空天利器——高超声速飞行器

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据人民网消息，2014年8月25日，美国陆军研制的“高超声速武器”在阿拉斯加测试时发生严重故障，升空仅四秒后爆炸并坠落在测试基地内。尽管如此，美军将继续推动“高超音速武器”的开发项目，以便实现在一小时内打击地球上的任何目标。


美国高超声速武器发生故障爆炸的瞬间。图/人民网
那么，高超声速武器到底是什么？这个炫酷炸天的玩意儿，到底有多么牛逼哄哄呢？真的能一小时内打击地球上任意目标吗？我国是否有进行这方面研究呢？
撰文/郭亮（中国科学院力学研究所）
高超声速，技艺高超
所谓“高超声速飞行器”，是指飞行速度超过5倍声速的飞机、导弹、炮弹之类的有翼或无翼飞行器。
在英文中，高超声速称为“hypersonic”，这个词是我国著名科学家钱学森先生在1945年首次提出的。同时，他还提出了用“第一级喷气式飞机搭载第二级火箭的两级式发射”的方式来实现高超声速飞行的概念。直到20世纪80年代，还有许多国家遵循这个思路进行相关的研究工作。
简单来说，这种飞行器从美国纽约飞到我国北京，还用不了2个小时。毋庸讳言，这么快的飞行器当然具有巨大的军事价值，可以说是战场上的“倚天剑”、“屠龙刀”，以它遥遥领先于其他大气层飞行器的速度，无论是进行突防、侦察还是扩展战场空间，都能轻松完成。
概括来说，高超声速的优势有三个。
一是飞行速度快，2小时内可以打击全球任何目标。
二是探测难度大、突防能力强。由于通过时间短，防御雷达累积回波数量较少，不易被发现；即使被发现，地面防空武器系统也难以实现有效瞄准，因此突防概率极高。
三是射程远、威力大。目前正在研究的高超声速导弹，其射程都在几百千米甚至几千千米以上。根据动能公式可知，物体的动能与其速度的平方成正比，因此在进行高超声速飞行时，它的动能非常之大。与传统的亚声速飞行器相比，在同样质量的情况下，其威力将增大很多。
阻碍超声速飞行的“墙”——声障
我们常用“马赫数”（Ma）来描述飞行器的速度，它表示飞行器的飞行速度与当地声速之比。1Ma（1马赫）就表示飞行器以1倍声速飞行，小于1Ma即为亚声速飞行，高于1Ma则为超声速飞行。
当飞行器的速度逐渐接近声速后，声波会叠合，积累在飞行器前端，产生激波，形成了一堵“看不见的墙”。这堵“墙”会使飞行器产生强烈的振荡，不仅速度衰减，机翼下沉，机头也会往下栽，这就是声障。
为了突破激波的阻碍，飞行器除了要使用大推力的喷气发动机以外，还必须采用专门设计的空气动力外形。现在比较完善的方案，就是采用“后掠形机翼”或者“三角形机翼”，机翼也必须做得很薄。所以，我们看到一架飞机的外形，就可以判断出它是超声速还是亚超声速。



高超声速推进技术
在冲压发动机的燃烧室中，气流只能达到亚声速。为了突破这个限制，人们设计了新一代的发动机，在它的燃烧室中流动的是超声速的气流。这样的发动机，被称为超燃冲压发动机。
超燃冲压发动机，即“超声速燃烧冲压发动机”(Supersonic Combustion Ramjet，缩写为Scramjet）的简称。它是一种进气流速超过声速的航空用冲压发动机，属于吸气式喷气发动机的一类。


高超声速风洞
目前，对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，三者缺一不可。


地面试验的主要设备就是“高超声速风洞”。
对于高超声速飞行器来说，目前已有的常规地面风洞已经不能完全满足实验要求了，必须要使用更先进的风洞才行。为此，激波风洞出现了。
激波是气体、液体或者固体介质中压力、密度或温度在波阵面上发生突跃变化的压缩波，在超声速流动、爆炸等过程中都会出现激波。至于激波管，简单来说就是两根管子，中间一个膜，串联在一起。膜的一边充高压气体，另一边充低压气体，膜一破，高压气体压缩低压气体，就会在低压气体里面产生一个运动的激波。这个激波可以将其扫过的气体加速、加压、升温，而且能力非常强，利用这种激波管连接喷管，就做成了激波风洞。
我国的JF12激波风洞
中国科学院力学研究所的高温气体动力学国家重点实验室，在2008年1月正式启动了“复现高超声速飞行条件激波风洞”项目，2012年该风洞研制成功并接受了验收，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、试验区尺寸等都处于国际领先水平，可以说是世界第一的高超声速激波风洞。