近日，中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院微信公眾號(hào)發(fā)布消息，宣稱當(dāng)日完成了“國內(nèi)第一乘波體”的飛行實(shí)驗(yàn)，在30000米以上的高空實(shí)現(xiàn)了M5.5-6的高超音速飛行，延續(xù)時(shí)間達(dá)400秒以上。消息傳來，人們自然振奮不已。但在當(dāng)前的“厲害了”vs“掐脖子”之爭的影響下，人們不禁疑惑：“星空2號(hào)”到底是厲害了，還是不厲害？果不其然，馬上有打臉黨出來聲稱，美國在8年前就用X-51實(shí)現(xiàn)了M5+的高超音速飛行，連X-51的名稱都叫“乘波體”。

航空航天世界正在進(jìn)入高超音速競賽，第一槍是中國打響的，那就是2017年3月6日由美國航空航天學(xué)會(huì)（簡稱AIAA）、中國工程院主辦、廈門大學(xué)承辦召開的第21屆國際航天飛機(jī)和高超音速系統(tǒng)與技術(shù)大會(huì)，會(huì)上中國大大方方地展示的大量理論研究和實(shí)驗(yàn)成果。

美國大吃一驚后，正在急起直追，曾任NASA局長、現(xiàn)在負(fù)責(zé)科技和研發(fā)的國防部副部長邁克·格里芬更是高超音速的狂熱鼓吹者，他本人就擁有航空航天的博士學(xué)位。這家伙是個(gè)學(xué)位狂，1971年從約翰-霍普金斯大學(xué)物理系畢業(yè)后，1974年獲得美國天主教大學(xué)的航空航天碩士，1977年獲得馬里蘭大學(xué)的航空航天博士，1979年獲得南加州大學(xué)的電氣工程碩士，1983年獲得約翰-霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理碩士，1990年獲得馬里蘭洛約拉大學(xué)MBA，1998年獲得喬治·華盛頓大學(xué)土木工程碩士，要不是2005年被小布什任命為NASA局長，差點(diǎn)還要拿下約翰-霍普金斯大學(xué)的計(jì)算機(jī)碩士。不過這是題外話了。

不僅格里芬是高超音速狂，美國國會(huì)也發(fā)燒了，而且他們的目標(biāo)明確：中國！俄羅斯只是拉上墊背的。格里芬發(fā)誓要使得美國重新領(lǐng)先，使得中國追趕。但這一切都太空洞，不解答眼下的關(guān)鍵問題：“星空2號(hào)”厲害嗎？

特朗普任命邁克爾·格里芬擔(dān)任國防部副部長，專門主管科研事務(wù)，這是五角大樓第一次設(shè)立專管科研的副部長，而他一上任就表示高超技術(shù)是“第一優(yōu)先”

雖然在宣傳上，俄羅斯更高調(diào)，但讓美國真正感到擔(dān)心的，可不是他們

航空技術(shù)突破音障后，一路高歌猛進(jìn)，直到撞上熱障。飛行速度和高度大體穩(wěn)定在雙三（三倍音速、三萬米高度）就不再增加。另一方面，彈道導(dǎo)彈的速度和高度都要高得多，但基本上只能沿固定的拋物線彈道飛行，只有很有限的變軌能力。這也是彈道導(dǎo)彈防御的基礎(chǔ)：只要探測和確定彈道導(dǎo)彈的初始軌道，就能精確計(jì)算整個(gè)彈道和目標(biāo)，并由此精確計(jì)算發(fā)射時(shí)機(jī)、反導(dǎo)彈軌跡和攔截點(diǎn)。高超音速就是要填補(bǔ)雙三和軌道飛行之間的空隙，兼有速度和機(jī)動(dòng)飛行的優(yōu)點(diǎn)。以美國HTV-2為例，釋放速度M20，縱向射程近萬公里，橫向機(jī)動(dòng)距離達(dá)到5400公里，使得傳統(tǒng)的導(dǎo)彈預(yù)警和反導(dǎo)彈道計(jì)算失去意義。不過這是理論性能，HTV-2的兩次試驗(yàn)都失敗了。

