高超声速飞行技术：挑战速度极限

张德良

自古以来，人类始终有一个梦想：可以像鸟一样在天空翱翔，甚至是飞向星际太空……经过无数人的不懈努力，人类翱翔太空之梦终于在1969年实现，历史将永远铭记美国航天员阿姆斯特朗登上月球迈出的那一步。随着发射卫星、登上月球到深入太阳系等一系列探测活动的开展，人类正一步步地朝着更快、更高和更远的飞行目标前进！

自1903年美国的莱特兄弟发明飞机以来，人们已经从最初的试飞，经过亚声速飞行，进入超声速飞行的时代。

的确，人们对于速度的追求一直没有停止！从20世纪90年代起，人们提出更高的愿望：“在一小时内飞到地球任何角落。”为此，各国科技工作者全力以赴地研究高超声速飞行技术。

说起高超声速飞行，一定要提我国著名的科学家钱学森，高超声速（Hypersonic）的术语，是钱学森在20世纪40年代的首创。不仅如此，他还提出了高超声速滑翔飞行弹道，即“钱学森弹道”。那么，什么是高超声速飞行呢？高超声速飞行要求飞行器的飞行速度超过声速5倍，即飞行速度大于6000千米/时。因此，一旦人们掌握了高超声速飞行技术，就可以在两小时内从北京飞到纽约，或到达地球的其他角落。

目前，世界各国正在对高超声速飞行的关键技术开展研究，并已取得了一定的进展，其中以美国、中国和俄罗斯等国家为主。经过这些年的研究，高超声速飞行器已有了雏形——高超声速巡航导弹（例如X51）、高超声速空天飞机（例如X37B）和高超声速火箭助推-滑翔飞行器（例如HTV2）等相继出现。

要实现高超声速飞行，决不是件容易的事，有许多难题需要我们解决。目前，高超声速飞行技术依然处在尝试阶段，还有许多技术难点。

首先，需要一种适合高超声速飞行的发动机。当飞行速度大于5倍声速时，传统的涡轮喷气、涡轮风扇等发动机已经不能满足这种飞行条件，因此，一种全新的发动机被提了出来，它就是超燃冲压发动机。这种发动机理论上不需要涡轮和压气机，而由进气道、隔离段、燃烧室与尾喷管组成，整体结构相对简单。它的原理是运用被一系列激波压缩过的氧气，在毫秒量级的短时间内点燃燃料，从而产生巨大的推力。然而，超燃冲压发动机的研制进展甚微，至今仍处于探索阶段。

其次，在进行高超声速飞行时，由于激波和黏性的作用，会使飞行器的机体周围温度急剧升高，可达到几千摄氏度，形成严酷的气动加热环境，这就是我们常说的“热障问题”。一般飞行器的结构根本无法承受如此高温，因此，需要对飞行器进行专门的热防护设计。然而目前，高超声速飞行器的热防护问题仍不能完全解决。

此外，是否有符合合理气动布局的一体化设计，也是高超声速飞行器需要考虑的问题。如今，飞行器机体或其推进器的一体化设计技术，已成为制约其总体性能提升的关键技术之一。实际飞行试验也充分表明，现有的高超声速一体化设计理念，并不能满足工程应用需求，仍需要有新的概念性的突破。

然而，解决这些高超声速飞行的气动布局、超声速燃烧、高温气动热等复杂问题，最好的办法是首先在地面试验设备中进行研究和分析，这种地面设备就是科学家口中的高超声速激波风洞。但是，如何突破传统气动实验原则，在地面上研制出能再现高空高超声速飞行条件的全尺度模型试验设备和测试技术，仍然是多年来久攻未破的世界难题。

经过多年艰苦不懈的努力，我国的科研人员在高超声速飞行领域已经取得了卓越的成就，尤其在超燃冲压发动机研制、地面试验验证和飞行试验技术等方面做出了一些开拓性的研究。

2011年，我国成功进行了跨大气层空天飞行器——神龙的试飞，这标志着我国已完成了发射空天飞行器的火箭发动机研制工作。在2014年和2015年，我国还多次完成了高超声速火箭助推-滑翔弹头载体飞行试验和测试，其飞行速度能达到10倍声速。所有这些成就，均引起世界各国的瞩目。

利用独创的反向爆轰驱动创新技术，中国科学院力学研究所的科研人员在地面上成功研制出国际首座总长度达265米、实验段直径达3.5米的超大型高超声速激波风洞（JF-12），它可以再现25～50千米高空、飞行马赫数5～9的高超声速飞行条件，为我国高超声速飞行进行地面模拟试验创造了有利条件。这一成果在2016年2月获得美国航空航天学会地面试验设备大奖，这成为设立该奖40年以来，在高超声速风洞技术方面，全球获此大奖的仅有三名获奖者之一，也是我国首次获此殊荣。