中美高超音速飛行器 誰離星辰大海更近
5月24日，美國國防先進(jìn)研究規(guī)劃局（簡稱DARPA）與波音簽訂協(xié)議，研發(fā)XS-1高超音速飛機(jī)。XS 為Experimental Spaceplane 的縮寫，意為實驗性空天飛機(jī)，用于驗證低成本衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)。
隨著衛(wèi)星的軍民用價值迅速提高，更多的衛(wèi)星等待發(fā)射，失效的衛(wèi)星必須迅速補(bǔ)射。傳統(tǒng)發(fā)射方式的成本太高，準(zhǔn)備時間太長，已經(jīng)不適合需要了。XS-1要求把每次發(fā)射的費用降低到500萬美元以下，比現(xiàn)在的典型發(fā)射成本降低90%，并把再次發(fā)射的準(zhǔn)備時間縮短到幾小時，而不是現(xiàn)在的幾個月。
美國波音公司開始開發(fā)XS-1空天飛機(jī)，該機(jī)實際上是一種可返回式運載火箭
在上世紀(jì)60-70年代空間競賽時代，美國在空間技術(shù)方面連創(chuàng)輝煌，最后以“阿波羅”登月計劃為頂點。進(jìn)入80年代，美國空間技術(shù)再創(chuàng)輝煌，航天飛機(jī)的成就至今無人超過。但進(jìn)入21世紀(jì)后，只有伊隆·馬斯克的“獵鷹”和杰夫·比佐斯的“藍(lán)色源泉”等民間可重復(fù)使用火箭項目在折騰，美國政府主導(dǎo)的空間技術(shù)研發(fā)進(jìn)入了沉寂，甚至出現(xiàn)發(fā)射軍用衛(wèi)星必需的重型運載火箭依靠俄羅斯RD180發(fā)動機(jī)的尷尬。在高超音速方面，除了雷聲大、雨點小的X-47和X-51計劃外，也是靜悄悄的。XS-1計劃使得人們會心一笑，美國又回來了。
蘇聯(lián)時期計劃的“安加拉河”火箭助推器，其實和XS-1差不多是一樣的概念
但笑過之后，人們愕然發(fā)現(xiàn)，XS-1遠(yuǎn)不如想象，在概念和技術(shù)上只是逆轉(zhuǎn)的航天飛機(jī)。航天飛機(jī)的助推級是一次性使用的，載荷級可重復(fù)使用。XS-1反過來，助推級可重復(fù)使用，載荷級反而是一次性使用。這當(dāng)然是有道理的。航天飛機(jī)是載人的，載人的載荷級（也叫軌道艙）是最昂貴的部分，重復(fù)使用有利于降低成本。XS-1是不載人的，只用于發(fā)射衛(wèi)星，載荷級不必重復(fù)使用，但更大的助推級反而是發(fā)射系統(tǒng)成本的主體，所以這才重復(fù)使用。實際上，這可以看作帶翼、具有滑翔著陸能力的“獵鷹”可回收火箭。
除了這一逆轉(zhuǎn)，XS-1在推進(jìn)技術(shù)和熱防護(hù)技術(shù)上沒有新意，基本上是現(xiàn)有技術(shù)的再包裝。XS-1采用Aerojet Rocketdyne 的AR22液氫液氧火箭發(fā)動機(jī)，這是從航天飛機(jī)主發(fā)動機(jī)改進(jìn)而來的。XS-1依然采用垂直發(fā)射，用單級火箭推進(jìn)到大氣層邊緣后，釋放載荷級，自身靠機(jī)動滑翔返回發(fā)射場。一次性使用的載荷級則在自身火箭動力下進(jìn)入近地軌道，任務(wù)完成后在返回中焚尸滅跡。由于助推級始終在亞軌道高度飛行，沒有再入問題，所以也沒有多少熱防護(hù)問題。取消熱防護(hù)要求大大降低了系統(tǒng)重量和成本。
波音計劃在2019年進(jìn)行發(fā)動機(jī)地面測試，展示10天內(nèi)接連發(fā)射10次的能力，2020年進(jìn)行飛行試驗，可能進(jìn)行12-15次發(fā)射。載荷從無載荷開始，然后從400公斤逐步增加到1360公斤。飛行試驗從5倍音速（也可表達(dá)為M5）開始，逐步提高到10倍音速，這是高超音速了。