由于空氣摩擦生熱，高超音速飛行注定只能在3萬米以上的高空實(shí)現(xiàn)，不僅環(huán)境溫度低，空氣也稀薄。在通常的大氣層內(nèi)飛行條件下，空氣分子間距忽略不計(jì)，空氣動(dòng)力行為好比波動(dòng)。但在特別稀薄的高層大氣力，空氣分子的間距不再可忽略。在M5.5-6以上的高超音速飛行的強(qiáng)烈壓縮下，空氣的行為好比波粒二象性，大為復(fù)雜。另外，空氣的熱力學(xué)性質(zhì)與空氣動(dòng)力學(xué)性質(zhì)互相作用，所以有時(shí)候也一并考慮，稱為空氣熱動(dòng)力學(xué)。

高超音速空氣熱動(dòng)力學(xué)條件在地面很難模擬，實(shí)飛實(shí)測又代價(jià)很大，所以長期停留在理論研究階段，缺乏實(shí)際數(shù)據(jù)的對(duì)照和驗(yàn)證。乘波體在理論上早就提出了，但實(shí)際的工程實(shí)現(xiàn)很少。僅從這一點(diǎn)來說，“星空2號(hào)”就很厲害。

作為世界上最先進(jìn)的高超聲速激波復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞，中科院的JF-12風(fēng)洞運(yùn)行成本雖然在國際同類風(fēng)洞中算是很低，但每次試驗(yàn)（100毫秒）的成本也遠(yuǎn)超過數(shù)十萬人民幣水平

在JF-12風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)的乘波體模型，注意其腹部形狀仍是較為傳統(tǒng)的平坦型

飛行體速度超過音速后，都會(huì)形成激波。低超音速時(shí)，激波鋒面后的空氣流動(dòng)還可以作為亞音速處理，這是超音速戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)翼、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈彈翼的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。高超音速后，不僅機(jī)翼、彈翼的阻力急劇提高，升溫散熱問題也解決不了，必須另外想辦法。

機(jī)翼（對(duì)導(dǎo)彈來說就是彈翼）只是產(chǎn)生升力的最常見的手段，另一種做法是直接由機(jī)體（或者彈體）產(chǎn)生升力，這就是升力體。一些導(dǎo)彈在平飛時(shí)仰著頭，彈體在迎風(fēng)阻力增加的同時(shí)，也在動(dòng)壓下產(chǎn)生直接升力，這樣的導(dǎo)彈設(shè)計(jì)就采用了升力體的原理。這也是壓縮升力的雛形。

更加完整的壓縮升力更進(jìn)一步。升力體對(duì)空氣的壓縮造成橫向流動(dòng)，被垂下的翼尖“兜住”，顯著強(qiáng)化了升力的產(chǎn)生，好比從下面對(duì)著一張平坦的紙吹氣還是對(duì)著脫底的紙盒子吹氣一樣的差別。XB-70“北歐戰(zhàn)神”轟炸機(jī)是第一個(gè)采用壓縮升力原理的飛機(jī)，但這并不徹底，機(jī)翼還產(chǎn)生較大的升力，壓縮升力只是補(bǔ)充 。

XB-70轟炸機(jī)的機(jī)翼外段向下折疊，用于利用壓縮升力

壓縮升力適合雙三以上的高速飛行。事實(shí)上，速度太低了，壓縮升力反而不工作，這也是XB-70只采用不徹底的壓縮升力的原因之一，轟炸機(jī)是要從零到雙三之間全范圍工作的。但速度提高到M6以上的話，老問題回來了，下垂的翼尖成為阻力和氣動(dòng)升溫集中的熱點(diǎn)，結(jié)構(gòu)和散熱都成為問題。這就是乘波體上場的時(shí)候了。

