高超音速飞行器为何能飞这么快？

尹怀勤

2015年11月23日，我国在太原卫星发射中心用长征2号丙运载火箭成功发射并进行了高超音速飞行器飞行试验。实际上，这是我国进行的第6次高超音速飞行器试验，2014年进行了3次，2015年又进行了3次，所有试验均获成功。试验的主角高超音速飞行器代号为DF-ZF（它曾被美国军事情报部门称为WU-14），其飞行速度为10倍音速，即10马赫，也就是说时速达到1.2万千米以上。正因其如此之快的速度，备受国际航天界的瞩目。那么，高超音速飞行器是如何做到这一点的呢？

飞行三阶段

我国试射的高超音速飞行器属于临近空间20千米～100千米飞行器的一种。其典型弹道可分为3个阶段：首先是由火箭将其从地面发送到临近空间，之后与火箭助推器分离，单独飞行;第二阶段载具再入大气层后，依靠气动升力做无动力远距离跳跃、滑翔机动飞行，亦可加装专用火箭发动机或冲压发动机做有动力机动飞行;当接近被打击目标上空时，进入第三个阶段，此时制导雷达开机瞄准，直至高速俯冲击中目标。其高达10马赫的飞行速度，使现有任何反导拦截系统都束手无策。高超音速系统能够避免触发对方预警系统或被雷达探测到，具有以前所未有的速度和精度对目标实施打击的能力。

钱学森弹道

著名科学家钱学森于20世纪40年代提出了一种新型导弹弹道的设想，即助推-滑翔弹道。这种弹道的特点是将弹道导弹和巡航导弹的轨迹衔接在一起，使之既有弹道导弹的突防能力，又有巡航导弹的灵活性。如果在末段增加先进的自动导引技术，那么，就完全可以满足对付航空母舰或其他大型海上目标的技术要求，因而有可能成为未来攻击海洋重型装备编队的一种比较理想的武器。

我国的东风-21D（DF-21D）移动车载陆基发射反舰导弹就是钱学森弹道应用的实例。这种新型反舰导弹是在DF-21中程地地导弹基础上研制的，由于导弹弹头采用特殊的气动设计和制导系统，故而导弹以弹道导弹轨迹飞行数千千米再入大气层后，能在大气内进行滑翔机动并自主攻击对方海上舰船。

据外媒分析称，DF-ZF高超音速飞行器可能采用了外形是流线形的高升阻比的乘波体设计。乘波体飞行时其前缘平面与激波的上表面重合，就像骑在激波的波面上，依靠激波的压力产生升力。如果把大气层边缘看作水面，乘波体飞行时就像是在水面上打水漂。

加装发动机

DF-ZF高超音速飞行器尾部若是加装了专门研制的火箭发动机，那么由于其推力大小和前进方向均可调节和变化，故飞行器能够进行升降滑翔和横向机动飞行，甚至能做S形高速前冲运动，使对方的防御系统很难发现和拦截，从而最终摧毁要打击的军事目标。

如果DF-ZF高超音速飞行器加装了吸空气式冲压机发动机，亦能达到上述效果。冲压发动机通常由进气道、燃烧室、推进喷管3部分组成。飞行器前进时迎面气流在通过进气道的过程中将动能转变为压力能，经压缩后的空气进入燃烧室与燃烧剂混合进行等压燃烧，生成的高温燃气在喷管中膨胀加速后排出，产生推力。这种发动机在飞行速度大于3倍音速的条件下使用有较高的经济性。其喷出气流的速度比进口的空气速度大得多，因而造成反作用推力，使得飞行器向前运行。气流喷出速度愈大，推力也就愈大，速度能够远远超出其他吸空气式发动机。

人们一般将速度达到6倍音速以上的冲压发动机称为超燃冲压发动机。虽然澳大利亚和美国都利用无人飞行器进行了以液氢为燃烧剂的7倍音速的冲压发动机的飞行试验，但由于工作时间较短并未达到实用要求。尽管某些巡航导弹如印度和俄罗斯合作研制的布拉莫斯巡航导弹已采用冲压发动机作为动力装置，但其速度还未达到3倍音速。

理论研究表明，冲压发动机最高速度可达23倍音速。这种技术难度较大的发动机，虽然有结构简单、重量轻、成本低、推力大等优点，但在静止状态下不能自行启动，需要以其他发动机或者其他方式将其加速到超音速时方可工作，如与火箭发动机组合，与涡喷发动机或涡扇发动机组合等，这些都增加了它的重量，使得推重比、整体重量等不够理想，且其低速性能不好。冲压发动机历来以高空高速状态下难以顺利点火和燃烧的不稳定性等问题困扰着专家们，使其迟迟未能在航空器上得以采用。世界上一些国家早已在这方面进行技术攻关，但迄今未能获得比较满意的成果，尤其是速度达10倍音速以上的冲压发动机尚未出现。由于DF-ZF高超音速飞行器本身已经具有较高的飞行速度，故而在其再入大气层后用不着其他助推器加速即可按照预定要求启动工作。

【责任编辑】庞 云