吹响高超声速的号角

晨枫

3月6日，由美国航空航天学会（AIAA）、中国工程院主办，厦门大学承办的第21届国际航天飞机和高超声速系统与技术大会在厦门大学科学艺术中心开幕。这是美国航空航天学会成立80多年来第一次在中国召开会议，也是中国军工科技界难得的高调亮相。乘着中国经济持续高速发展的东风，中国高新技术近些年来也获得了显著发展，惊喜一个接一个。但中国的保密传统没变，对于还在研发中的新型武器和平台往往秘而不宣。高超声速飞行及超燃冲压发动机的研究是航空科技的最前沿，仍然高度保密，公开的细节很少，正因为如此，厦门会议上中国的开放姿态才更引人注意。

速度不是唯一优势

1946年，钱学森首先提出了高超声速的概念，当时钱老还在加州理工学院喷气推进实验室工作。高超声速是指5倍声速以上的速度，也可表示为M5。一般认为，高超声速在M5～25之间，更高的速度已经是第一轨道速度，就不再用声速作为衡量尺度了。M5的高超声速客机从温哥华到上海不到两小时就可以到达，M25的话更是只有20分钟。

速度不是高超声速的唯一优势，弹道导弹的速度也很快，但高超声速飞行最大的优势是机动性。弹道导弹在近地空间和再入过程中都只有有限的机动能力，高超声速飞行器把速度和机动性相结合，使其探测和拦截窗口都大大缩小，其军事意义不言而喻。拦截机动的高超声速飞行器与拦截弹道导弹有本质区别。由于导弹与反导弹都只有有限的机动性，拦截命中率在很大程度上依靠对目标弹道的精确推算及反导弹的提前量，反导弹的机动性只能对预估误差或者目标机动作有限的补偿。高超声速飞行器的机动能力大大超过弹道导弹，使得弹道推算失去意义，在最终转向目标俯冲攻击之前无法判断导弹的攻击目标和弹道，只有靠现在还不成熟的激光或者粒子束武器来拦截。高超声速可以靠喷气发动机推进来实现，也可以用运载火箭加速到近地轨道然后返回再入做滑翔飞行来实现。前者当然理想，后者也具有巨大的军事意义，可以用于弹道导弹增加射程和打击机动目标。事实上，钱学森当年提出的就是这样的助推-滑翔概念。

为了实现机动飞行，高超声速飞行器是用升力体（lifting body），也就是用飞行器本身的形状而不是机翼产生升力和一定的气动控制力。常规飞机由机翼产生升力，控制面控制飞行姿态，通过任务隔离以简化分析和设计。但升力体不再容许这样的隔离，使得分析和设计大大复杂化。

更大的挑战来自于高超声速飞行器的空气热动力学现象。高超声速时，空气从理想气体向实际气体变化，很多人们所熟知的物理规律不再适用。比如随马赫数的增高，飞行器表面的气动加热使边界层“受热膨胀”，阻力随速度的增加急剧增高，而雷诺数不再能够确切地描述流体边界层。空气的热力学性质和流体力学性质高度交联，空气动力学变为空气热动力学。在稀薄的空气中，空气分子的间距大大增大，空气不再能够用连续介质描述，更像互不接触的粒子，描述亚声速和超声速空气性质的纳维-斯托克斯方程也不再适用。

升力体其实是依靠压缩升力完成飞行的，这和飞机机翼产生升力的原理完全不同。通常的机翼靠上下翼面之间气体的流速差导致压力差，进而产生升力。压缩升力则是像滑水板一样，由物体前进运动对空气的动压产生——一个上平下斜的锲形体前行时，下斜面对空气的动压压缩作用在产生阻力的同时，也产生升力。比压缩升力更进一步的是利用激波产生升力，乘波体就是依靠这种升力完成高速飞行的。激波是对空气高度压缩的产物，激波锋面好比一张无形的钢板，理论上密度无穷大。高速飞行体在飞行中，形成首激波和尾激波，激波形状大体为锥形，具体形状由飞行器的首尾形状决定。乘波体的下斜面形成下激波锋面，好像骑乘在前倾的钢板上一样。设计得当的乘波体的“翼展”应该正好坐落在激波锥内，达到最大升力。要是“翼展”太小了，压缩升力要从两边“漏气”，降低升力效率；太大了，翼尖要进入激波区，带来不必要的阻力和结构应力。从另一方面讲，要在激波锥内达到“气密”，决定了乘波体的基本形状在水平面上是锐角等腰三角形，顶角的角度就要看工作速度下激波锥的形状了。

