高超聲速的誘惑

苗若玖

近70年前，人類掌握了以超越聲音的速度飛行的能力，繼而發現突破音障之后的天空是一片“坦途”。此后，人類又開始了向更高速度進軍的征程，想要讓空中打擊和日常旅行都變得更為迅捷，高超聲速的概念應運而生。越來越多為實現高超聲速而研制的實驗飛行器，逐漸模糊了航空與航天的界限。

從突破音障到挑戰熱障

第二次世界大戰末期，以活塞式發動機和螺旋槳驅動的飛機，其性能已經達到了極限。當飛行速度接近聲速的時候，螺旋槳槳葉尖端的運動速度會超過聲速，使螺旋槳的性能迅速下降;機翼和機身表面的氣流也變得非常紊亂，令飛機難以操控。此時，飛行員們發現，他們的飛機仿佛撞在了一堵無形的墻上，這就是音障現象，如果處置不當，很可能導致墜毀事故。很顯然，想要突破音障，實現超聲速飛行，只能由動力更為強大，而且機體經過特別設計的噴氣式飛機來完成。

戰后，突破音障成為航空研究的熱點課題。1947年10月14日，美國試飛員查克·耶格爾駕駛著以火箭為動力的X-1型飛機，完成了人類第一次超聲速飛行。此后，人們很快發現音障只有一道，也就是說，飛機只要突破音障，便擁有一段相當大的提速空間。只有在飛行速度超過2.5倍聲速的時候，飛機才會面臨另一重威脅，即機體與空氣摩擦，將會產生足以威脅機體強度的高溫，這種新的挑戰被稱為熱障。

想要克服熱障，傳統的航空鋁合金材料已經無能為力，只有借助鈦合金、不銹鋼和特制的高溫鋁合金等材料。美國研制的SR-71戰略偵察機和XB-70女武神轟炸機，飛行速度都達到了聲速的3倍。蘇聯為截擊XB-70研制的米格-25狐蝠戰斗機，也擁有這樣的高速。它們是為數不多的克服熱障的成功者。

但這些為軍備競賽研制的飛機，都是不計成本的產物，而且為克服熱障，在其他性能上做出了或多或少的讓步，因而有著各自的缺陷。例如，SR-71需要大量的地面準備工作才能起飛，而且其機體結構需要為高速飛行時的熱脹預留空間，所以在地面上和低速飛行時會不可避免地漏油，以至于每一次任務都只能帶半箱油起飛，還必須有專用的空中加油機隨時待命補給燃油。米格-25受制于蘇聯在鈦合金領域的短板，機體主要由不銹鋼制造，不僅犧牲了操控的靈活性，而且只能維持很短的高速時間。XB-70原本是為高速突破蘇聯的防空網所設計，因此不計成本地使用了大量鈦合金材料;但迅速進步的洲際導彈技術，提供了更高的速度和打擊精度，這使得XB-70憑借的戰術不再有意義，XB-70和為它護航的F-108輕劍戰斗機也胎死腹中。

目前，世界上各個軍事強國最先進的那一批主力戰斗機，比如美國的F-22猛禽戰斗機，最高速度都在聲速的2.5倍以下。但憑借超聲速巡航能力，它們能夠以更快的速度長途奔襲作戰。至于研制既能夠以聲速的3倍甚至更高速度巡航，又能投入空戰的戰斗機，不再是人們追求的目標。這是因為，同時具備輕質、堅固和耐高溫，經濟上也可以接受的材料尚未出現，燃油效率更高的發動機也有待研發;而且，想要讓這樣的飛機充分發揮實力，還需要空中加油機或者其他等效的裝備隨叫隨到。

因此可以說，在美國科幻電影《絕密飛行》里，幾架新銳戰機以4倍聲速做長途奔襲，到達戰場后隨即展開攻擊的情節，短時間內還難以成為現實。即使是在電影虛構的近未來世界中，這樣的戰術也是在美國部署了大量巨型飛艇“加油站”的條件下，方才能偶爾為之。

高超聲速為航天“奠基”

如果在科幻電影中未來戰機的基礎上進一步提速，我們就進入了高超聲速的領域，也就是以聲速的5倍或者更高的速度飛行。以人類目前的動力和材料技術，這樣的速度只有在空氣極為稀薄的高空，或者外層空間，才有達到的可能。

