高超聲速飛行，航空航天的未來之路？

在高超聲速飛行中，與亞音速和超音速飛行相比，空氣動力學效應更加複雜。高超聲速飛行器在飛行過程中會遇到多個重要的力學問題。

一項重要的力學問題是飛行器所受到的熱負荷。高超聲速飛行器在高速飛行中會產生巨大的氣動加熱。當高超聲速飛行器飛行時，它會壓縮和加熱周圍的空氣，導致氣體分子之間的碰撞變得更加頻繁和劇烈，從而增加了氣體分子的能量和溫度。此外，高超聲速飛行器在飛行過程中還會面臨摩擦加熱的問題。當飛行器以高速飛行時，與周圍空氣接觸的表面會因為摩擦而產生熱量。高超聲速飛行器前部的駐點溫度隨馬赫數的二次方增大，如果在60km海拔的高空飛行，當馬赫數為10，駐點溫度將是來流溫度的20倍，來流溫度估計為200K，此時的駐點溫度約為幾千K。

這種氣動熱問題對飛行器的設計和材料選擇提出了挑戰，飛行器的結構材料需要具備優異的熱穩定性和強度。為了應對這個問題，研究人員通常採用一些熱防護措施，如使用碳纖維復合材料和耐高溫合金材料、設計冷卻系統或採用隔熱層等，以確保飛行器的安全運行。

第二個問題就是氣動外形的設計。這類飛行器外形扁平，與長久以來人們對於火箭、飛彈或飛機那種相對飽滿、勻稱、流線型外形的認識，有較大差別。目前世界上可見的高超聲速飛行器都是扁平的，它們的機翼都比較小，下表面很平坦。這是一種被稱作「乘波體」的飛行器。它不像常規飛機那樣，主要靠機翼的升力漂浮在空中。乘波體的升力來源主要是依靠在飛行器頭部形成的附體激波在飛行器下表面所產生的壓力。它就像「騎乘」在激波上飛馳向前。

這種設計方式經過科學驗證，對於提高飛行器在高超聲速環境下的效能，發揮了巨大的作用。增升減阻設計是高超聲速飛行器氣動布局優化的主要目標之一。一方面使飛行器獲得較大的升質比，提高滑翔高度，降低表面熱環境，減輕防熱壓力，減輕防熱重量；另一方面獲得較大的升阻比，增大滑翔距離與射程。

高超聲速飛行器還面臨的巨大難題就是動力問題。正所謂「只要發動機推力足夠，板磚都能上天」，然而想要獲得高超聲速飛行所需的推力並不是一件容易的事。作為飛機的心臟，發動機不僅是飛機飛行的動力，也是促進航空事業發展的重要推動力，人類航空史上的每一次重要變革都與航空發動機的技術進步密不可分。

噴氣發動機（Jet Engine）是一種常見的航空發動機類型，它通過將空氣壓縮、加熱、燃燒和噴出產生推力。幾乎所有的噴氣發動機都是依靠高速噴射推進劑，通過牛頓第三定律產生的推力來做功的。

渦噴發動機的主要組成部分包括壓氣機、燃燒室、渦輪和噴管。進入渦噴發動機的空氣首先經過壓氣機進行壓縮，然後進入燃燒室與燃料混合併燃燒。燃燒產生的高溫高壓氣體通過渦輪驅動壓氣機和燃料噴射器，最後通過噴管噴出，產生推力。渦噴發動機適用於小馬赫數超聲速飛行。

渦輪噴氣發動機

在超音速飛行時，在進氣道前和進氣道內氣流速度減至亞音速，此時氣流的滯止可使壓力升高十幾倍甚至幾十倍，大大超過壓氣機中的壓力提高倍數，因而產生了單靠速度衝壓，不需壓氣機的衝壓噴氣發動機。

(a)渦輪噴氣發動機，(b) 亞燃衝壓發動機，(c)超燃衝壓發動機

衝壓發動機的技術原理並不是在現有航空發動機基礎上發展而來的，而是幾乎與現有航空發動機並行發展的另一條技術路線。衝壓發動機在發展之初，不再使用任何渦輪風扇提高燃燒室內的空氣壓力，簡單的設計結構也避免了增壓渦輪對於提升速度的限制。因此，衝壓發動機首先實現了將飛行器的速度由渦噴發動機時代的3馬赫提高到了3.5-4馬赫。

