魯曉冬

Hypersonic（中文譯作“高超聲速”）一詞，由中國火箭之父錢學(xué)森先生于1945年在他的一篇論文中首創(chuàng)，指的是在大氣層內(nèi)大于5馬赫的飛行。而本文談到的高超聲速飛行器，則專指在大氣層內(nèi)由亞聲速加速到高超聲速的持續(xù)飛行，其飛行軌跡是氣動式而不是彈道式的，全過程完全可操控。這和傳統(tǒng)的航天飛機(jī)、宇宙飛船或者彈道導(dǎo)彈有明顯區(qū)別。

美國，X檔案的標(biāo)本意義

美國研制高超聲速武器的過程可以直接從X系列飛機(jī)找到直接的脈絡(luò)。

X-15研究機(jī) 美國空軍和美國國家航空航天局（NASA）共同開發(fā)的X-15研究機(jī)，是一種由載機(jī)攜帶到高空發(fā)射的火箭飛機(jī)，不僅是人類研制的第一種真正意義上的高超聲速飛行器，而且也是第一架達(dá)到了亞軌道的載人飛機(jī)。該機(jī)機(jī)頭較尖，座艙內(nèi)僅能容納一名飛行員。不過X-15并沒有成為后世高超聲速飛行器的設(shè)計范本，原因有二。

第一，單純依靠低效率的火箭發(fā)動機(jī)，無法為高超聲速飛行器提供可持續(xù)的動力來源。人們常用“比沖”來衡量火箭發(fā)動機(jī)的效率，通俗講就是用一千克的推進(jìn)劑來產(chǎn)生一千克力的推力，能持續(xù)多長時間。這個時間越長，比沖就越大，發(fā)動機(jī)的效率就越高。比沖的單位是秒。一般固體火箭發(fā)動機(jī)的比沖只有250秒，液體火箭發(fā)動機(jī)450秒。比較之下，我們會發(fā)現(xiàn)渦扇航空發(fā)動機(jī)的比沖為3 000秒?；鸺l(fā)動機(jī)雖然能夠讓飛行器達(dá)到高速，但其自身消耗掉的氧化劑和推進(jìn)劑占到了起飛重量的絕大部分，真正有用的載荷少之有少。

第二，X-15仍然采用的常規(guī)氣動布局，高超聲速飛行產(chǎn)生的氣動阻力很大。所以后來的高超聲速飛行器大多采用非常規(guī)的升力體布局，而且為了壓縮進(jìn)入超燃沖壓發(fā)動機(jī)的氣流，一般采用扁平而尖銳的機(jī)頭造型。

跳滑夢想，X-20 1949年，錢學(xué)森在美國提出了研制一種能以12馬赫飛行的空天飛機(jī)的概念，并提出了獨特的“錢學(xué)森彈道”理論。這種空天飛機(jī)由火箭從地面垂直發(fā)射升空，在上升段與彈道導(dǎo)彈無異，待飛過彈道最高點后，空天飛機(jī)回落加速，進(jìn)入大氣層邊緣后在大氣層中做高超聲速滑翔，利用滑翔時的氣動力和慣性再次躍出大氣層，然后再次回落，周而復(fù)始，直到速度不足以躍升，轉(zhuǎn)為下降，最后像飛機(jī)一樣著陸。錢先生這些理論，對于美國后來實施航天飛機(jī)計劃以及 “獵鷹”計劃，產(chǎn)生著深遠(yuǎn)影響。

1957年，美國空軍推出了X-20空天飛機(jī)計劃。X-20計劃由美國的洲際彈道導(dǎo)彈發(fā)射，比錢學(xué)森的設(shè)想更進(jìn)一步的是，X-20自身擁有一臺火箭發(fā)動機(jī)，既可以在大氣層頂部跳躍滑翔，也可以由自身火箭發(fā)動機(jī)推動加速，進(jìn)入繞地軌道?？傮w而言，X-20相比X-15更像一架太空飛行器。全機(jī)升力體的布局和尖銳的機(jī)頭造型初步具備了高超聲速飛行器的雛形，但是該機(jī)仍然以低效率的火箭發(fā)動機(jī)為動力。該計劃到終止時并沒有研制出實機(jī)。

