標之一，影響飛行器的穩(wěn)定性和動力性。飛行器飛行時，采用無動力的滑翔模式，減緩降落速度，控制降落方向。目前，美國、俄羅斯的高超音速飛行器也運用錢學森提出的原理。

可以說，在人類航空史上，高超音速飛行器是繼飛機之后的又一個里程碑式的突破。