天下武功，唯快不破。高超音速飛行器不僅速度快，還有強(qiáng)大的機(jī)動能力。彈道導(dǎo)彈也很快，但只有有限的機(jī)動能力。正因為如此，彈道導(dǎo)彈一發(fā)射，就可以推算出彈道全程的大概，反導(dǎo)彈就可以按照提前量發(fā)射了。這好比鬼子一出炮樓，就可以根據(jù)走哪條路，判斷掃蕩目標(biāo)、行進(jìn)速度和路徑，就可以趕緊埋地雷了。
反導(dǎo)彈的機(jī)動性只需要補(bǔ)償彈道計算誤差或者目標(biāo)的有限機(jī)動能力。
高超音速飛行器的機(jī)動能力大大超過彈道導(dǎo)彈，在最終轉(zhuǎn)入攻擊之前無法判斷導(dǎo)彈的攻擊目標(biāo)和彈道，最終只有靠現(xiàn)在還不存在的高超音速反導(dǎo)彈或者激光、粒子束武器來攔截，常規(guī)攔截手段很難奏效。如果還是用鬼子掃蕩作比方，鬼子上路后，有意識地不斷改變路徑，迷惑游擊隊，甚至可能繞一圈從背后偷襲，這地雷就不好埋了，只有從村里加強(qiáng)對四面的觀察，根據(jù)鬼子的最后動向，兵來將擋、水來土掩了。換句話說，這仗要難打得多。
現(xiàn)有反導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計前提都是彈道導(dǎo)彈的軌道可以預(yù)測
在氣動上，由于高超音速飛行的表面生熱巨大，飛行體表面的邊界層不再僅僅是流體力學(xué)問題，也是熱力學(xué)問題。比如說，邊界層會受熱膨脹，雷諾數(shù)不再能有效地描述邊界層和流動現(xiàn)象。空氣動力學(xué)與熱力學(xué)擰到一起，成為空氣熱動力學(xué)。另外，高超音速主要工作在空氣特別稀薄的高層大氣，與低層的稠密大氣相比，空氣分子之間的距離顯著增加，空氣的連續(xù)性假設(shè)不再可靠，需要當(dāng)作粒子來處理，使得很多傳統(tǒng)理論與方法要重新考慮。
中國在高超音速方面卓有成就，傳說中的DF-ZF（也稱WU-14）高超音速飛行體已經(jīng)試驗了7次，全部成功。這是助推- 滑翔體，還不是動力飛行體。中國對助推- 滑翔體已經(jīng)玩得很純熟了，A300火箭彈采用拉起彈道，射程增加到300公里以上（在出口市場上限制到280公里，以遵守導(dǎo)彈技術(shù)公約要求），這也是助推- 滑翔技術(shù)的應(yīng)用。但助推- 滑翔更適合一次性使用，或者XS-1這樣的“偽可重復(fù)使用”，真正可重復(fù)使用的高超音速飛行體應(yīng)該像普通飛機(jī)一樣水平滑跑起飛和降落，并在極高空達(dá)到高超音速。這對動力提出了全新的要求。
CCTV7頻道節(jié)目中曾驚鴻一現(xiàn)的東-5導(dǎo)彈新型戰(zhàn)斗部，被認(rèn)為很可能就是WU-14飛行器的某種發(fā)展型
面對連續(xù)7次成功試驗的WU-14，美國也加速了AHW高超聲速導(dǎo)彈的試驗
結(jié)果……
傳統(tǒng)的渦輪類（包括渦噴和渦扇）噴氣發(fā)動機(jī)在M3左右達(dá)到速度極限，常規(guī)沖壓式噴氣發(fā)動機(jī)在M5左右也達(dá)到速度極限了。這是因為渦輪類和沖壓都是基于亞音速燃燒，進(jìn)氣必須減速到亞音速，然后再通過收斂- 擴(kuò)散噴管達(dá)到超音速。這樣的減速- 加速過程造成本質(zhì)阻力，到一定的時候，阻力增加比推力增加更快，速度就達(dá)到極限了。火箭發(fā)動機(jī)當(dāng)然是可以達(dá)到高超音速飛行的，但需要自帶氧化劑，重量較大，危險性也較大，發(fā)生泄漏就可能造成爆炸。吸氣（包括渦輪類和沖壓）發(fā)動機(jī)從空氣中吸取氧氣，效率要高得多，也較安全。