過于超前的一體化構(gòu)想，X-30 從功能上看，美國國家空天飛機(jī)計劃X-30將航空飛機(jī)和太空飛船的功能集于一身，是一體化的設(shè)計思路。X-30可以像普通飛機(jī)那樣從跑道上水平起飛，在大氣層內(nèi)邊上升邊加速，到達(dá)大氣層邊緣時加速到第一宇宙速度，成為一顆圍繞地球旋轉(zhuǎn)的航天器。完成太空任務(wù)后它能像飛船那樣從軌道上脫離，再入大氣層，并像飛機(jī)一樣在跑道上著陸。從結(jié)構(gòu)和外觀上看，X-30擁有高度簡潔的氣動外形，從起飛到降落飛行器始終保持完整，不像運(yùn)載火箭那樣走一路扔一路。它的動力系統(tǒng)將渦噴發(fā)動機(jī)、超燃沖壓發(fā)動機(jī)整合在一起。為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，X-30需要將許多相互矛盾的技術(shù)整合進(jìn)一個機(jī)體內(nèi)，這就帶來了一系列的問題。

問題之一：首先從氣動外形上看，在大氣層頂部加速到高超聲速的飛行器，機(jī)翼必須十分短小甚至取消機(jī)翼，而采用升力體或乘波體的外形，即依靠機(jī)身產(chǎn)生升力。但升力體外形在低速下的升阻比相當(dāng)差，飛機(jī)無法從現(xiàn)有的跑道上自主起飛。就像目前已有的各種升力體試驗機(jī)都是依靠其他飛機(jī)攜帶進(jìn)入高空發(fā)射的。

問題之二：X-30賴以達(dá)到高超聲速的超燃沖壓發(fā)動機(jī)無法在地面零狀態(tài)下自行啟動。超燃沖壓發(fā)動機(jī)的啟動速度不能低于4馬赫。所以，X-30從地面起飛時必須依靠傳統(tǒng)的渦噴發(fā)動機(jī)。而渦噴發(fā)動機(jī)可靠工作的最大馬赫數(shù)僅達(dá)到3。在3馬赫到4馬赫之間，存在一個推力鴻溝。如何跨越這道鴻溝，實現(xiàn)從渦噴發(fā)動機(jī)到超燃沖壓發(fā)動機(jī)的順利交接，是一個難題。

問題之三：一體化設(shè)計需要高強(qiáng)度、耐高溫同時輕質(zhì)量的新型材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計。從航天技術(shù)的角度看，X-30顯然屬于單級入軌的飛行器，起飛期間不丟棄任何助推器。根據(jù)“航天之父”齊奧爾科夫斯基的研究，一枚火箭要達(dá)到7.9千米/秒的第一宇宙速度，其質(zhì)量比必須達(dá)到23.5，即它發(fā)射質(zhì)量是入軌質(zhì)量的23.5倍。這個比例超過了雞蛋總質(zhì)量和蛋殼總質(zhì)量之比。可以想見，如此質(zhì)量比的單級火箭，其結(jié)構(gòu)將比雞蛋還要脆弱。為此，齊奧爾科夫斯基設(shè)計了多級火箭，各級火箭結(jié)構(gòu)可以設(shè)計得比較結(jié)實，通過拋棄空推進(jìn)劑箱的方式來提升質(zhì)量比。X-30在大氣層內(nèi)的飛行方式是氣動式而非彈道式的，這使得它不必具有火箭那樣高的質(zhì)量比。但總體而言，它必然擁有一個“薄殼”的結(jié)構(gòu)，而且機(jī)體材料必須非常輕。而這種輕薄的結(jié)構(gòu)，卻要經(jīng)受稠密大氣層中長時間高超聲速飛行產(chǎn)生的氣動熱，還有返回階段的強(qiáng)大過載。為了完成從地面靜止?fàn)顟B(tài)到近地球軌道的轉(zhuǎn)移，X-30機(jī)體內(nèi)的大量空間必然被液氫燃料箱所占據(jù)，而它的目標(biāo)卻是搭載數(shù)十名旅客在一小時內(nèi)從紐約飛往東京（但如果把機(jī)身縮小，把載荷換成無人的戰(zhàn)斗部，其前景則另當(dāng)別論）。

