21世纪各超级大国为追求高超音速而做的事-电子发烧友网

为什么世界各国的军队都想要能在低空沿着不规则路径以5倍音速飞行的导弹？原因很明显——为了避开一切探测或拦截。美国马里兰州约翰斯霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的高超音速专家布拉德利•惠顿（Bradley Wheaton）说：“可以把它想象成送披萨，只不过它送的不是披萨而已。

在美国，导弹只要15分钟就能覆盖东海岸；一枚真正快速的导弹20分钟就能到达西海岸。在这样的速度下，每单位时间所覆盖的面积系数会增加50。”所以，问题不在于大国为什么都追求高超音速武器，而在于他们为什么现在追求。原因就在于大国再次陷入军备竞赛。

2018年3月俄罗斯总统普京发表的演讲让世界广大地区的人们第一次听说了这种武器，演讲中描述了俄罗斯的核动力巡航导弹计划，该导弹能够以令人目眩的速度在世界各地飞行，然后在山丘和山谷间蜿蜒飞向目标。他大胆的言论（尤其是关于核能的部分）受到了质疑。1年后，俄罗斯北部海岸的一处试验场附近发生核事故，造成7人死亡，美国情报官员推测这可能与高超音速试验有关。

事故的性质现在仍然是个谜，但高超音速方面的研究工作明显增多。以下综述了21世纪各超级大国为追求高超音速而做的事，虽然高超音速并不是一个新理念。

显然，中国和俄罗斯正在使用或正在测试的高超音速导弹可以携带瞄准舰船和其他小型军事目标的常规弹头，不过，让防御者没有足够时间发动报复性打击的高超音速核导弹将更能改变力量平衡，因为它将摧毁人们辛辛苦苦构建起来的威慑系统，即“相互保证毁灭”，缩写比较滑稽——“MAD”。

得克萨斯大学圣安东尼奥分校的机械工程教授克里斯托弗•康姆斯（Christopher Combs）说：“核问题是个非常不稳定的因素，因此俄国人会追捧它，但在美国方面，我们认为没有必要这样做，所以我们追求常规武器。”

这确实是美国的官方政策。不过，2020年8月，也就是在康姆斯接受本刊访问后的几个月，《航空周刊》（Aviation Week）的一篇文章指出，一个负责核武器的空军机构向各大公司征询想法，寻求“能够支持高超音速滑翔器达到洲际弹道导弹（ICBM）射程的热防护系统”。不过很快这一征询被匆匆撤下，美国空军不得不重申其政策，即不发展具有核能力的高超音速武器。

如今各国对高超音速研究的探索有着很深的渊源，可以追溯到20世纪50年代末的美国和苏联。尽管这项工作持续了几十年，但在1994年，也就是冷战结束苏联解体几年后，美国停止了对高超音速飞行的研究，包括其最后一个也是最大的项目——罗克韦尔X-30（Rockwell X-30）。绰号“东方快车”的X-30本来是一个载人运输工具，最高时速是音速的25倍，达到25马赫，足以从华盛顿特区起飞2小时后降落在东京。20世纪90年代，俄罗斯经济一蹶不振，也停止了这方面的研究。

莫斯科物理技术学院教授、边界层高超音速流专家亚历山大•费德洛夫（Alexander Fedorov）解释说，今天的试验飞行器只是在前人停下的地方继续前进。他说：“现在飞行的飞行器只是技术展示，其科学已有30年历史了。”

费德洛夫曾在美国讲学；他甚至指导过美国研究生的研究。他对军备竞赛扼杀了国际合作感到遗憾，并表示他本人对普京两年前鼓吹的军事项目“一无所知”。“但我知道人们正在从事这方面的工作。”他补充道。

费德洛夫说，在新的竞赛中，俄罗斯有经验但没有多少资金，中国有资金却没有太多经验，而美国两者都有。尽管美国恢复研究的时间比俄罗斯和中国都晚，但现在正在迎头赶上。2021财年，美国研究机构为所有高超音速武器研究编列了32亿美元的预算，高于前一年的26亿美元。

印度和澳大利亚也在开展其他项目；甚至以色列和伊朗也作为旁观者参加了这场竞赛。费德洛夫认为中国值得关注。他说，中国过去常在国际会议上发言，但现在大多数时候只是在听，所以我们会猜测中国是不是真的开始研究新想法了，而且他重申，中国展示出来的想法很少很少。所有竞赛国展示的飞行器都“非常保守”，他说。

激进设计稀有的一个原因是研究开支巨大。工程师们只能通过在地面上进行测试、使用计算流体流动模型和高超音速风洞来学习到这些东西，而这些的成本都是非常高的（并且只能模拟高超音速飞行的一些有限的方面）。工程师们需要让自己发明的飞行器试飞，而且通常试飞的时候，他们会用尽测试飞行器。这使得设计迭代非常昂贵。

