空天利器——高超声速飞行器

据《人民日报》报道，2014年8月25日，美国陆军研发的一种“高超音速武器”在阿拉斯加测试期间遭遇严重失败。它在起飞后仅4秒钟就爆炸了，并撞上了试验基地。然而，美国军方将继续推进“高超音速武器”的发展，以便在一小时内实现地球上的任何目标。据《人民日报》报道，2014年8月25日，美国陆军研发的一种“高超音速武器”在阿拉斯加测试期间遭遇严重失败。它在起飞后仅4秒钟就爆炸了，并撞上了试验基地。然而，美国军方将继续推进“高超音速武器”的发展，以便在一小时内实现地球上的任何目标。

美国高超音速武器崩溃并爆炸的那一刻。照片/人民网

那么，什么是高超音速武器？这东西有多酷？我们真的能在一小时内击中地球上的任何目标吗？中国在这方面进行过研究吗？

作者/郭亮(中国科学院力学研究所)

高超的技术

所谓“高超音速飞机”，是指飞行速度超过音速5倍的有翼或无翼飞机，如飞机、导弹和炮弹。

在英语中，高超音速被称为“高超音速”。这个词最早是由著名科学家钱学森在1945年提出的。同时，他还提出了“第一级喷气运载第二级火箭两级发射”的概念，以实现高超音速飞行。直到20世纪80年代，许多其他国家在开展相关研究工作时都遵循这一思路。

简而言之，这架飞机从纽约飞到北京不到两个小时。不用说，这样快的飞机当然有很大的军事价值。战场上可以说是“倚天剑”和“屠龙刀”。由于它的速度远远领先于其他大气层飞行器，它可以很容易地完成对战场空间的渗透、侦察和扩展。

总而言之，高超音速有三个优点。

首先，它飞行速度快，可以在2小时内击中世界上任何目标。

第二，它难以探测，并且具有很强的渗透能力。由于渡越时间短，防御雷达积累的回波量少，不易被发现。即使发现，地面防空武器系统也很难实现有效瞄准，因此突防概率极高。

第三，它射程远，威力大。目前正在研究的高超音速导弹的射程为几百公里，甚至几千千米。根据动能公式，物体的动能与其速度的平方成正比，所以当以高超音速飞行时，其动能非常大。与传统的亚音速飞机相比，在同等质量的情况下，其功率将大大增加。

阻碍超音速飞行的“墙”——声屏障

我们经常用“马赫数”(ma)来描述飞机的速度，它代表飞机的飞行速度与当地声速的比值。1Ma(1马赫)意味着飞机以1倍音速飞行，小于1Ma意味着亚音速飞行，大于1Ma意味着超音速飞行。

当飞机的速度逐渐接近音速时，声波会在飞机的前端叠加和积累，产生冲击波，形成“看不见的墙”。这种“墙”会使飞机产生强烈的振荡，不仅速度衰减，机翼下沉，机头也会掉下来，这就是音障。

为了突破冲击波的屏障，除了大推力喷气发动机之外，飞机还必须采用专门设计的气动外形。现在更完美的方案是使用“后掠翼”或“三角翼”，而且机翼必须做得很薄。因此，我们可以通过观察飞机的形状来判断它是超音速还是亚超音速。

高超音速推进技术

在冲压发动机燃烧室中，气流只能达到亚音速。为了突破这一限制，人们设计了新一代发动机，其中超音速空气在燃烧室中流动。这种发动机被称为超燃冲压发动机。

超音速燃烧冲压发动机，超燃冲压发动机的简称。它是一种进气速度超过音速的航空冲压发动机，属于吸气式喷气发动机。

高超音速风洞

目前，高超声速飞行的研究、试验和评估主要依靠三种方法:计算模拟与仿真(CFD)、地面试验和飞行试验，这三种方法缺一不可。

地面试验的主要设备是“高超音速风洞”。

对于高超音速飞机，现有的常规地面风洞不能完全满足实验要求，必须使用更先进的风洞。由于这个原因，一个令人震惊的隧道出现了。

冲击波是一种压缩波，其中气体、液体或固体介质中的压力、密度或温度在波阵面上突然变化。在超音速流动和爆炸过程中会出现冲击波。至于激波管，它只是两个中间有薄膜的管子串联在一起。膜的一侧充满高压气体，而另一侧充满低压气体。一旦隔膜破裂，高压气体压缩低压气体，这将在低压气体中产生移动的冲击波。这种冲击波能加速、加压和加热被它扫过的气体，并有很强的能力。用这种激波管连接喷管，建立了激波风洞。

JF12中国激波风洞

中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室于2008年1月正式启动了“激波风洞模拟高超音速飞行条件”项目。2012年，风洞被成功开发和接受，命名为JF12风洞。风洞总长265米，总重量约1000吨。无论是试验时间、复现飞行速度还是试验区域的大小都处于国际领先水平，可以说是世界上第一个高超音速激波风洞。