即便站在今天的科技角度來看，要建造全尺寸的X-30也是一項太過艱巨的任務(wù)。因此，在X-30項目下馬后美國空軍和NASA研制的高超聲速飛行器都不再研制全尺寸樣機(jī)，而是先從縮尺驗證機(jī)一步步搞起；在功能上也不再是貪大求全，而是集中力量突破某一關(guān)鍵技術(shù)。

超燃沖壓驗證機(jī)X-43A 由于各自需求不同，NASA和美國空軍分頭研制各自的高超聲速飛行器。NASA仍舊致力于開發(fā)可以將人或物送入軌道的空天飛機(jī)，由此產(chǎn)生了 X-43A，它看起來儼然就是一架微縮版的X-30；而美國空軍則把目標(biāo)定位于研制高超聲速導(dǎo)彈，實現(xiàn)其“一小時內(nèi)打擊全球任一目標(biāo)”的宏愿，由此產(chǎn)生了X-51A（詳見本刊2014年第3期《一小時如何打擊全球》有關(guān)內(nèi)容）。

X-43A是目前飛行速度最快的吸氣式飛機(jī)。該機(jī)在2004年3月27日的第二次試飛中自主飛行了11秒，飛出的馬赫數(shù)6.8被吉尼斯世界紀(jì)錄所承認(rèn)。

X-43A的主要功能是驗證超燃沖壓發(fā)動機(jī)的相關(guān)技術(shù)。沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)被認(rèn)為是未來高超聲速飛行器唯一可行的推進(jìn)技術(shù)。因為在馬赫數(shù)大于5的高超聲速飛行時，如果來流猛烈壓縮到亞聲速，進(jìn)入發(fā)動機(jī)的高溫氣體還未點火燃燒，其溫度就已經(jīng)超過了材料所能承受的極限。所以，為了保證發(fā)動機(jī)不被來流所燒毀。在5馬赫以上的高超聲速飛行時，發(fā)動機(jī)內(nèi)氣流的速度至多被減速到馬赫數(shù)3。由于氣流從吸入到噴出的全過程，都是以超聲速在發(fā)動機(jī)內(nèi)流動的，所以這種發(fā)動機(jī)被稱作超燃沖壓。

從X-43A驗證機(jī)人們可以發(fā)現(xiàn)未來超燃沖壓發(fā)動機(jī)的一些特點。首先，超燃沖壓發(fā)動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常簡單，從前向后看就是一個中空的盒子。為了避免增大內(nèi)部阻力，發(fā)動機(jī)內(nèi)沒有任何突出物。燃料是通過與空氣流道齊平的噴口進(jìn)入燃燒室的。燃燒室內(nèi)也沒有突出的火焰穩(wěn)定裝置，代之以一些凹腔用于產(chǎn)生旋渦來穩(wěn)定火焰。

其次，超燃沖壓發(fā)動機(jī)和汽車的發(fā)動機(jī)一樣，工作包括吸氣、壓縮、做功和排氣4個過程。只不過前者是依靠多波系激波來壓縮空氣。為了利用激波壓縮來流，進(jìn)氣道前必須有一個前體。就像SR-71戰(zhàn)略偵察機(jī)進(jìn)氣口前的圓錐或者殲8B戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)氣口前的斜板那樣。

第三，超燃沖壓發(fā)動機(jī)必須和機(jī)體進(jìn)行一體化設(shè)計和制造。NASA曾在上世紀(jì)60年代利用X-15驗證HRE超燃沖壓發(fā)動機(jī)，當(dāng)時發(fā)動機(jī)設(shè)計成圓桶狀，掛于X-15機(jī)身的下方，在進(jìn)氣口處利用激波錐壓縮來流。但試驗中氣動加熱燒毀了發(fā)動機(jī)與機(jī)身之間的連接部位，發(fā)動機(jī)從空中掉了下來。為了使前機(jī)身作為壓縮前體更有效地壓縮氣流，高超聲速飛行器的前機(jī)身要盡可能地扁平，而發(fā)動機(jī)為了能與扁平的機(jī)身融合也最好做成盒形的。

