高超声速:飞行的第三纪元

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“飞得更快、更高、更远是人类永恒的追求。莱特兄弟带来了第一个飞行世纪，X-43A带来了第二个。不久，你就会成为长长一队航空航天工程师中的最新一位。将会是你把梦想变为现实。”

今天，当你从北京飞往伦敦，得在枯燥无聊的旅途中度过难熬的10个小时。假设时间退回到2003年协和客机退役前，这时间就能缩短一半。再憧憬一下未来，如果你乘坐上一架高超声速客机，仅仅需要花费1个多小时，思考一下人生和理想就到了。这绝对不是科学幻想中才存在的场景，作为便利的交通工具，高超声速客机将在不远的将来成为现实。

高铁的15倍速

“高超声速”（Hypersonic）一词是由我国著名科学家钱学森1964年在他的一篇重要论文中首次提出。高超声速飞行到底有多快？让我们先来熟悉一下“马赫数”的概念。马赫数是气流速度与声速之比，马赫数越高，气流的速度也就越快。通常用马赫数大于5的飞行速度作为高超声速飞行的一种标志，与目前服役的民航客机相比，高超声速客机的飞行速度至少是普通民航客机的6倍，大概是高铁速度的15倍。说到这儿，你是否能想象到高超声速飞行的速度感呢？

作为典型的军民两用技术，高超声速飞行器技术将在今后相当长的时间内占据航空航天技术发展的最前沿。早在1986年，美国就宣布了一项“东方快车”计划，除了作为新一代的航天运输工具使用外，也描述了其作为高超声速飞机应用的美好前景，即以5马赫连续飞行12000km，从美国纽约横越太平洋到达东京仅需要2个小时。尽管这一设想随着美国国家空天飞机计划的失败而告终，但科学家们并没有停止他们追求速度的步伐。美国为实现“全球到达、全球打击”的作战目标，自20世纪末启动了多个高超声速巡航导弹技术的发展计划，包括“高超声速巡航导弹飞行（HyFly）”计划、乘波者“X-51”计划等。截至目前，美、俄、德等航天大国都在积极推进高超声速技术的发展，并取得了一些阶段性的成果，较具有里程碑意义的包括美国“X-43A”以及“X-51A”的飞行试验。其中，“X-43A”飞行试验创造了吸气式发动机10马赫飞行速度的世界纪录；“X-51A”飞行试验的成功，表明高超声速飞行器技术已进入了以高超声速巡航导弹为背景的工程应用阶段。

两大难题等待破局

高速飞行首先要解决的就是动力问题。早在20世纪40-50年代，以助推火箭为动力，通过发射弹道导弹、卫星等方式已经实现了高超声速飞行，但直到20世纪50年代超声速燃烧概念的提出，才使得飞行器在大气层内以吸气式超燃冲压发动机为动力，实现高超声速经济巡航成为可能。吸气式动力以其航程更远、结构质量更轻、性能更优越等潜在能力备受关注，但超燃冲压发动机的实现也面临许多技术难点。可以想象一下，在大风中点起一根蜡烛并保持燃烧的难度有多大，在超声速气流中实现点火、稳定燃烧并提供推力的难度就有多大，超声速燃烧组织、火焰稳定、发动机主动冷却等问题均给科技工作者提出了较大挑战。

高超声速飞行器的另一个重大问题，就是高超声速飞行带来的严重气动加热问题。当飞行器在大气层内以高超声速飞行时，空气与飞行器的相对速度非常大，由于空气的粘性作用，在靠近飞行器壁面时空气速度将降为零，动能被粘性耗散转化为热能，导致飞行器表面温度急剧升高。对于以高超声速飞行的飞行器，其表面局部温度将达到1000～2000℃，甚至更高，远超出我们常用的多种金属材料的使用范围，必须采用耐温更高的复合材料，并解决材料制备、结构安装、变形协调等一系列问题，实现难度较大。

高超声速飞行器技术的突破，将成为人类航天航空科学技术史上继发明飞机、突破“声障”之后的第三个划时代的里程碑，将开辟航天航空技术应用的新领域。相信在不久的将来，高超声速飞行器会以各种不同的面孔发挥它应有的作用，成为未来实现全球运输、全球打击及进入空间的重要途径。