20世紀50年代末和60年代初，美國為載人航天方面的研究，設計了X-15試驗飛機。時至今日，它仍然是飛行速度最快的有人駕駛飛機。這種獨特的飛機使用以液氨和液氧驅動的火箭發動機，以挑戰高空高速飛行。但獨特的結構和動力模式，決定了它的發動機工作時間極為短暫。因此，它只能被一架B-52同溫層堡壘轟炸機搭載升空，“發射”之后飛上一小段時間再滑翔降落。在一些航次的飛行中，X-15達到了聲速的6.72倍，并突破距離地面100千米的卡門線進入了太空;那些駕機突破卡門線的飛行員，后來被歸入宇航員之列。

X-15為美國早期的載人航天計劃，甚至后來的阿波羅登月計劃，積累了極為寶貴的實驗數據;而它超越時代的高超性能，也模糊了航空與航天的界限。隨著人類進入太空并踏足月球，宇宙航行逐漸普及和廉價的“大宇航時代”仿佛觸手可及，就像飛機從獵奇者的玩具到實用的交通工具，不過只用了幾十年一樣。一些人開始憧憬，未來的洲際長途旅行會以亞軌道飛行完成，也就是說，未來的遠程客機在起飛之后，會進入太空并越過遙遠的距離，迅速抵達上萬千米外的異鄉，再像傳統飛機一樣降落，飛行軌跡和洲際導彈有些相似;軍隊也會使用類似的技術，完成作戰力量的快速調遣和超遠程的精確打擊。這種能夠像傳統飛機一樣經歷多次起飛和降落，又能像航天器一樣在太空中飛行的機械，被稱為“空天飛機”。雖然人類的科技發展如今已經走到了另一個方向，更為重視互聯網這樣的“內向型”技術，但空天飛機的概念仍然被保留下來。

無論是民用還是軍用的空天飛機，都是科幻作品里的?？停嚓P的圖書和影視作品不勝枚舉;還有一些作品會為了契合對科技發展脈絡的設定，使用等效卻看上去相對原始的技術。比如，美國科幻作家菲利普·迪克的《高堡奇人》，幻想了德國和日本在第二次世界大戰中取勝的世界。在迪克筆下與真實歷史完全相反的世界里，德國為戰爭研發的火箭技術，在戰后獲得了畸形發展，以至于人們可以乘坐火箭動力的高速客機跨越大西洋。

撲朔迷離的未來天空

不過，在現實生活里，研制以高超聲速飛行的空天飛機的努力，卻顯得舉步維艱。20世紀80年代末和90年代初，美國曾試圖研制能夠以8倍聲速飛行的空天飛機X-30，按照計劃，這種飛機可以搭載2～3名軍人，以驚人的速度穿洲越洋，對敵國進行偵察乃至攻擊。但飛機離開和再次進入大氣層時的高溫，成為最大的技術難關，即使用最先進的鈦基復合材料也難以克服。隨著東歐劇變和蘇聯解體，美國最主要的競爭對手在幾年內消失，這使成本極高的X-30不再有繼續研發的價值。因此，在蘇聯解體后不久，美國就中止了X-30計劃。

對空天飛機的探索，轉到了無人機的方向。相比于有人駕駛的飛機，無人機不必考慮乘員的生存需求，因此能夠相對小巧和簡單（關于無人機在戰場上的優勢，請參閱《知識就是力量》雜志2016年第2期）。美國在21世紀進行的幾項空天飛機研發計劃，比如X-37B、X-43和X-51，都是小巧的無人機。不僅如此，X-43和X-51的性能指標，甚至比多年前的X-30還要保守一些，在取得一些成就之后便被暫時擱置。2010年試飛成功，并且在太空中飛行了270天的X-37B，則是目前世界上最接近于實用水平的空天飛機。近幾年里，中國也投入研發空天飛機的競爭之中，建造了與X-37B類似的神龍無人空天飛機，并開始試飛。

在研發空天飛機的同時，對高超聲速的研究還有一條更為艱難的路，那就是在地球大氣層中實現高超聲速飛行。2013年，美國公布了SR-71戰略偵察機的后繼者，無人偵察機SR-72的研發計劃。按照技術指標，SR-72能夠在平流層頂部以6倍聲速飛行。這意味著它可以在一小時內從美國本土到達地球表面的任意地區，并且因為飛行高度低于空天飛機和間諜衛星的優勢，而能夠得到更為清晰的偵察照片。

沒有人知道SR-72是否真的能夠如計劃所言，在2030年順利入役;但這個充滿科幻感的計劃再次提醒我們，高超聲速技術或許會是下一輪軍備競賽的制高點，而“選手”們已經在暗自發力。畢竟，以高超聲速跨越遙遠距離的能力，可以為軍隊帶來巨大的戰略優勢。這種來自高速度的誘惑，顯然值得大國投入巨量資源奮力一搏。