高超聲速飛行器：穿越云霄的“極速傳奇”

高超聲速飛行器——

穿越云霄的“極速傳奇”

■李海亮　 劉雪濤

人類(lèi)從未停止對(duì)速度的極致追求。

萊特兄弟首次駕馭飛機(jī)升空，把人類(lèi)自由翱翔天空的夢(mèng)想變成了現(xiàn)實(shí)；加加林首次乘坐飛船環(huán)繞地球飛行，揭開(kāi)了人類(lèi)探索宇宙奧秘的精彩序幕。

在飛機(jī)和飛船這兩個(gè)飛行高度之間，還有一個(gè)20至100公里的空白區(qū)。自然有其精妙的法則，什么樣的高度，就有什么樣的速度范圍與之相匹配。由此，誕生了一種新的飛行器——高超聲速飛行器。

俄羅斯“鋯石”?；叱曀傺埠綄?dǎo)彈（概念圖）。資料圖片

高超聲速飛行器，是指飛行速度遠(yuǎn)超聲速的飛行器。這個(gè)速度有多快呢？如果想從倫敦飛到悉尼（直飛航程約1.78萬(wàn)公里），目前的民航客機(jī)需要19小時(shí)，而高超聲速飛行器能將時(shí)間壓縮到3小時(shí)以?xún)?nèi)。

高超聲速飛行器自誕生以來(lái)，一直受到各國(guó)關(guān)注。前不久，美國(guó)白宮科技政策辦公室公布了2024年新版《關(guān)鍵與新興技術(shù)清單》，提出了18個(gè)重點(diǎn)關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域，高超聲速位列其中。

如何實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行？高超聲速飛行器需要突破哪些技術(shù)難點(diǎn)?世界各國(guó)發(fā)展應(yīng)用情況如何？請(qǐng)看解讀。

高超聲速飛行器面面觀

1946年，錢(qián)學(xué)森首次提出“高超聲速”這一概念。根據(jù)他的定義，當(dāng)飛行器的速度超過(guò)5馬赫（即聲速的5倍，約6120公里/小時(shí)）時(shí)，便可以被視為高超聲速飛行器。

高超聲速飛行器是什么樣的？依據(jù)技術(shù)原理和飛行樣式的不同，高超聲速飛行器可以分為：助推滑翔高超聲速飛行器、吸氣式高超聲速飛行器以及空天飛機(jī)等3種主要類(lèi)型。

助推滑翔高超聲速飛行器自身不攜帶持續(xù)飛行的動(dòng)力源，而是通過(guò)助推火箭達(dá)到高超聲速或從近地軌道離軌再入大氣層后，巧妙利用其乘波體或雙錐體氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)產(chǎn)生升力，在大氣層內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)距離高效滑翔飛行。美國(guó)的“高超聲速滑翔飛行器”（HTV-2）、“先進(jìn)高超聲速武器”（AHW）和俄羅斯的“先鋒”陸基洲際高超聲速導(dǎo)彈，都屬于助推滑翔高超聲速飛行器。目前，助推滑翔高超聲速飛行器有兩種彈道方案。

——桑格爾彈道。桑格爾彈道的工作原理類(lèi)似“打水漂”，呈現(xiàn)出跳躍滑翔的特點(diǎn)。飛行器被火箭送入亞軌道高度后，在大氣層邊緣跳躍滑翔，飛行軌跡上下波動(dòng)起伏，飛行路徑難以預(yù)測(cè)。

——錢(qián)學(xué)森彈道。錢(qián)學(xué)森彈道是一種近似平飛的助推－滑翔彈道。再入大氣層后，飛行器會(huì)依靠空氣動(dòng)力進(jìn)行平衡滑翔。這種彈道設(shè)計(jì)極大增加了飛行器的射程，降低了飛行過(guò)程中對(duì)飛行器壓力值的要求。

吸氣式高超聲速飛行器以自身攜帶的發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，其在大氣層內(nèi)的飛行全程可操控。與助推滑翔高超聲速飛行器相比，吸氣式高超聲速飛行器在強(qiáng)動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)下，具有更強(qiáng)的自主機(jī)動(dòng)能力，飛行軌跡更難預(yù)測(cè)。吸氣式高超聲速飛行器主要包括高超聲速巡航導(dǎo)彈和高超聲速飛機(jī)兩種類(lèi)型。

——高超聲速巡航導(dǎo)彈。與助推滑翔導(dǎo)彈相比，高超聲速巡航導(dǎo)彈可以更有效地打擊運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)，甚至能“繞過(guò)”障礙物來(lái)打擊目標(biāo)。它具有飛行速度快、突防能力強(qiáng)、打擊效能好等優(yōu)點(diǎn)，已成為實(shí)施現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)遠(yuǎn)程精確打擊的重要武器。目前，高超聲速巡航導(dǎo)彈正向著高速度、高精度、隱形化的方向發(fā)展。俄羅斯2023年列裝的“鋯石”?；叱曀傺埠綄?dǎo)彈，便是高超聲速巡航導(dǎo)彈的典型代表。“鋯石”最大射程為1000公里，可從護(hù)衛(wèi)艦、巡洋艦和潛艇上發(fā)射。

