高超聲速飛行技術(shù)：挑戰(zhàn)速度極限

張德良

自古以來，人類始終有一個(gè)夢(mèng)想：可以像鳥一樣在天空翱翔，甚至是飛向星際太空……經(jīng)過無數(shù)人的不懈努力，人類翱翔太空之夢(mèng)終于在1969年實(shí)現(xiàn)，歷史將永遠(yuǎn)銘記美國(guó)航天員阿姆斯特朗登上月球邁出的那一步。隨著發(fā)射衛(wèi)星、登上月球到深入太陽系等一系列探測(cè)活動(dòng)的開展，人類正一步步地朝著更快、更高和更遠(yuǎn)的飛行目標(biāo)前進(jìn)！

自1903年美國(guó)的萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)以來，人們已經(jīng)從最初的試飛，經(jīng)過亞聲速飛行，進(jìn)入超聲速飛行的時(shí)代。

的確，人們對(duì)于速度的追求一直沒有停止！從20世紀(jì)90年代起，人們提出更高的愿望：“在一小時(shí)內(nèi)飛到地球任何角落。”為此，各國(guó)科技工作者全力以赴地研究高超聲速飛行技術(shù)。

說起高超聲速飛行，一定要提我國(guó)著名的科學(xué)家錢學(xué)森，高超聲速（Hypersonic）的術(shù)語，是錢學(xué)森在20世紀(jì)40年代的首創(chuàng)。不僅如此，他還提出了高超聲速滑翔飛行彈道，即“錢學(xué)森彈道”。那么，什么是高超聲速飛行呢？高超聲速飛行要求飛行器的飛行速度超過聲速5倍，即飛行速度大于6000千米/時(shí)。因此，一旦人們掌握了高超聲速飛行技術(shù)，就可以在兩小時(shí)內(nèi)從北京飛到紐約，或到達(dá)地球的其他角落。

目前，世界各國(guó)正在對(duì)高超聲速飛行的關(guān)鍵技術(shù)開展研究，并已取得了一定的進(jìn)展，其中以美國(guó)、中國(guó)和俄羅斯等國(guó)家為主。經(jīng)過這些年的研究，高超聲速飛行器已有了雛形——高超聲速巡航導(dǎo)彈（例如X51）、高超聲速空天飛機(jī)（例如X37B）和高超聲速火箭助推-滑翔飛行器（例如HTV2）等相繼出現(xiàn)。

要實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行，決不是件容易的事，有許多難題需要我們解決。目前，高超聲速飛行技術(shù)依然處在嘗試階段，還有許多技術(shù)難點(diǎn)。

首先，需要一種適合高超聲速飛行的發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)飛行速度大于5倍聲速時(shí)，傳統(tǒng)的渦輪噴氣、渦輪風(fēng)扇等發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)不能滿足這種飛行條件，因此，一種全新的發(fā)動(dòng)機(jī)被提了出來，它就是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)理論上不需要渦輪和壓氣機(jī)，而由進(jìn)氣道、隔離段、燃燒室與尾噴管組成，整體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。它的原理是運(yùn)用被一系列激波壓縮過的氧氣，在毫秒量級(jí)的短時(shí)間內(nèi)點(diǎn)燃燃料，從而產(chǎn)生巨大的推力。然而，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研制進(jìn)展甚微，至今仍處于探索階段。

其次，在進(jìn)行高超聲速飛行時(shí)，由于激波和黏性的作用，會(huì)使飛行器的機(jī)體周圍溫度急劇升高，可達(dá)到幾千攝氏度，形成嚴(yán)酷的氣動(dòng)加熱環(huán)境，這就是我們常說的“熱障問題”。一般飛行器的結(jié)構(gòu)根本無法承受如此高溫，因此，需要對(duì)飛行器進(jìn)行專門的熱防護(hù)設(shè)計(jì)。然而目前，高超聲速飛行器的熱防護(hù)問題仍不能完全解決。

此外，是否有符合合理氣動(dòng)布局的一體化設(shè)計(jì)，也是高超聲速飛行器需要考慮的問題。如今，飛行器機(jī)體或其推進(jìn)器的一體化設(shè)計(jì)技術(shù)，已成為制約其總體性能提升的關(guān)鍵技術(shù)之一。實(shí)際飛行試驗(yàn)也充分表明，現(xiàn)有的高超聲速一體化設(shè)計(jì)理念，并不能滿足工程應(yīng)用需求，仍需要有新的概念性的突破。

然而，解決這些高超聲速飛行的氣動(dòng)布局、超聲速燃燒、高溫氣動(dòng)熱等復(fù)雜問題，最好的辦法是首先在地面試驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行研究和分析，這種地面設(shè)備就是科學(xué)家口中的高超聲速激波風(fēng)洞。但是，如何突破傳統(tǒng)氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)原則，在地面上研制出能再現(xiàn)高空高超聲速飛行條件的全尺度模型試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試技術(shù)，仍然是多年來久攻未破的世界難題。

經(jīng)過多年艱苦不懈的努力，我國(guó)的科研人員在高超聲速飛行領(lǐng)域已經(jīng)取得了卓越的成就，尤其在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研制、地面試驗(yàn)驗(yàn)證和飛行試驗(yàn)技術(shù)等方面做出了一些開拓性的研究。

2011年，我國(guó)成功進(jìn)行了跨大氣層空天飛行器——神龍的試飛，這標(biāo)志著我國(guó)已完成了發(fā)射空天飛行器的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制工作。在2014年和2015年，我國(guó)還多次完成了高超聲速火箭助推-滑翔彈頭載體飛行試驗(yàn)和測(cè)試，其飛行速度能達(dá)到10倍聲速。所有這些成就，均引起世界各國(guó)的矚目。

利用獨(dú)創(chuàng)的反向爆轟驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新技術(shù)，中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所的科研人員在地面上成功研制出國(guó)際首座總長(zhǎng)度達(dá)265米、實(shí)驗(yàn)段直徑達(dá)3.5米的超大型高超聲速激波風(fēng)洞（JF-12），它可以再現(xiàn)25～50千米高空、飛行馬赫數(shù)5～9的高超聲速飛行條件，為我國(guó)高超聲速飛行進(jìn)行地面模擬試驗(yàn)創(chuàng)造了有利條件。這一成果在2016年2月獲得美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)地面試驗(yàn)設(shè)備大獎(jiǎng)，這成為設(shè)立該獎(jiǎng)40年以來，在高超聲速風(fēng)洞技術(shù)方面，全球獲此大獎(jiǎng)的僅有三名獲獎(jiǎng)?wù)咧唬彩俏覈?guó)首次獲此殊榮。