但沖壓發(fā)動機(jī)要用于高超音速，必須基于超音速燃燒。這個超燃可是不容易。
空氣中的壓力波以音速傳遞。常規(guī)燃燒的火焰擴(kuò)散在亞音速進(jìn)行，所以熱空氣的膨脹擴(kuò)散快于火焰擴(kuò)散。超音速燃燒的火焰擴(kuò)散速度超過空氣膨脹速度，空氣急劇升溫增壓但來不及膨脹，積聚的巨大能量最終釋放出來的時候，強(qiáng)大的壓力形成破壞性的激波，這就是爆炸。激波的理論密度為無窮大，激波掃過來就像鋼板打臉一樣，而且是超音速的速度，這就是爆炸威力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于燃燒的道理。超燃沖壓可算是可控的連續(xù)爆炸，其燃燒控制的難度可想而知，就算達(dá)到穩(wěn)定燃燒了也只有很窄的工作范圍。
多少年來，超燃沖壓就像海市蜃樓，似乎觸手可及，但又總是飄然而去。僅有的成功試驗早先只有秒級的工作時間，現(xiàn)在延長到分鐘級，還都是在屢敗屢戰(zhàn)之后。但2015年國防科大王振國教授獲得馮如航空科技精英獎，他是超燃沖壓專家，頒獎儀式上卻對他的成果只字不提，倒是符合中國對于軍工科研守口如瓶的傳統(tǒng)。
一次對公眾極為低調(diào)，但在行業(yè)內(nèi)不啻于雷霆萬鈞的大會
但于3月6日由美國航空航天學(xué)會（簡稱AIAA）、中國工程院主辦、廈門大學(xué)承辦召開的21屆國際航天飛機(jī)和高超聲速系統(tǒng)與技術(shù)大會上，中國大大方方地揭示了大量成功的試驗和實物圖片，并透露了中國已經(jīng)成功地進(jìn)行了超燃沖壓的飛行試驗。更加驚人的是，中國研制的渦輪- 火箭- 沖壓組合循環(huán)發(fā)動機(jī)（簡稱TRRE）將在2017年底前開始飛行試驗，如果成功，這是世界第一。其他國家（包括美國）慢說組合循環(huán)，連具有實用意義的可持續(xù)超燃沖壓都沒有做到。中國盡管沒有透露超燃沖壓可持續(xù)工作的時間，但要是達(dá)不到至少亞小時級，研發(fā)組合循環(huán)發(fā)動機(jī)是沒有意義的。這一階段的試驗將持續(xù)到2020年，在2025-30年進(jìn)行水平滑跑起飛- 著陸的飛行試驗，如果成功，更是里程碑級的成就。
中國的TRRE 采用上下并列的基本布置，共用可調(diào)進(jìn)氣口，然后進(jìn)氣道分叉，上半通向渦輪發(fā)動機(jī)，下半通向火箭- 沖壓發(fā)動機(jī)，兩者的噴口在擴(kuò)散段再度匯合。這種上下并排的布置巧妙地利用了渦輪發(fā)動機(jī)需要彎曲、擴(kuò)張的進(jìn)氣道和超燃沖壓需要短直進(jìn)氣道的問題，尾后合并的噴口也巧妙地利用了渦輪發(fā)動機(jī)需要收斂- 擴(kuò)張噴口和超燃沖壓只需要擴(kuò)張噴口的特點。可調(diào)的進(jìn)氣口控制激波系的形狀和位置，確保進(jìn)氣道工作條件與發(fā)動機(jī)工作模式最優(yōu)匹配。
上涵道里的渦輪發(fā)動機(jī)在靜止到M2之間工作，下涵道里的火箭沖壓在需要加速時啟動，這時可以等效為加力燃燒室?；鸺龥_壓也稱吸氣火箭、引射沖壓，用貧氧富油的高溫火箭燃?xì)鈱_壓進(jìn)氣引射增壓，并與進(jìn)氣混合燃燒，大大提高沖壓的效率、推力和工作速度。在M2時，上涵道關(guān)閉，下涵道進(jìn)入亞燃沖壓模式，然后在M3-6之間轉(zhuǎn)入火箭沖壓模式。在M6時轉(zhuǎn)入超燃沖壓和火箭沖壓組合模式。發(fā)動機(jī)以性質(zhì)穩(wěn)定、價格低廉的航空煤油為燃料。