——高超聲速飛機(jī)。高超聲速飛機(jī)突破了現(xiàn)有飛機(jī)高度和速度的限制，具有可重復(fù)使用、寬速域飛行的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，目前正處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段。不少業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，高超聲速飛機(jī)會(huì)是未來(lái)飛行器技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。歐洲宇航局長(zhǎng)期致力于高超聲速飛機(jī)技術(shù)研究，其遠(yuǎn)景目標(biāo)是發(fā)展一型只需2到3小時(shí)就能從歐洲飛到亞洲和大洋洲的高超聲速民用飛機(jī)。

空天飛機(jī)能像普通飛機(jī)一樣在水平跑道上起飛。當(dāng)它上升到30至100公里的高空后，飛行速度就可達(dá)到驚人的12到25馬赫——這樣的速度足以讓它直接加速進(jìn)入地球軌道，轉(zhuǎn)變?yōu)楹教祜w行器。完成太空任務(wù)后，空天飛機(jī)又能重返大氣層，像普通飛機(jī)一樣在機(jī)場(chǎng)著陸，實(shí)現(xiàn)天地之間的自由往返。相較于其他類(lèi)型的高超聲速飛行器，空天飛機(jī)目前仍處于研究探索階段，技術(shù)還不是很成熟。美國(guó)的X-37B已經(jīng)在多次試驗(yàn)中驗(yàn)證了其長(zhǎng)期在軌飛行、軌道機(jī)動(dòng)、自主返回等方面的能力，被認(rèn)為是未來(lái)太空戰(zhàn)斗機(jī)的雛形。

“極速傳奇”面臨多重技術(shù)考驗(yàn)

高超聲速飛行器的魅力不僅在于其驚人的速度，更在于其背后所蘊(yùn)含的科技創(chuàng)新與突破。為了實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行，科研人員需要解決一系列復(fù)雜的技術(shù)難題，如動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)、制導(dǎo)與控制技術(shù)、新型材料和熱防護(hù)技術(shù)等。

動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)是讓飛行器疾馳如風(fēng)的“動(dòng)力源泉”。在高超聲速飛行器穿越云霄的征途中，動(dòng)力推進(jìn)技術(shù)就是打開(kāi)高速大門(mén)的金鑰匙。想象一下，讓一個(gè)重達(dá)數(shù)噸的飛行器在空氣稀薄的高空中以數(shù)倍聲速疾馳，需要多么強(qiáng)大的發(fā)動(dòng)機(jī)提供足夠的推力！目前，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是這一領(lǐng)域的明星技術(shù)，它可以在大氣中有效獲取氧氣，并且在高超聲速條件下穩(wěn)定燃燒。當(dāng)燃燒室內(nèi)氣流流速超過(guò)聲速時(shí)，會(huì)形成復(fù)雜的激波系，激波前后氣流狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生突變。在這種條件下點(diǎn)火并穩(wěn)定燃燒，好比在12級(jí)狂風(fēng)中點(diǎn)燃一根火柴。此時(shí)，常規(guī)的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)完全不能適用，只有超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)才能在極短時(shí)間內(nèi)將大量燃料轉(zhuǎn)化為推力，并讓飛行器加速穩(wěn)定在高超聲速。

制導(dǎo)與控制技術(shù)是確保飛行器精準(zhǔn)飛行的“智慧大腦”。當(dāng)高超聲速飛行器以極高速度穿越大氣層時(shí)，如何確保它能夠按照預(yù)定軌跡飛行，并準(zhǔn)確到達(dá)目的地？這就需要依靠制導(dǎo)與控制技術(shù)了。這項(xiàng)技術(shù)能夠在復(fù)雜的飛行環(huán)境中，實(shí)時(shí)計(jì)算飛行器的位置和速度，并隨時(shí)調(diào)整其飛行姿態(tài)。

想要保證地面操作人員對(duì)飛行器的穩(wěn)定控制，通信是關(guān)鍵。飛行器以高超聲速飛行時(shí)，周?chē)鷷?huì)產(chǎn)生等離子體鞘套，從而影響通信質(zhì)量?？茖W(xué)家正在通過(guò)研發(fā)先進(jìn)的通信技術(shù)解決這一問(wèn)題，確保飛行器在高速飛行中的通信暢通無(wú)阻。