所以，我們就看到X-43A采用機(jī)身-發(fā)動機(jī)一體化的設(shè)計后的樣子，與其說是一架飛機(jī)，倒不如說是一臺裝了尾翼的發(fā)動機(jī)更為確切。

一體化夢想復(fù)活 美國另一項高超聲速武器研制計劃——“獵鷹”計劃，啟動自2003年。美國計劃由小型運(yùn)載火箭將一系列高超聲速飛行器——HTV——送入亞軌道。利用HTV驗證大氣層內(nèi)高超聲速飛行所面臨的氣動、熱防護(hù)、材料、推進(jìn)等相關(guān)技術(shù)。

相比無動力的滑翔測試機(jī)HTV-1、2，HTV-3X更上一層樓。該機(jī)融合了先前HTV-1、2、X-43A、X-51A等多種高超聲速的技術(shù)于一身。從外形上看，HTV-3X采用乘波體外形，兩臺渦噴-超燃沖壓組合發(fā)動機(jī)位于機(jī)身下表面，依靠前體壓縮和后體膨脹。飛行器有兩個短翼和兩個垂尾，不僅起到配平作用還具有在陸地跑道起降的功能。HTV-3X最獨特的地方在于，它將第一次裝備渦噴-超燃沖壓組合發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)采用雙流道設(shè)計，兩種發(fā)動機(jī)共用一個帶活動斜板的進(jìn)氣口。渦噴發(fā)動機(jī)的流道靠上，起飛和低馬赫數(shù)飛行時，渦噴發(fā)動機(jī)工作。3馬赫往后，斜板關(guān)閉渦噴發(fā)動機(jī)的流道，打開沖壓發(fā)動機(jī)流道。沖壓發(fā)動機(jī)先以亞燃沖壓模式工作，彌補(bǔ)3馬赫到4馬赫之間的推力鴻溝。4馬赫以后，發(fā)動機(jī)進(jìn)入超燃模式。此時氣流在發(fā)動機(jī)中逗留的時間不足千分之一秒，推動飛行器進(jìn)入5馬赫以上高超聲速飛行。

由此，HTV-3X項目已經(jīng)大大超出了美國空軍“獵鷹”計劃的藍(lán)本，得到了一個全新的名稱——“黑燕”?！昂谘唷表椖康某霈F(xiàn)說明，自X-30起人類打造一體化全功能空天飛機(jī)的夢想從未熄滅。

俄羅斯，實力雄厚

蘇聯(lián)的高超聲速研究起源于上世紀(jì)50年代，據(jù)說通過火箭或者載機(jī)發(fā)射的高超聲速武器規(guī)劃了兩個系列7個型號。蘇聯(lián)解體，對俄羅斯高超聲速技術(shù)研究產(chǎn)生了不小影響。不過從1991年以來，俄羅斯還是先后進(jìn)行了“冷”、“彩虹”、“針”等多項高超聲速項目的研發(fā)。其中“冷”計劃還與法國、美國進(jìn)行過合作。在“冷”計劃試驗過程中，發(fā)動機(jī)實現(xiàn)了從亞聲速到超聲速燃燒的轉(zhuǎn)變，飛行試驗速度最高也達(dá)到了6.5馬赫，獲得了高動壓條件下發(fā)動機(jī)從亞聲速到超聲速各種燃燒狀態(tài)的各種數(shù)據(jù)。因此“冷”成為俄羅斯高超聲速試飛的基礎(chǔ)。

在獲得一系列完整實驗數(shù)據(jù)后，俄羅斯又開發(fā)了“彩虹”，其原型是AS-4“廚房”空地導(dǎo)彈?！安屎纭遍L約11米，發(fā)動機(jī)段長約6米，二維進(jìn)氣道。在12 000米高空，飛行速度為1.7馬赫的載機(jī)將“彩虹”發(fā)射出去，之后“彩虹”的火箭發(fā)動機(jī)開始加速，在15 000～30 000米高度，飛行速度可以達(dá)到2.5～6馬赫。