在這次會議上，中國突然公布了一系列新的技術(shù)成果
目前還在幻想中的SR-72高超聲速飛機(jī)的動力系統(tǒng)，已經(jīng)比中國在2017年將開始測試的TRRE發(fā)動機(jī)落后一代了
中國在過去兩年里進(jìn)行了大量試驗，驗證了加速、巡航、機(jī)動等各方面性能，驗證了上下涵道的協(xié)調(diào)工作和可靠平順的模式轉(zhuǎn)換，有效地解決了低速時的大推力要求和M6時的高比沖要求之間的矛盾。試驗證明了下涵道里的液體火箭和雙模沖壓在M1.5-7之間協(xié)調(diào)工作的可行性。2016年，進(jìn)氣道和噴管試驗完成，M1.8條件下的臺架試驗也完成。M2-6的穩(wěn)態(tài)臺架試驗已經(jīng)開始。試驗驗證了TRRE 的進(jìn)氣道、噴管和燃燒室設(shè)計和模式轉(zhuǎn)換。試驗數(shù)據(jù)表明，可在1平方米捕獲面積下達(dá)到8噸推力，達(dá)到設(shè)計要求。應(yīng)該注意的是，8噸推力看起來不多，但超燃沖壓最大的挑戰(zhàn)是降低阻力，其次才是提高推力，8噸不少了。
組合循環(huán)發(fā)動機(jī)不同于變循環(huán)發(fā)動機(jī)，前者是渦輪類噴氣發(fā)動機(jī)、亞燃與超燃沖壓發(fā)動機(jī)和火箭發(fā)動機(jī)的組合，后者為渦噴與渦扇之間的無縫切換。前者用于高超音速與空天飛行，后者用于常規(guī)的大氣層內(nèi)飛行，比如M2一級的超巡戰(zhàn)斗機(jī)或者超音速客機(jī)。美國空軍為第六代（在中國稱為第五代）戰(zhàn)斗機(jī)研發(fā)的AETD 發(fā)動機(jī)就是變循環(huán)發(fā)動機(jī)。
廈門會議還揭示了其他來自中國的大量重大成果，尤其是大量成果都有實物試驗驗證，這意味著技術(shù)水平接近或者已經(jīng)達(dá)到實用程度，而不是純理論或者純數(shù)字仿真的空談。比如說，國防科大已經(jīng)成功測試了660毫米直徑的連續(xù)在這次會議上，中國突然公布了一系列新的技術(shù)成果旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機(jī)，這是脈沖爆轟發(fā)動機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，同樣利用超燃時壓力波“自我閉鎖”的機(jī)理，使得燃燒的溫度和壓力極大升高，而且產(chǎn)生連續(xù)推力，可能突破渦噴、渦扇的速度和熱效率局限，成為下一代噴氣發(fā)動機(jī)的基本技術(shù)。北航展示了緊湊型高效換熱器技術(shù)，可以將進(jìn)氣溫度迅速降低，不僅提高進(jìn)氣密度和進(jìn)氣道效率，還對熱端部件的起冷卻作用，可用于減輕防熱設(shè)計帶來的重量，或者進(jìn)一步提高熱工參數(shù)，試驗已經(jīng)取得“令人滿意”的成功。
在材料方面，中國新研制的輕質(zhì)熱防護(hù)材料采用仿生的陶瓷表面結(jié)構(gòu)，耐熱能力提高近萬倍。其他新型熱防護(hù)技術(shù)包括泡沫碳、陶瓷覆層和夾層隔熱、波紋夾層與隔熱復(fù)合結(jié)構(gòu)等。中國科研人員還研究出三維碳纖維編織技術(shù)，形成三維網(wǎng)格復(fù)材結(jié)構(gòu)，避免了傳統(tǒng)二維復(fù)材的界面分離問題。應(yīng)該指出，這些技術(shù)在航空上也有巨大價值，三維編織碳纖維風(fēng)扇葉片就是C919的LEAP 發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
