“钱学森原理”，助推高超音速飞行器

纪中展

不久前，“我国JF—22超高速风洞预计2022年建成”登上微博热搜。这意味着，中国具备了更高的实力来发展高超音速飞行器。于是，西方媒体又跳出来渲染“中国威胁论”了。其实，美国、俄罗斯都有可用来测试高超音速飞行器的风洞。美国的风洞能满足30马赫状态的测试，俄罗斯的风洞能满足20马赫状态的测试。

这里需要先科普两个概念：风洞和马赫。

风洞指长条形盘绕着的粗大管道，可以控制管道内的流速、密度、温度。风洞常被用于空气动力学的研究和试验。科研人员将模型或实物在风洞中反复吹风，观察、测量不同气流对其产生作用，从而为其结构设计、性能改进等提供依据。JF—22型超高速风洞的上一代是JF—12风洞——长265米，居世界风洞长度之首，被国际同行称为“高超巨龙”，是国际首座可复现飞行条件的超大型超高速风洞。

马赫即马赫数，是物理学单位，一般用于衡量飞行器的飞行速度。1马赫代表1倍音速，马赫数小于1为亚音速，大于5就是高超音速了。目前民用飞机速度一般在0.8—0.9马赫，对应速度大概是每小时800—900千米，最先进的军用飞机速度能达到3马赫。国产JF—22风洞的测试速度应该不低于35马赫。

那么，什么是高超音速飞行器？

高超音速飞行器又被称作“近空间高超音速飞行器”，可以理解为是“飞行速度超过5马赫的飞机、导弹、炮弹等有翼或无翼飞行器”的总称。近空间是指飞行高度距离地面20—100千米的大气层空间，位于低轨卫星轨道的下方、飞机飞行高度的上方，包括大气平流层、中间层和部分热层。

高超音速飞行器的飞行速度如果是5马赫，换算下来是每小时飞行距离超过6000千米，是民用飞机的6倍、现役超音速军用飞机最大速度的两倍。而且，高超音速飞行器的飞行高度一般在20—40千米（现在民用客机约10千米）。若高超音速飞行器应用于民用和货运，飞行时间会大大缩减，从北京到地球任何地方可能只需1小时，真正实现“首都一小时达”！

知名科学家钱学森是高超音速概念和技术最早的倡导者和推动者之一。1945年，钱学森发表论文《论高超声速相似律》，提出高超音速的飞行速度大于5马赫这一标准。高超音速飞行器大致分为两类。一类是依靠自身高性能动力，推进系统实现大气层内数倍音速。超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机是这类高超音速飞行器的关键技术和仪器。另一类是助推滑翔高超音速飞行器。这又要提到钱学森了。

1948年，钱学森在美国火箭年会上提出了“火箭助推—再入大气层滑翔机动飞行”的概念，就是通过火箭助推器，将飞行器推出大气层，在重力作用和地球引力的联合作用下，飞行器将从太空重返近空间，然后依靠大气层内的“气动升力”进一步飞行——气动升力是评价空气动力学性能的指标之一，影响飞行器的稳定性和动力性。飞行器飞行时，采用无动力的滑翔模式，减缓降落速度，控制降落方向。目前，美国、俄罗斯的高超音速飞行器也运用钱学森提出的原理。

可以說，在人类航空史上，高超音速飞行器是继飞机之后的又一个里程碑式的突破。