高超音速空氣動(dòng)力學(xué)
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
高超音速空氣動(dòng)力學(xué)的實(shí)例教程
放眼全球，如今真正在高超音速領(lǐng)域取得革命性進(jìn)展的，按照美媒的說(shuō)法，僅有中國(guó)一家。美國(guó)已經(jīng)多次確認(rèn)，盡管已經(jīng)將研究高超音速武器的經(jīng)費(fèi)增加2倍，但美軍不會(huì)在2023年之前接裝這種武器。而反觀中國(guó)，早已經(jīng)在2017年開(kāi)始在東風(fēng)-17彈道導(dǎo)彈上裝備先進(jìn)的滑翔彈頭。
這意味著美軍的研究已經(jīng)落后中國(guó)至少5年，然而這還不是最重要的，更讓他們有危機(jī)感的是，中國(guó)高超音速發(fā)動(dòng)機(jī)也借力發(fā)揮，走在了世界前面。
根據(jù)美國(guó)《大眾科學(xué)》網(wǎng)站5月4日?qǐng)?bào)道稱，超音速燃燒沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是一項(xiàng)改變游戲規(guī)則的技術(shù)，如果一切進(jìn)展順利的話，未來(lái)它將不可避免的取代現(xiàn)有的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，讓人類飛行提速，至少能達(dá)到5馬赫的量級(jí)。
那么什么是超音速燃燒沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)？它是一種讓空氣以超過(guò)聲速的速度流過(guò)的空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。而通過(guò)向前運(yùn)動(dòng)將氣流壓縮到亞音速的傳統(tǒng)沖壓式噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到前者的效果。
由于中國(guó)在高超音速空氣動(dòng)力學(xué)上已經(jīng)取得了領(lǐng)先地位，因此，這種創(chuàng)新技術(shù)將很快投入到實(shí)際中去，按照美媒的推測(cè)，第一臺(tái)渦輪火箭組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)很有可能會(huì)運(yùn)用到我國(guó)下一代大推力火箭上，其衍生型很可能會(huì)在WS-118發(fā)動(dòng)機(jī)上做測(cè)試。
WS-118是我國(guó)未來(lái)重型運(yùn)輸機(jī)的預(yù)備動(dòng)力，超音速燃燒沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)將使得遠(yuǎn)程高超音速飛行器的生產(chǎn)變得更可行。
如果這種新概念動(dòng)力原型機(jī)試驗(yàn)成功，那么在未來(lái)航空航天上，它將引領(lǐng)一場(chǎng)革命，這不亞于人類當(dāng)年從渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入到渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)所帶來(lái)的影響，美國(guó)預(yù)先搶占的萬(wàn)億美元的發(fā)射市場(chǎng)或被中國(guó)分走一大塊蛋糕。
在民用領(lǐng)域，高超音速飛行器的生產(chǎn)將重新定義世界太空發(fā)射市場(chǎng)，美國(guó)之前走了幾十年的路或?qū)⒈粡氐锥ㄎ唬袊?guó)將一步到位，從落后位置迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槌剑屇切┵|(zhì)疑中國(guó)航發(fā)落后的人閉嘴。
展開(kāi) 特朗普任命邁克爾·格里芬擔(dān)任國(guó)防部副部長(zhǎng)，專門(mén)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(zhǎng)，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(guó)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(wàn)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(cè)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(guó)HTV-2為例，釋放速度M20，縱向射程近萬(wàn)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(guò)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(wàn)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(cè)又代價(jià)很大，所以長(zhǎng)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(lái)說(shuō)，“星空2號(hào)”就很厲害。
展開(kāi) 不僅格里芬是高超音速狂，美國(guó)國(guó)會(huì)也發(fā)燒了，而且他們的目標(biāo)明確：中國(guó)！俄羅斯只是拉上墊背的。格里芬發(fā)誓要使得美國(guó)重新領(lǐng)先，使得中國(guó)追趕。但這一切都太空洞，不解答眼下的關(guān)鍵問(wèn)題：“星空2號(hào)”厲害嗎？