高超音速原型机经常失败，这不足为奇。仅仅在超音速飞行中，超过1马赫很容易分辨：飞机超过它传给空气的声波，产生一个冲击波，形成我们熟悉的两拍音爆。不过，当飞行器超过5马赫时，冲击波后面的空气密度就会降低，从而使冲击波在飞行器表面聚集。这一有别于传统的边界层不会产生空气动力学问题，当它光滑平稳时甚至可能是一个优势，但它会在一瞬间变成汹涌的湍流。

“很难预测它何时会变成湍流。”约翰斯•霍普金斯APL的惠顿说，“预测这一点很重要，因为当它变得汹涌时，温度会升高，会影响控制面如何控制方向。此外，还有更多阻力。”

高超音速飞行的先驱们以惨痛的方式认识了湍流。在1967年的一次飞行中，美国空军X-15高超音速试验飞机发生旋转，飞行员迈克尔•J.亚当斯（Michael J. Adams）丧生。他确实是真正的“太空英雄”。

高超音速导弹有两种类型。第一种是用弹道导弹的尖端发射到太空，冲入大气层，然后利用动量进行机动飞行。这种“助推滑翔”导弹没有喷气发动机，所以不需要进气口，因此其造型很容易实现对称，它通常是一个带有锥形尖端的管状物。导弹外皮的每一部分都同等程度地暴露在空气中，在这种速度下，空气会分解成等离子体羽流，就像使宇航员在重返大气层时保持无线电静默的羽流一样。

助推滑翔导弹现在已在使用中。中国似乎部署了第一款这种导弹——东风-17，它是一种携带滑翔飞行器的弹道导弹。据说其中一些滑翔导弹能够击溃美国海军的超级航母。在这样的任务中，它不需要携带核弹头，甚至不需要携带常规弹头，而是依靠其巨大的动能来摧毁目标。现在任何一个国家都无法抵御它。

美军参谋长联席会议主席马克•米利（Mark Milley）将军今年2020月在国会作证时说：“这些事情发展得太快了，你永远追不上。”

你可能会觉得从弹道开始就没了惊喜，但事实并不完全如此。一旦高超音速导弹从俯冲变为水平飞行，它就对稀疏排列的雷达隐形了，特别是太平洋上零星的雷达。平坦的飞行路线可以使其发生很大转向。这并不是任何人工智能管理产生的魔术——飞行器只是遵循预先编程的一套随机转弯规则，但这对防御者的影响是一样的：他们还没找到钱包，披萨就已经送到了。

第二种高超音速导弹的主要动力来自喷气发动机，它能够非常快速地吸入空气，将空气与燃料一起旋转，在燃烧室停留的瞬间燃烧混合物，然后将其作为废气喷出去。因为这些发动机不需要压缩机，而只是利用向前运动的力量将空气压入内部，而且燃烧是以超音速进行的，所以它们被称为“超音速燃烧冲压发动机”，简称“超燃冲压发动机”（scramjet）。

与助推滑翔导弹相比，超燃冲压发动机的一个优势是它能够保持在雷达视线外，同时继续进行远距离机动，直到到达目标。此外，由于它从不进入外太空，所以不需要乘坐火箭助推器，不过它需要一些强大的助力才能先达到冲压喷气发动机的工作速度，然后达到超燃冲压发动机的工作速度。

超燃冲压发动机的另一个优势在于，它原则上可以用于民用目的，运送必须迅速到达的人员或包裹。欧洲有这样一个项目，中国也有，而且波音公司已经展示了一款概念机。每个人都在谈论这种可能性，因为坦率地说，这是有关高超音速飞行技术唯一的和平话题。不过，别忘了，很久以前发生的那次超音速商业飞行没赚到钱就结束了，而且，超音速飞行容易得多。

超燃冲压发动机有一个很大的缺点：技术难度很大。任何高超音速飞行器都必须抵挡外部快速移动的空气，空气会将前缘加热到3 000摄氏度。这种高温和压力与超燃冲压发动机内的“地狱之火”完全不同。在内部，热量无法散发，很难让火焰保持燃烧状态，内部会逐渐熄灭，从而影响气流和稳定性。对它来说，五分钟已经是很长的时间了。

正是因为如此，超燃冲压发动机虽然诞生于20世纪50年代，但相关技术仍在研究中。21世纪初，美国国家航空航天局（NASA）的X-43在飞行中使用了大约10秒的超燃冲压发动机。2013年，波音公司的X-51乘波体（Waverider）在超燃冲压发动机动力下以高超音速飞行了210秒。

