高超聲速飛行技術(shù)：挑戰(zhàn)速度極限

張德良

自古以來，人類始終有一個夢想：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，人類翱翔太空之夢終于在1969年實現(xiàn)，歷史將永遠(yuǎn)銘記美國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活動的開展，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！

自1903年美國的萊特兄弟發(fā)明飛機以來，人們已經(jīng)從最初的試飛，經(jīng)過亞聲速飛行，進入超聲速飛行的時代。

的確，人們對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：“在一小時內(nèi)飛到地球任何角落?！睘榇?，各國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。因此，一旦人們掌握了高超聲速飛行技術(shù)，就可以在兩小時內(nèi)從北京飛到紐約，或到達地球的其他角落。

目前，世界各國正在對高超聲速飛行的關(guān)鍵技術(shù)開展研究，并已取得了一定的進展，其中以美國、中國和俄羅斯等國家為主。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（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。

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

其次，在進行高超聲速飛行時，由于激波和黏性的作用，會使飛行器的機體周圍溫度急劇升高，可達到幾千攝氏度，形成嚴(yán)酷的氣動加熱環(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，需要對飛行器進行專門的熱防護設(shè)計。然而目前，高超聲速飛行器的熱防護問題仍不能完全解決。

此外，是否有符合合理氣動布局的一體化設(shè)計，也是高超聲速飛行器需要考慮的問題。如今，飛行器機體或其推進器的一體化設(shè)計技術(shù)，已成為制約其總體性能提升的關(guān)鍵技術(shù)之一。實際飛行試驗也充分表明，現(xiàn)有的高超聲速一體化設(shè)計理念，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布局、超聲速燃燒、高溫氣動熱等復(fù)雜問題，最好的辦法是首先在地面試驗設(shè)備中進行研究和分析，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)氣動實驗原則，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設(shè)備和測試技術(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)動機研制、地面試驗驗證和飛行試驗技術(shù)等方面做出了一些開拓性的研究。

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

利用獨創(chuàng)的反向爆轟驅(qū)動創(chuàng)新技術(shù)，中國科學(xué)院力學(xué)研究所的科研人員在地面上成功研制出國際首座總長度達265米、實驗段直徑達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，為我國高超聲速飛行進行地面模擬試驗創(chuàng)造了有利條件。這一成果在2016年2月獲得美國航空航天學(xué)會地面試驗設(shè)備大獎，這成為設(shè)立該獎40年以來，在高超聲速風(fēng)洞技術(shù)方面，全球獲此大獎的僅有三名獲獎?wù)咧?，也是我國首次獲此殊榮。