在理论上，马赫角的正弦等于马赫数的倒数，因此M2对应于60度后掠角，M3对应于70度后掠角，M5对应于78.5度后掠角等等。激波锥的形状很尖锐，因此坐落在激波锥内的乘波体也很尖锐，这使得机内容积有限。由于乘波体的上半躲在上激波的背后，可以在中线靠后的上部形成一个拱起的脊背而不影响压缩升力，以增加机内容积，便于装载任务载荷。这样，乘波体在形状上大体相当于下平上拱的横置梭镖。当然，这是理论形状，具体形状还有其他设计考虑。

已有的高超声速飞行器

高超声速飞行器的另一个核心技术是超燃冲压发动机。俄罗斯在1992年就和法国合作试验过超燃冲压发动机，但没有产生净推力。澳大利亚昆士兰大学的一个研究小组用8 500万美元的拮据的经费，在2002年先于美国成功地试验了超燃冲压发动机，首次在飞行中产生净推力，发动机工作了10秒钟。但在很长时间里，美国耗资2.5亿美元的X-43及其超燃冲压发动机代表了最高水平。X-43的速度达到M7以上，高度3万米以上，用B-52携带到空中投放，然后用“飞马”火箭助推器加速，直到超燃冲压点火。2001年第一次试验时，飞机失控，被迫自毁。2004年3月27日的第二次试验成功，超燃冲压发动机在29 000米高空工作了11秒鐘，飞行了24千米，速度达到M6.83，成为世界上最快的采用喷气动力飞行体，然后飞机无动力滑翔，直到在指定地点坠毁在海里。2004年11月16日，又一架X-43再次打破纪录，在33 528米高空，速度达到M9.6。

美国的另一个高超声速项目X-51更为成熟，机体由波音设计，发动机为普拉特-惠特尼SJX61超燃冲压发动机，用乙烯点火，然后转换到SR-71专用的JP-7航空煤油，在21 000米高度的设计速度为M5。X-51与X-43有很强的传承关系，SJX61原来就是为X-43发展型设计的。X-51的第一次有动力飞行在2010年5月26日进行，然后在两次失败后，终于在2013年5月1日实现了210秒的M5.1的飞行。

在演示中，X-51由B-52在15 000米空中投放，然后由固体火箭发动机助推到M4.8，而后SJX61点火工作。美国空军计划将X-51最终发展成1 000千米射程的空对地导弹。当然这只是计划而已，美国的高超声速技术离武器化还有很长距离。

中国的发展

中国的DF-ZF（也称WU-14）高超声速飞行器已经被西方确认试飞至少7次，而且全部成功。虽然外界对DF-ZF的性能仍属猜测，但可以肯定中国在高超声速领域的研究并不落后。在2014年AIAA举行的第20届会议上，中国相关单位提交了89篇论文，而本届厦门会议上共有347篇论文提交，其中272篇来自中国。据统计，在2002～2015年间，中文媒体共发表33 300篇涉及高超声速话题的文章，其中3 582篇为学术论文。在世界上，2011～2015年间共有1 660篇高超声速方面的英文学术论文，其中627篇来自中国，占38%；美国为422篇，占25%；其余来自法国、德国、意大利、印度、日本、俄罗斯和英国等国。

当然，数量不等于质量，学术会议上也不会畅谈武器科研那样的敏感话题，但厦门会议毕竟把中国高超声速研究神秘的帷幕拉起了一角。会上，科研人员介绍了中国在空气动力学、热力学、超燃冲压、燃气与涡流耦合机制、计算预测、数值方法、材料与结构、热防护、智能自主控制等方面的研究。人们吃惊地发现，中国在高超声速方面展开了协调有力、持之以恒的科研努力。在深度、广度、速度上取得了出乎意料的成就，使人们对中国是否在高超声速方面接近甚至已经超过美国的问题展开遐想。美国《航空周刊》称这是中国对整个西方的叫板，并称中国在会议上展示了协调有效、举国发力的高超声速科研计划，不仅具有令人震惊的深度、广度，而且在相对较短的时间里就取得了多得令人不解的重大成就。权威专业期刊如此堆砌重磅感叹词是很少见的。

考虑到中国的保密传统，厦门会议或许真是一个转折点，不仅显示了在中国航空航天领域的实力和自信，还在航空航天科技最前沿的高超声速俱乐部的擂台上敲响了战鼓。中国选择了专业学术会议这样一个场所敲响了战鼓，专门敲给有心人听。需要听懂的人听到了，不需要惊动的人没有被惊动。既传达了信息，又不给“中国威胁论”添柴泼油，很有意思。endprint