但是，在衝壓發動機誕生之初，機身前部和進氣道壓縮斜板產生激波，受此影響，空氣將在激波後減速至亞音速狀態，形成高溫高壓的氣團，這對結構件造成了較大的強度和溫度載荷負擔。這將衝壓發動機性能制約在6馬赫以下。

超燃衝壓發動機是衝壓發動機的一種變體，其中燃燒發生在超音速氣流中。與衝壓發動機一樣，超燃衝壓發動機依靠高速度在燃燒前強力壓縮進入的空氣，但衝壓發動機在燃燒前使用衝擊錐將空氣減速到亞音速，而超燃衝壓發動機沒有衝擊錐來減速空氣，而是使用其點火源產生的衝擊波代替衝擊錐來減慢氣流。這使得超燃衝壓發動機能夠以極高的速度高效運行。

使用超燃衝壓發動機的飛行器可以大大減少從一個地方到另一個地方的旅行時間，有可能在90分鐘的飛行時間內達到地球上任意一個地方，所以在未來超燃衝壓發動機可以應用在超音速旅行中。

高超聲速飛行器用于軍事具有以下優點：

一是航速快，全球抵達。高度信息化、高度智能化是未來戰爭的特點，未來的空中打擊主要依靠高度和速度取勝，而高超聲速飛行器能在兩小時內攻擊全球任何地方的任何目標。

二是突防能力強，探測、攔截難。空中目標的運動速度直接決定其通過敵方防禦體系作戰空域的時間，對突防機率影響極大。高超聲速飛行器飛行速度快，可有效縮短對目標的反應時間，回波積累數量少，常規雷達的探測能力明顯降低，造成探測高超聲速空中目標的難度加大。同時，現有地面防空武器系統方向轉動機構的轉動速度慢，不能有效跟蹤瞄準目標，因此高超平台的突防機率高。

三是射程遠，威力大。目前各國在研的高超聲速飛彈射程都有幾百千米、幾千千米，且高超聲速飛行器飛行時動能大，若與亞聲速飛行器採用同等質量的戰鬥部，其所能產生的破壞力更大。

/ 進展

美國發展高超聲速飛機已二十餘年，近年來逐步由關鍵技術探索研究拓展到高超聲速飛機設計及驗證。目前美國在研高超聲速飛機概念有：2013年洛馬公司提出的SR-72高超聲速偵察機項目，2018年波音公司提出的高超聲速客機和「女武神」軍用飛機項目，2019年赫米爾斯公司提出的「夸特馬」高超聲速飛機項目，2021年NASA牽頭髮展的「蒼穹」以及2022年提出的「觀星者」高超聲速飛機。從項目的進展來看，美國高超聲速飛機技術發展順利。

1 維納斯航空公司披露馬赫數9高超聲速飛機概念

2022年6月，維納斯航空航天公司披露的「觀星者」高超聲速飛機概念是一種速度達馬赫數9的高超聲速飛機，可實現從美國飛往日本只需1h的願景。

維納斯航空航天公司稱，「觀星者」採用新穎的外觀設計、下一代發動機技術以及先進的冷卻裝置。目前，已生產了一個發動機原型，並利用高超聲速風洞和推進試驗設施進行了多次地面試驗，在休斯頓太空港也開展了一次地面試驗；按照計劃，將在2023年啟動亞聲速和超聲速縮比無人飛行器的飛行試驗。

馬赫數 9高超聲速飛機概念圖

2 NASA啟動高超聲速飛機

2021年2月，NASA向通用電氣公司授出總金額不超過1300萬美元，為期5年的研發合同，為「蒼穹」高超聲速飛機研發TBCC和耐高溫陶瓷基復合材料。

根據合同要求，通用電氣公司需要研究並分析F101渦扇發動機能否適用於「蒼穹」高超聲速飛機。NASA認為，F101可將「蒼穹」高超聲速飛機加速至衝壓發動機接力的速度。F101相對較高的涵道比可使大多數流動在被節流時繞過核心機，避免其壓氣機和渦輪的工作溫度超過極限。