激波是飛行器對(duì)空氣高度壓縮的結(jié)果，可以看作空氣中隨飛行器移動(dòng)、無形但致密的鋒面，理論上密度達(dá)到無窮大。換句話說，“坐”在激波鋒面上和“坐”在地面上等效，這就是“乘波”的意思。堅(jiān)硬致密的激波還吸收了與空氣摩擦生熱的主體，航天器再入時(shí)巨大的火球?qū)嶋H上是在激波鋒面上形成的，而不是在航天器本體，航天器躲在鋒面背后，實(shí)際上相對(duì)“涼快”。

美國空軍其實(shí)對(duì)乘波體也算情有獨(dú)鐘，圖為1996年進(jìn)行試驗(yàn)的LoFLYTE乘波體風(fēng)洞模型，在該模型上得到的技術(shù)被運(yùn)用到了X-43A乘波體試驗(yàn)機(jī)上

X-43A飛行器的激波示意圖

但只有在設(shè)計(jì)時(shí)有意利用激波產(chǎn)生升力和實(shí)現(xiàn)有效的氣動(dòng)控制的飛行器才是有意義的乘波體。從這個(gè)意義上來說，旋成體（主要為圓錐及各種變體，帶或不帶刀形尾翼）能通過迎角或者再入角產(chǎn)生激波升力，但只有有限的氣動(dòng)控制和機(jī)動(dòng)能力，要算入乘波體是很勉強(qiáng)的。

簡單激波是上下對(duì)稱的錐形，但這是只考慮二維的情況。在三維空間里，對(duì)于尖銳的簡單圓錐來說，實(shí)際激波是規(guī)整的圓錐形，速度越高，圓錐越尖銳。由于圓錐繞軸線一圈在各個(gè)方向上的性質(zhì)是相同的，這樣的三維問題可以簡化成二維問題，所以旋成體技術(shù)相對(duì)簡單、成熟，已經(jīng)得到大量應(yīng)用。具有末端制導(dǎo)的多種“東風(fēng)”、俄羅斯“匕 首”和美國陸軍還在試驗(yàn)中的AHW導(dǎo)彈都采用旋成體技術(shù)。

乘波體為了達(dá)到更大的升阻比，通常為扁平形狀，可以像改錐一樣具有平直的前緣，或者像梭鏢一樣，平面形狀大體為三角形。

采用“梭鏢體”設(shè)計(jì)的HTV-2，極為扁平

HTV-2這樣的飛行器，內(nèi)部容積率非常低

“改錐體”由簡單平面構(gòu)成，前緣鋒利，各個(gè)平面的激波分析依然較簡單，面與面之間的交接、轉(zhuǎn)折處復(fù)雜點(diǎn)，只能在各種簡化、近似的基礎(chǔ)上，用試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正了。“改錐體”是早期乘波體的主要形狀，上表面平坦，下表面前傾。在理想情況下，下表面正好“坐”在下激波的鋒面上，好像飛機(jī)的地效一樣。下表面與下激波鋒面之間的壓力高，這里也是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口的理想位置。美國X-43、X-51、美澳合作的早期HiFIRE都是“改錐體”或者某種變型。

“梭鏢體”實(shí)際上形狀很復(fù)雜。俯視為三角形，側(cè)視是鋒利的刀刃向前的刀形，但從前后方向看，上表面向上隆起，下表面可能是扁平、凹起或者向下隆起，取決于不同的空氣熱動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)水平。

下表面扁平的設(shè)計(jì)最簡單，但飛行器內(nèi)有效容積很小，難以搭載有效負(fù)荷，實(shí)用價(jià)值受到限制。下表面凹起而形成缺口向下的月牙形的話，可以利用一點(diǎn)壓縮升力，大大降低了飛行器下表面與下激波鋒面精密匹配的要求，不過有效容積更小。有效容積和設(shè)計(jì)難度都最大的是向下隆起，通常在兩側(cè)還有一圈尖銳的刃邊，不僅要求在三維空間里對(duì)乘波體下表面和下激波鋒面精密匹配，還要求刃邊能與側(cè)面的激波鋒面密封，達(dá)到壓縮升力的效果。