而俄羅斯研發(fā)的“針”高超聲速飛行器，則多少類似美國的X-43A，全長7.9米，翼展3.6米，用SS-25導(dǎo)彈作為發(fā)射載具。“針”主要用來測試機(jī)體-推進(jìn)系統(tǒng)的一體化研究，以及熱力學(xué)、氣動、結(jié)構(gòu)、材料、地面降落測試等?！搬槨钡娘w行速度大約在6～14馬赫，飛行高度26 000～50 000米，超燃沖壓發(fā)動機(jī)采用液氫燃料。

俄羅斯中央航空發(fā)動機(jī)研究院與格羅莫夫試飛院研發(fā)的GLL-31“射手”高超聲速飛行器，號稱是俄羅斯最先進(jìn)的高超聲速武器。其思想類似于美國的X-51A。它的基礎(chǔ)是S-400防空系統(tǒng)所用的40N6固體燃料導(dǎo)彈?！吧涫帧庇擅赘?31截?fù)魴C(jī)掛載，當(dāng)飛機(jī)速度達(dá)到2馬赫時﹐“射手”的火箭點火發(fā)射加速﹐等到超燃沖壓發(fā)動機(jī)開始工作后﹐其速度能達(dá)到5～10馬赫，飛行高度在20 000～40 000米。采用液氫燃料的試驗型發(fā)動機(jī)燃料體積為300升，工作時間在半分鐘到一分鐘之間。

在近年來，俄羅斯在莫斯科航展上多次展出過自己的高超聲速飛行器方案。俄羅斯自認(rèn)為設(shè)計和材料水平均比西方高。中央航空發(fā)動機(jī)研究院的地面試車臺，可以模擬7馬赫條件下大型沖壓發(fā)動機(jī)的試驗條件。如果考慮到冷戰(zhàn)時期蘇聯(lián)大型運(yùn)載火箭、彈道導(dǎo)彈和航天飛機(jī)技術(shù)的研發(fā)實力，可以認(rèn)為俄羅斯技術(shù)積淀非常深厚，具備和美國并駕齊驅(qū)的潛力。

西歐最強(qiáng)是法國

西歐德國、英國，包括歐盟，均有高超聲速開發(fā)計劃。這其中軍事化成果最突出的是法國。法國高超聲速技術(shù)研究起源于上世紀(jì)60年代，牽頭的一直是馬特拉公司。1992年，在國防部等單位領(lǐng)導(dǎo)下，法國制定了國家高超聲速研究與技術(shù)計劃，除了馬特拉，參加的廠家還有達(dá)索、斯奈克馬（國營飛機(jī)發(fā)動機(jī)研究制造公司）、歐洲動力裝置制造公司以及法國航空航天研究院，計劃歷時6年，最后研制了“淺黃”（Chamois）超燃沖壓發(fā)動機(jī)，并在6馬赫的速度下進(jìn)行了反復(fù)試驗。法國正在實施的高超聲速技術(shù)發(fā)展計劃主要有兩個方向，一個是對外合作，研制速度達(dá)到12馬赫的碳?xì)潆p模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)；另一個就是“普羅米修斯”（Promethee）空射型高超聲速導(dǎo)彈。該導(dǎo)彈采用像“南瓜子”的乘波體外形，彈長6米，采用碳?xì)潆p模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機(jī)，巡航速度為8馬赫，包括固體助推器的總發(fā)射質(zhì)量為1 700千克。

21世紀(jì)初，法國航空航天研究院開始研制高空高速無人駕駛偵察機(jī)，其速度達(dá)6～8馬赫，航程可達(dá)2 000千米，飛行高度在30 000～35 000米，和美國的SR-72計劃有相通之處。2003年，法國和歐盟開始合作研發(fā)LEA高超聲速驗證機(jī)，載具是俄制AS-4導(dǎo)彈，這種長5米的飛行器最高速度設(shè)定為8馬赫。