新型材料和熱防護(hù)技術(shù)則為飛行器披上了“高溫鎧甲”。高超聲速飛行器在飛行過(guò)程中，會(huì)承受極高的溫度和壓力。為了確保飛行器能夠安全穿越大氣層，新型材料和熱防護(hù)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。新型材料能夠承受數(shù)千攝氏度的高溫，保護(hù)飛行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受損害，如超高溫陶瓷復(fù)合材料和高熵過(guò)渡金屬碳化物陶瓷。熱防護(hù)系統(tǒng)則通過(guò)多層材料和主動(dòng)冷卻技術(shù)，將飛行器表面的熱量迅速散發(fā)，確保飛行器在高溫環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。這些技術(shù)都可以讓飛行器在極端環(huán)境中“安穩(wěn)無(wú)憂(yōu)”。

極致的競(jìng)速，激烈的角逐

一些國(guó)家將高超聲速飛行器列為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域，紛紛根據(jù)本國(guó)技術(shù)實(shí)力和研發(fā)特點(diǎn)擬定發(fā)展計(jì)劃，力圖在未來(lái)激烈的戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)和軍事競(jìng)爭(zhēng)中搶占先機(jī)、贏得主動(dòng)。

美國(guó)一直在積極發(fā)展高超聲速武器作為其“常規(guī)快速全球打擊”計(jì)劃的一部分，可用于局部戰(zhàn)爭(zhēng)的中近程高超聲速武器更是其重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象?？傮w來(lái)看，美國(guó)高超聲速導(dǎo)彈譜系完備，既涵蓋了巡航導(dǎo)彈和助推滑翔導(dǎo)彈，又涵蓋了空基、陸基和海基等方式，有多個(gè)面向?qū)崙?zhàn)部署的高超聲速武器項(xiàng)目和前沿研究項(xiàng)目，投資金額達(dá)到百億美元。如美國(guó)陸軍的“遠(yuǎn)程高超聲速武器”項(xiàng)目、海軍的“常規(guī)快速打擊”項(xiàng)目、空軍的“空射快速反應(yīng)武器”項(xiàng)目等，都是研發(fā)的重點(diǎn)。不過(guò)，由于美軍在高超聲速武器發(fā)展上有些“好高騖遠(yuǎn)”和“互相掣肘”，目前這些項(xiàng)目都還處于原型樣機(jī)階段。

俄羅斯將高超聲速武器作為突破美國(guó)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)和保持與美國(guó)戰(zhàn)略平衡的重要手段。在“非對(duì)稱(chēng)”戰(zhàn)略牽引下，俄羅斯高度重視高超聲速導(dǎo)彈技術(shù)研發(fā)，將研制和部署高超聲速導(dǎo)彈列為《2018年至2027年國(guó)家武器裝備發(fā)展綱要》的重大優(yōu)先事項(xiàng)。目前，俄羅斯開(kāi)展了10多次飛行試驗(yàn)，已實(shí)現(xiàn)“匕首”“先鋒”“鋯石”三型高超聲速武器的部署列裝，“匕首”高超聲速導(dǎo)彈已完成實(shí)戰(zhàn)化運(yùn)用。

此外，法國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、德國(guó)、日本、印度、伊朗等國(guó)家也正在穩(wěn)步開(kāi)展高超聲速導(dǎo)彈研制工作。2023年，法國(guó)成功測(cè)試V-MAX高超聲速導(dǎo)彈，成為歐盟首個(gè)掌握高超聲速技術(shù)的國(guó)家；英國(guó)持續(xù)推進(jìn)高超聲速動(dòng)力技術(shù)攻關(guān)，并在全尺寸“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷卻器技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)重大突破；澳大利亞利用與美國(guó)合作的“南十字星綜合飛行研究實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，發(fā)展高超聲速吸氣式武器技術(shù)；德國(guó)通過(guò)參與歐盟ATLLAS II項(xiàng)目，設(shè)計(jì)和試驗(yàn)高超聲速飛行器；日本大力推進(jìn)“高超聲速巡航彈”和“超高速滑翔彈”項(xiàng)目……

除了滿(mǎn)足軍事需求，高超聲速飛行器還能在民用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。航空運(yùn)輸方面，高超聲速飛行器可以大幅縮短旅行時(shí)間，實(shí)現(xiàn)“天涯若比鄰”的美好愿景。美國(guó)波音公司、歐洲宇航局等先后推出了高超聲速客機(jī)的概念及相關(guān)技術(shù)方案。英國(guó)一家公司正在研發(fā)全電及混合電力推進(jìn)的高超聲速民用飛機(jī)。俄羅斯正致力于開(kāi)發(fā)一款全新的高超聲速貨運(yùn)無(wú)人機(jī)，其以液態(tài)氫為燃料，能以驚人的15馬赫速度飛行——這意味著它幾乎可以在極短時(shí)間內(nèi)跨越大洲大洋，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)快速貨運(yùn)。

展望未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，高超聲速飛行器將在更多領(lǐng)域展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和價(jià)值。