地面测试则取得了较好的进展。据《南华早报》报道，2020年5月，中国科学院的工作人员操作超燃冲压发动机运行了10分钟。两年前，该项目的负责人范学军告诉《南华早报》，他们正在建造一家工厂，目的是生产各种各样的超燃冲压发动机，其中一些据说是民用发动机。发动机将采用联合循环方式，还有一台用于起飞的涡轮喷气发动机、一台用于加速到接近高超音速的冲压喷气发动机、一台速度超过5马赫的超燃冲压发动机，甚至可能还有补充推力的火箭。这需要很多活动部件，其雄心可与埃隆•马斯克媲美。不过，即便是马斯克也可能对普京提出的利用核反应堆生产能源的提议犹豫不决。

开发超燃冲压发动机的成本只是经济挑战的一部分。另一项挑战是降低发动机价格，使其便宜到可以按常规方式部署和使用。要做到这一点，我们需要可以依赖的燃料。早期的研究人员研究了一类在接触空气时会发生反应的高能燃料，比如三乙基铝。

约翰斯霍普金斯大学应用物理实验室的大卫•范•维（David Van Wie）解释了为什么没有认真考虑三乙基铝：“这是一种非常棒的超燃冲压发动机燃料，但其毒性非常强，有点像现在火箭中使用的联氨燃料，这成为了一个阻碍因素。”

此外还有液氢，它非常活泼，但需要复杂的冷却。更糟糕的是，在给定体积内，它压缩的能量相当少，而且作为低温燃料，它不便于储存和运输。液氢一直被用于试验性导弹，如X-43。

如今，实际导弹中采用的是碳氢化合物，它与喷气燃料属于同类，但更加昂贵。与世界上其他国家一样，中国燃烧了10分钟的超燃冲压发动机采用的也是碳氢化合物。其中的问题在于，如何快速分解碳氢化合物的长分子链，以便分子在物质相遇并结合时，在分解的瞬间与氧气结合，然而，仅仅一瞬间是不够的，我们需要不断这样做，维持一个又一个的瞬间，正如人们常引用的2004年NASA发言人加里•克里奇（Gary Creech）说的那句话：“就像让一根火柴在飓风中保持不灭一样。”

超燃冲压发动机的设计是想通过塑造流入的几何结构来产生涡流，从而保护火焰，形成一个类似飓风眼的无风区。导弹开始飞行，扰乱气流时，燃烧中断是个特别令人担忧的问题。“这是一种‘未启动’现象，进气口处的冲击波会使发动机停止运转，飞行器就会失去动力。”图拉荷马田纳西大学太空研究所的研究员约翰•D.史密瑟（John D. Schmisseur）说。这是只有在实际飞行中才会遇到的麻烦，他补充道。

吸入龙卷风时，除了熄火之外还有其他问题。一位要求匿名的专家这样说：“如果你吸入的是空气，那它就不再是空气了；而是电离空气的复杂混合物。现在没有水了，全是氢和氧，并且氮是部分元素，而不是分子。所以燃烧不是空气和燃料产生的，而是你吸入的任何东西，无论它是什么，也就是说进气口的化学物质才重要。”

化学反应模拟是高超音速风洞试验易出问题的地方。机翼对5马赫的空气动力学反应很容易看出来，只需冷却空气，音速就会下降，给定的空速会带来更高的马赫数。不过吹冷空气只是问题的一小部分，因为它阻止了你想研究的所有化学反应。诚然，我们也可以以快速、高温和密集的方式运行风洞（用专门术语来说，就是“高焓”风洞），但是很难让漩涡持续超过几毫秒。

“获得足够快的空速以启动化学反应，而反应会消耗能量。”同样在田纳西大学太空研究所工作的航空航天专家马克•格拉斯顿（Mark Gragston）说。使用这样的怪物机器也不容易。“在我对面的阿诺德空军基地，空军在做高焓风洞实验。”他说，“这些风洞提前3年就订满了。”

其他国家有更多必要的风洞，甚至印度也有十几个。现在，美国正在花费大量资金建造这些机器以赶上俄罗斯和中国。可以说，现在存在风洞缺口，这也是美国研究人员热衷于试飞的另一个原因。

另一件有关冷却空气的事是：它对任何内燃机都有奇效，包括推动活塞的内燃机。英国阿宾顿的反应引擎公司（Reac tion Engines）似乎是第一家尝试在飞行中应用这种现象的企业，该公司使用了一种特殊的预冷装置。在其不那么雄心勃勃的计划中，预冷器位于标准涡轮喷气发动机的进气口前面，提高了功率和效率。在其更具雄心的概念机（协同吸气式火箭发动机，SABRE）中，发动机以联合模式工作：它作为涡轮喷气发动机在预冷器的辅助下起飞并加速，直到冲压喷气发动机可以启动，从而增加足够的推力达到（但不超过）5马赫。接下来，随着飞行器爬升，大气层变薄，发动机切换到纯火箭模式，最终将有效载荷送入轨道。