早年間在升力體研究的時(shí)候大家都想著要給它裝個(gè)“大肚子”，圖為諾斯羅普M2-F1試驗(yàn)機(jī)

但后來大家發(fā)現(xiàn)要想提高性能，不僅要去掉“大肚子”，而且還要做成“月牙形”

典型按傳統(tǒng)理論計(jì)算得到的高超聲速乘波體氣動(dòng)外形，要把“啤酒肚”長回來可不容易……

這只是維持穩(wěn)定、平直飛行所要求的基本氣動(dòng)問題，機(jī)動(dòng)飛行是另一個(gè)問題。不管用什么辦法，單純改變飛行器的指向是不管用的，沒有足夠的側(cè)力，基本飛行軌跡依然按照慣性向前側(cè)滑。側(cè)力在本質(zhì)上是在側(cè)向上產(chǎn)生的升力，產(chǎn)生側(cè)力的機(jī)制與產(chǎn)生升力的機(jī)制是一樣的，但用于克服重力的基本升力還是要繼續(xù)提供。換句話說，穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎時(shí)，升力的垂直向上的分量用于克服重力，水平分量才是轉(zhuǎn)彎所需的側(cè)力。兩者之比代表了飛行器產(chǎn)生側(cè)力的能力，戰(zhàn)斗機(jī)用g代表的機(jī)動(dòng)性就是這個(gè)意思，9g意為可產(chǎn)生9倍于重力的側(cè)力。深究起來，這又回到升阻比上去了，沒有足夠的升阻比是不可能有多少余力產(chǎn)生側(cè)力的，這也是旋成體的機(jī)動(dòng)性在本質(zhì)上受到限制的道理。

X-51A雖然名字叫做“乘波者”，其實(shí)它的外形并不符合乘波的要求，只是利用了壓縮升力來維持飛行而已

“星空2號(hào)”研制單位正在進(jìn)行的“人工轉(zhuǎn)捩帶”研制，這一技術(shù)用于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口……所以，“星空3號(hào)”的動(dòng)力就昭然若揭了

乘波體利用激波產(chǎn)生升力，也利用激波產(chǎn)生側(cè)力。改變飛行姿態(tài)時(shí)，激波形狀隨之改變，在過渡過程中還可能產(chǎn)生扭曲，這就需要主動(dòng)控制激波形狀和位置了，難度比利用激波飛起來要高一個(gè)等級(jí)。中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的微信公眾號(hào)消息里提到自然轉(zhuǎn)捩和人工轉(zhuǎn)捩。轉(zhuǎn)捩在流體力學(xué)里用于描述層流到湍流的過渡，轉(zhuǎn)捩點(diǎn)決定了層流為主的附面層（也稱邊界層）的厚度。較厚的附面層影響傳熱，也增加阻力，最終影響激波的形成。人工轉(zhuǎn)捩可能指對(duì)附面層厚度的主動(dòng)控制，或許最終與主動(dòng)激波形狀控制有關(guān)。2017年中國《空氣動(dòng)力學(xué)報(bào)》里提到激波裝配法，就暗示了通過附面層厚度控制激波邊界的問題。

“星空2號(hào)”的具體形狀沒有透露，但從已經(jīng)公開的文獻(xiàn)來看，中國解決了下表面隆起的乘波體設(shè)計(jì)，而且線形比傳統(tǒng)文獻(xiàn)中更加飽滿，有效容積更大。有理由相信，“星空2號(hào)”采用了相關(guān)技術(shù)。相比之下，美澳合作的HiFIRE 4（也稱HyShot V）采用線形更加簡單的“梭鏢體”，而且具有相當(dāng)大的下垂翼尖，估計(jì)用于產(chǎn)生壓縮升力，氣動(dòng)設(shè)計(jì)水平還不及HTV-2的月牙形剖面“梭鏢體”。有意思的是，很多公開圖片中經(jīng)常展示HiFIRE 4翼尖向上的狀態(tài)，可能是用于迷惑“路人”的。但在《航空周刊》的資料中顯示了真正飛行狀態(tài)下翼尖向下的姿態(tài)，泄密了。

