高超音速飞行的难度在于哪？

高超音速飞行器的发展代表了当今世界最先进的航空航天技术。由于该飞行器的飞行高度可以覆盖从海平面到近地轨道的空间，其发展不仅涉及航空领域，还涉及航空航天技术。主题跨度大，开发难度不言而喻。2001年，X-43的首次试飞以失败告终，X-51A的情况也好不到哪里去。2011年，超燃冲压发动机进气道在第二次试飞中没有打开，最终提前溅落在海面上。2012年，第三次试飞仍然失败，但飞行速度达到了4.8马赫。高超声速飞行器发展不顺利的原因在于机体结构、材料、空气动力学、推进一体化等技术的瓶颈。

X-43采用乘波体设计，当以大约5倍音速飞行时，激波层和边界层之间的一致性问题是技术瓶颈。

空气动力学是高超音速飞行器的“骨架”。目前，吸气式高超音速飞行器采用细长外形，X-51A和X-43都采用乘波体。空气动力学可以在高马赫数下表现出良好的机动性。如果飞行速度超过音速的5倍，乘波体的优势将更加明显，例如在激波将被控制的前缘附近，并且流场不会太复杂。当然，很难应用一个看似简单的乘波体，毕竟，当它的飞行速度增加到音速的4~5倍时，整体的空气动力效应将发生质的变化。激波层和边界层之间的相干性是一个棘手的问题，在高速摩擦下会形成高温，这将导致复杂的电离过程。此时，飞机的空气动力学甚至不能完全用空气动力学来描述，分子动力学需要被嵌入。

空气动力学的另一个大问题是隔热。事实上，这种飞机最重要的理论基础是气动热力学。在过去的30~40年中，美国一直在研究这一领域的问题，并开发了各种计算机软件来帮助设计和解决隔热问题。以太空飞机X-30为例。当亚轨道飞行速度在5马赫和8马赫之间时，前锥体的温度高于1700摄氏度，机翼前缘的温度高于1400摄氏度。这种剧烈的空气动力加热远远超出了大气层中传统的超音速飞机。

从航天飞机的再入热分布可以看出，隔热是一项重要技术，直接关系到航天器的安全着陆。

高超音速飞行器速度的关键来源是动力。目前，西方发达国家主要研究超燃冲压发动机，这种发动机具有结构简单、比冲高、耐久性好等特点，适合在大气中进行长时间的高超音速飞行。然而，发展超级燃烧动力有许多困难。最明显的技术瓶颈在于如何点火。超级燃烧动力的进气速度达到了超音速。如何在超音速气流中点火是一个世界级的问题，不亚于在12级大风中点燃一根火柴。超级燃烧动力可以负责在大气层中飞行，但它的启动不能从零速度开始。因此，对于航空航天器，有必要增加联合循环发动机作为起飞阶段的动力。如果我们想进一步加速进入轨道并使用火箭动力，各种动力的结合将增加系统的复杂性，并且很难实现更高水平的高超音速飞行。