特朗普任命邁克爾·格里芬擔(dān)任國(guó)防部副部長(zhǎng)，專門(mén)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(zhǎng)，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(guó)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(wàn)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(cè)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(guó)HTV-2為例，釋放速度M20，縱向射程近萬(wàn)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(guò)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(wàn)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(cè)又代價(jià)很大，所以長(zhǎng)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。
展開(kāi) 對(duì)于工業(yè)和工程領(lǐng)域的企業(yè)而言，高性能計(jì)算在仿真模擬上的實(shí)際應(yīng)用不僅降低了物理原型和實(shí)驗(yàn)的數(shù)量和成本，而且還提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，提升了企業(yè)解決復(fù)雜技術(shù)難題的手段和能力，最終通過(guò)縮短新產(chǎn)品上市時(shí)間并加快新產(chǎn)品推出種類，增強(qiáng)企業(yè)在相關(guān)行業(yè)內(nèi)的國(guó)內(nèi)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力水平。
HPC分析公司Hyperion Research在國(guó)際超級(jí)計(jì)算大會(huì)（ISC）上宣布半年度HPC市場(chǎng)的變化，將其五年行業(yè)預(yù)測(cè)改為2023年達(dá)到440億美元（390億歐元） ，高于此前預(yù)測(cè)的390億美元（350億歐元）。
在其中，工業(yè)仿真和人工智能是HPC細(xì)分市場(chǎng)中增長(zhǎng)速度是最快的，這證明人們?cè)诳萍及l(fā)展創(chuàng)新上對(duì)HPC的重用。在商業(yè)用途中，越來(lái)越多的企業(yè)使用HPC進(jìn)行可擴(kuò)展并行處理、快速數(shù)據(jù)遷移、超大內(nèi)存系統(tǒng)和其他HPC功能等，還有高度數(shù)據(jù)密集的AI / ML / DL工作負(fù)載來(lái)進(jìn)行仿真和分析。
工業(yè)發(fā)展對(duì)HPC有大量的需求
最早使用高性能計(jì)算機(jī)的航天領(lǐng)域，有大量的問(wèn)題需要超算的支持。例如高超音速飛行器外形空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和分析、飛行器氣動(dòng)熱、結(jié)構(gòu)耦合分析、不同載荷條件下推進(jìn)劑行為模擬、火箭電磁兼容性分析等都需要大規(guī)模的計(jì)算和仿真。
同時(shí)，高性能計(jì)算在數(shù)值風(fēng)洞、氣動(dòng)氣彈、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、載荷疲勞等方面有大量的應(yīng)用，進(jìn)行民用飛機(jī)、軍用飛機(jī)和通用飛機(jī)的組件、部件、全機(jī)的計(jì)算、分析、研究和模擬等。
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例如高超音速飛行器外形空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和分析、飛行器氣動(dòng)熱、結(jié)構(gòu)耦合分析、不同載荷條件下推進(jìn)劑行為模擬、火箭電磁兼容性分析等都需要大規(guī)模的計(jì)算和仿真。
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(cè)又代價(jià)很大，所以長(zhǎng)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(lái)說(shuō)，“星空2號(hào)”就很厲害。
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(cè)又代價(jià)很大，所以長(zhǎng)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(lái)說(shuō)，“星空2號(hào)”就很厲害。
由于中國(guó)在高超音速空氣動(dòng)力學(xué)上已經(jīng)取得了領(lǐng)先地位，因此，這種創(chuàng)新技術(shù)將很快投入到實(shí)際中去，按照美媒的推測(cè)，第一臺(tái)渦輪火箭組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)很有可能會(huì)運(yùn)用到我國(guó)下一代大推力火箭上，其衍生型很可能會(huì)在WS-118發(fā)動(dòng)機(jī)上做測(cè)試。
WS-118是我國(guó)未來(lái)重型運(yùn)輸機(jī)的預(yù)備動(dòng)力，超音速燃燒沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)將使得遠(yuǎn)程高超音速飛行器的生產(chǎn)變得更可行。