亞太，小朋友們跟上來了

在研制高超聲速武器方面，印度一直野心勃勃。1998年，印度國防部啟動了命名為“阿凡達(dá)”的小型可重復(fù)使用空天飛機(jī)計劃，當(dāng)它不攜帶火箭發(fā)動機(jī)時，可作為一種高超聲速飛機(jī)，用于對地攻擊或偵察，然后返回基地。印度有多個實驗室正在發(fā)展超燃沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)。除了與俄羅斯合作的“布拉莫斯”高超聲速導(dǎo)彈，印度國防問題分析研究所還曾提交了一份報告，建議研發(fā)至少5馬赫的空天戰(zhàn)斗機(jī)，并認(rèn)為只有美國的X-43和X-51領(lǐng)先于印度。

日本的超燃沖壓發(fā)動機(jī)研究起于上世紀(jì)80年代末。1993年，日本航空宇宙研究所角田宇宙中心建成了一座超燃沖壓發(fā)動機(jī)試驗臺，可進(jìn)行馬赫數(shù)4～8、流量40千克/秒的工程性試驗，多次進(jìn)行大型氫燃料的工程性試驗，掌握了點火、推力測量、燃料調(diào)節(jié)、發(fā)動機(jī)冷卻等關(guān)鍵技術(shù)。1999年日本又建成大型高溫激波風(fēng)洞。正在實施的高超聲速飛行器技術(shù)項目是兩級入軌的航天運(yùn)載器，第一級為高超聲速運(yùn)輸機(jī)（HST），其飛行速度為6馬赫，目前，日本正在研制HST的吸氣式動力裝置，并已進(jìn)行了高超聲速空氣動力學(xué)設(shè)計。

此外，澳大利亞也參與了高超聲速研發(fā)項目。與美國合作的“高火”（HiFire）項目在2012年進(jìn)行了成功試驗。這個實驗也是為了給X-51A提供實驗數(shù)據(jù)。2012年5月8日，HiFire -2在美國夏威夷太平洋導(dǎo)彈靶場由“黃鸝”探空火箭成功發(fā)射，HiFire-2超燃沖壓發(fā)動機(jī)爬升到30 480米高空，從馬赫數(shù) 6加速至馬赫數(shù) 8，并工作了12秒。當(dāng)年9月20日，HiFire -3在挪威安道亞靶場由VS探空火箭成功發(fā)射，飛行器在達(dá)到350 000米最高點后俯沖，在20 500～32 000米高度達(dá)到最高馬赫數(shù) 8。此外，澳大利亞還和英國、日本合作，進(jìn)行了“高擊”（HyShot）項目的研發(fā)，測試氫燃料超燃沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)；以及測試超燃沖壓發(fā)動機(jī)工作狀況的“高因”（HyCause），再入大氣層之前，超燃沖壓發(fā)動機(jī)成功點火，將飛行速度增加到10馬赫。

空天一體——高超聲速武器前景

看看X-51A這樣的“導(dǎo)彈”，以及X-37B這樣的“飛機(jī)”（詳見本刊2014年第3期《一小時如何打擊全球》有關(guān)內(nèi)容），不難推斷，高超聲速武器時代已經(jīng)離我們越來越近。

矛盾相生相克，但一般是先有矛而后有盾。在軍事領(lǐng)域，高超聲速技術(shù)必將被率先應(yīng)用于進(jìn)攻。在高超聲速技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的國家，會率先研制出高超聲速導(dǎo)彈和空天偵察機(jī)，并借此謀求對其他后發(fā)國家的戰(zhàn)略優(yōu)勢。當(dāng)后發(fā)國家逐漸也掌握了高超聲速技術(shù)，研制出相類似的高超聲速打擊武器后，先發(fā)國家就將考慮對這一技術(shù)進(jìn)行反制。到那時，下至對流層上至近地軌道，將真正出現(xiàn)“高邊疆”爭奪。當(dāng)前軍事航空領(lǐng)域所糾結(jié)的有人無人、隱形顯形等問題都不再重要。從普通跑道起飛的空天戰(zhàn)斗機(jī)，可以從地面一直加速直至大氣層邊緣，自由進(jìn)出近地軌道，從容擊落此間任何目標(biāo)?；蛟S激光武器、微波武器……將作為新的“防空導(dǎo)彈”投入戰(zhàn)場——如果誰都不想引爆核戰(zhàn)的話。

責(zé)任編輯：吳佩新