不跟你說的話，你能分辨出哪個(gè)是中國的，哪個(gè)是美國的高超音速試驗(yàn)火箭么？

X-51的主要研究目的是超燃沖壓，氣動(dòng)外形考慮了用激波產(chǎn)生升力的問題，但有效氣動(dòng)控制和機(jī)動(dòng)飛行不是主要研究目的，因?yàn)椴黄谕紱_壓能有足夠長的工作時(shí)間（實(shí)際達(dá)到140秒，連火箭助推段和熄火后滑翔段達(dá)到M5以上共210秒），只要保證穩(wěn)定飛行就是勝利。事實(shí)上，到現(xiàn)在為止，“星空2號(hào)”是世界上第一個(gè)在公開報(bào)道中實(shí)現(xiàn)高超音速大幅度機(jī)動(dòng)飛行的。從這一點(diǎn)來說，“星空2號(hào)”就是真厲害了。

X-51的意義不容低估，其氣動(dòng)設(shè)計(jì)和超燃沖壓絕對(duì)是有借鑒意義的。但以X-51在8年前就實(shí)現(xiàn)了210秒M5+飛行來否定“星空2號(hào)”，就像“我們在宋朝就發(fā)明火箭了”來否定二戰(zhàn)V2導(dǎo)彈一樣，缺乏實(shí)際意義。強(qiáng)調(diào)HiFIRE可以達(dá)到M8也是一樣，助推-滑翔型高超音速飛行器的釋放速度不是最大的挑戰(zhàn)，機(jī)動(dòng)飛行才是，而HiFIRE 4的飛行時(shí)間才5秒，計(jì)劃中的HiFIRE 8也只有30秒（一說60秒）。

“星空2號(hào)”不是十全十美的。完美的高超音速乘波體應(yīng)該配備超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，最好還是TBCC（Turbine Based Combined Cycle）那樣與渦噴相結(jié)合的組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，可以完成從水平起飛到水平著陸。廈門會(huì)議上透露，中國在超燃沖壓和TBCC方面的發(fā)展也很快，詳情請(qǐng)見《中美高超音速飛行器誰離星辰大海更近》。“星空2號(hào)”的射程也相對(duì)有限，400秒的M6飛行大約相當(dāng)于650-700公里飛行距離，采用BP-12A的助推級(jí)也意味著飛行器重量有限。但中國的高超音速科技樹枝繁葉茂，“星空2號(hào)”只是驚鴻一瞥。

早先公開的HIFiRE 4飛行器的照片讓人以為它是有“啤酒肚”的先進(jìn)設(shè)計(jì)

其實(shí)……它還是個(gè)“月牙形”

“星空2號(hào)”的“啤酒肚”是它最厲害的標(biāo)志

中國高超音速技術(shù)領(lǐng)先了，但美國的高超音速發(fā)展是走了彎路的。美國強(qiáng)大的空中力量使得短程彈道導(dǎo)彈顯得多余，中導(dǎo)協(xié)議又禁止了中程導(dǎo)彈的發(fā)展，一步跳到洲際導(dǎo)彈級(jí)的HTV-2又技術(shù)跨度太大，所以在乘波體和飛行控制方面落后了。美國的重點(diǎn)在超燃沖壓，只有首先突破有效、可靠的動(dòng)力，高超音速對(duì)美國才有意義。當(dāng)然這方面也沒有真正突破，造成美國今天的困境。

但科學(xué)技術(shù)不是巫術(shù)，中國做得到的，假以時(shí)日，美國也做得到。這話平常是反過來說的，但在高超音速方面還真得這么說。發(fā)達(dá)國家不是一夜之間發(fā)達(dá)起來的，人家也在努力領(lǐng)先，但中國也有厲害的地方，高超音速就是一個(gè)例子。回到一開始的問題，“星空2號(hào)”厲害嗎？厲害的！后面還有更厲害的！

來源：觀察者網(wǎng)，作者：晨楓