在理論方面，中國在高超音速非穩(wěn)態(tài)流動理論、復(fù)雜流動機(jī)制和數(shù)值仿真等方面取得突破，對物理耦合現(xiàn)象取得深入理解，發(fā)現(xiàn)了新的流動現(xiàn)象，建立了高升阻比高超音速飛行器的最優(yōu)設(shè)計方法，建立了同時達(dá)到降低熱通量和降低阻力的新方法。中國還摸清了碳?xì)淙剂系南ɑ饦O限，這是使用碳?xì)淙剂系某紱_壓工作范圍的理論極限，對設(shè)計至關(guān)重要。中國在高超音速進(jìn)氣道設(shè)計中采用彎曲表面的壓縮面。一般來說，人們對高超音速飛行中的空氣熱動力學(xué)的理解還很粗淺，所以已經(jīng)飛行的高超音速飛行器大多是直線、平面結(jié)構(gòu)，把復(fù)雜的三維問題簡化成二維。彎曲表面的壓縮面代表了更高層次的技術(shù)和自信。
目前大多數(shù)高超聲速飛行器的設(shè)計都是“直線”外形
中國還在大量興建高超音速風(fēng)洞。理論前沿只有得到實驗驗證，才能成為可靠的指導(dǎo)工具，對于已經(jīng)突破傳統(tǒng)理論應(yīng)用范圍的高超音速研究來說，更是如此。中國的高超音速風(fēng)洞有科學(xué)院力學(xué)所的當(dāng)前世界最大的JF12風(fēng)洞、航空航天院即將完工但比JF12更大的FD21風(fēng)洞、國防科大的M6低噪聲風(fēng)洞，當(dāng)然少不了綿陽的可以模擬長達(dá)600毫秒的M4-7高超音速試驗裝置，JF12只能模擬100毫秒。這些風(fēng)洞是蓬勃興起的中國高超音速研究的底氣。
回到XS-1，其液氫液氧火箭是“阿波羅”計劃的“土星V”就采用的技術(shù)，而沒有采用更先進(jìn)的超燃沖壓或者任何形式的吸氣發(fā)動機(jī)。XS-1依然采用低效的垂直發(fā)射，完全依靠蠻力把載荷托入空中。航天飛機(jī)軌道艙（包括載荷艙、駕駛艙和燃料、發(fā)動機(jī)）的重量為110噸，最大載荷25噸，但整個航天飛機(jī)的最大起飛重量竟達(dá)2000噸，其他的都是發(fā)射后就拋棄的助推器、外部燃料箱。兩臺助推火箭的推力各12500kN，加軌道艙三臺主發(fā)動機(jī)共產(chǎn)生5525kN，起飛需要超過30000kN 的推力！相比之下，飛機(jī)依靠機(jī)翼在滑跑中產(chǎn)生氣動升力，可用低得多的能量升空。最大起飛重量為254噸的波音787-9只需要兩臺320kN 級的渦扇發(fā)動機(jī)就可以起飛，這還是考慮到一臺發(fā)動機(jī)在起飛中故障情況下的單發(fā)強(qiáng)行繼續(xù)起飛所需的推力。波音787只有載客量數(shù)據(jù)，沒有載重量數(shù)據(jù)，但最大起飛重量相似的C-17可載重78噸。垂直起飛的航天飛機(jī)與滑跑起飛的常規(guī)飛機(jī)的效率和經(jīng)濟(jì)性差別不言而喻。
在氣動上，XS-1在尺寸上相當(dāng)于公務(wù)飛機(jī)，在氣動布局上與航天飛機(jī)很相似，但機(jī)翼具有大型翼梢小翼，作為替代垂尾，正常垂尾的位置要用于搭載載荷級。XS-1的氣動控制能力估計也比航天飛機(jī)有所提高，改善了機(jī)動性，降低了對著陸場的跑道要求。但機(jī)翼升力可能不足以實現(xiàn)在滑跑中起飛，這使得XS-1的返回依然只能在指定著陸場進(jìn)行，否則在偏遠(yuǎn)的備降場著陸的話，無法靠自身動力返回發(fā)射。故且圖軳ASA 的專用波音747駝在背上，這就費事了。中國的采用TRRE 的空天飛機(jī)將能從普通機(jī)場起飛和著陸，技術(shù)水平差距不可同日而語。