此外，材料研究將主要涉及由碳化矽/碳化矽（SiC/SiC）和碳/碳化矽（C/SiC）製成的耐高溫、輕質陶瓷基復合材料。其中C/SiC主要用於高超聲速飛機結構，如舵面、前緣、機頭和飛機外殼等，SiC/SiC材料則計劃用於高速渦輪發動機。

3 「夸特馬」高超聲速飛機

2019年5月，赫米爾斯公司公開披露「夸特馬」高超聲速飛機研發項目，旨在充分利用現有和短期內可實現的技術，研製一型巡航馬赫數5、載客約20人、航程7400 km的高超聲速飛機。

「夸特馬」高超聲速飛機採用大後掠三角翼布局，機體長細比較大，前機身與進氣道高度融合。飛機採用的TBCC發動機由現貨渦輪發動機（GE公司的J85-21）、一個自主研發的預冷裝備（位於進氣道出口和渦輪壓氣機入口之間）和衝壓發動機組成。利用渦噴發動機將飛機從靜止加速到馬赫數3.3，衝壓發動機從馬赫數2.8~3.0開始工作，直至將飛機加速到馬赫數5。

2020年3月，「夸特馬」的TBCC縮比發動機完成靜態和高速（馬赫數5）試驗。2020年10月，融資1600萬美元，用於改進飛機設計，將其發動機原型擴大到全尺寸並進行地面試驗。2021年11月，公司正式推出「夸特馬」全尺寸原型機。

此前，2021年7月30日，赫米爾斯公司曾獲得美空軍一份總額6000萬美元、為期三年的研發合同，要求完成一型渦輪基組合循環發動機（TBCC）的飛行驗證和3架「夸特馬」高超聲速飛機驗證機的研製試飛。這是美空軍近十餘年以來首個資助的高超聲速飛機研製項目，也是美國工業部門正式獲得軍方投資開展的高超聲速飛機驗證機研製項目。2022年3月，赫米爾斯公司進行了1億美元B輪融資，用於「夸特馬」高超聲速原型機設計、試驗和生產，其中包括來自雷錫恩公司的資金。

各方資金的介入，保證了「夸特馬」的研發進度。根據赫米爾斯公司的官網，「夸特馬」高超聲速飛機的首飛計劃在2023年進行。

「夸特馬」高超聲速飛機的概念圖

4 波音公司披露「女武神」高超聲速飛機疊代研究成果

2018年1月，在AIAA SciTech 2018會議上波音公司公開了「女武神」高超聲速飛機的概念方案，並展示了驗證機模型。該飛機可用于軍事和太空發射任務。

2022年1月，在聖地亞哥舉行的美國航空航天學會會議上，波音公司展出了多次疊代修訂後的「女武神」高超聲速飛機模型。2018版的「女武神」外形與20世紀80年代「國家空天飛機計劃」（NASP）的飛機非常類似，採用尖機頭，機身下方有二維矩形進氣道設計；而新版的機形更具「乘波體」特徵，機頭鈍化，頂部扁平，進氣道呈圓形且貫穿飛機全長。

波音公司稱，在過去的數年間，他們不斷改進「女武神」飛機設計方案，開發創新的集成解決方案，發展關鍵技術，包括推進、熱、材料、制導、導航與控制以及機體/推進一體化等。

「女武神」高超聲速飛機模型

美國高超聲速領域的權威領軍人物馬克·J·劉易斯認為，雖然「女武神」採用的乘波體氣動外形與其他高超聲速概念一致，但曲柄箭翼面及其與機身的階梯式連接方式具有的優勢特點，可能有助於飛行器獲得較好的亞聲速或跨聲速的控制和性能。美國大量的設計疊代表明，選擇新構型最重要的驅動因素實際上並不是高超聲速性能，而是跨聲速性能。因為不同的高超聲速（氣動）外形，一旦進入高馬赫範圍，性能均類似，而真正的問題是，當達到馬赫數1時，阻力有多大，能否使飛行器以高超聲速的（氣動）外形跨過馬赫數1。

此外，劉易斯認為，從二維進氣道變為橢圓形或圓形的三維進氣道，與其他高超聲速技術的工作相吻合。當流經進氣道的空氣量一定時，圓形比方形具有更小的表面積；且圓形進氣道內壁受到的壓力負載較二維進氣道的小。

來源：力學科普，海鷹資訊，航空製造網

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