相比之下，某些完全沒摸到高超聲速門檻的國家設(shè)計出來的方案，一看就是……拿這種東西出來顯擺，中國是不會干的
在廈門會議上，中國方面一口氣發(fā)表了所有347篇論文中的272篇。如果這只是主場現(xiàn)象的話，2016年在亞特蘭大舉行的第20屆會議只有89篇論文。中國軍工向來有很深的保密傳統(tǒng)，官方對很多已經(jīng)在光天化日之下的“天下保守得最差的秘密”還拒不承認(rèn)，慢說深藏水下、不為人們所知的真正秘密了?？紤]到高超音速的軍用潛力，廈門會議上中國的大動作不同尋常。美國《航空周刊》稱這是中國對整個西方的叫板（a shot fired across the bow ofthe West）。
廈門會議還完整透露了中國的高超音速研究計劃。國家自然科學(xué)基金會出資1.5億人民幣，在2007-16年之間組織了9年研究計劃，涵蓋全國的科研院所和高校，涉及高超音速的所有主要方面。計劃分三階段，前四年打基礎(chǔ)，中間兩年擇優(yōu)深入，最后三年成果集成，尤其是要有實物。整個計劃有三個目標(biāo)：1、健全研究體系，完善設(shè)計方法；2、取得關(guān)鍵技術(shù)突破；3、打造人才隊伍。在廈門，不僅國家隊的綿陽的國家空氣動力研究與發(fā)展中心、北京的科學(xué)院力學(xué)研究所積極很活躍，航天科工集團(tuán)第三研究院、三十一研究所、中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所、中航商飛、燃?xì)鉁u輪研究院、運載火箭技術(shù)研究院、國防科大、西工大、南航、北航、廈大等都有積極參加。《航空周刊》稱之為協(xié)調(diào)有效、舉國發(fā)力的高超音速科研計劃，不僅具有驚人的深度、廣度，而且在相對較短的時間里就取得了多到令人暈眩的重大成就（acohesive, nationwide hypersonic researchand technology program that not onlyshows astonishing depth and breadth, buthas also produced a bewildering numberof major accomplishments in a relativelyshort period）。一本正經(jīng)的權(quán)威專業(yè)雜志這樣堆砌驚嘆詞是很少有的事情。
中國在高超音速領(lǐng)域敲響了戰(zhàn)鼓，但選的地方很小眾、很專業(yè)，該聽到的人想不聽到都不行，不需要聽到的人依然在懵懂之中。中國不想成為威脅，但老虎和眉善目的，可不能當(dāng)病貓了。
這些年來，中國在科學(xué)研究與工業(yè)技術(shù)各方面取得了巨大的成就，但中國依然是發(fā)展中國家。在眾多傳統(tǒng)領(lǐng)域，中國還有很多方面落后于世界先進(jìn)水平，例子不勝枚舉，畢竟發(fā)達(dá)國家的發(fā)達(dá)不是在睡懶覺中從天上掉下來的，別人也在努力，別人的起點還更高，中國只有靜下心、扎實努力。但傳統(tǒng)領(lǐng)域畢竟是傳統(tǒng)領(lǐng)域，發(fā)展還在繼續(xù)，速度總是在慢下來的，假以時日，不懈追趕的中國是可以追得上世界前沿的。從電冰箱、彩電還需要全國一盤棋攻關(guān)到殲-20、C919和天宮、神舟，中國就是這樣一步一步過來的。但在顛覆性的新領(lǐng)域，大家的起點都是一樣的，中國有信心、有能力，也正在發(fā)力，直沖世界前沿，高超音速正是這樣一個領(lǐng)域。更快，更高，更遠(yuǎn)，我們的目標(biāo)是星辰大海。中國加油！
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