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

人類從未停止對速度的極致追求。

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

在飛機和飛船這兩個飛行高度之間，還有一個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棧ǜ拍顖D）。資料圖片

高超聲速飛行器，是指飛行速度遠超聲速的飛行器。這個速度有多快呢？如果想從倫敦飛到悉尼（直飛航程約1.78萬公里），目前的民航客機需要19小時，而高超聲速飛行器能將時間壓縮到3小時以內(nèi)。

高超聲速飛行器自誕生以來，一直受到各國關(guān)注。前不久，美國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個重點關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域，高超聲速位列其中。

如何實現(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?世界各國發(fā)展應(yīng)用情況如何？請看解讀。

高超聲速飛行器面面觀

1946年，錢學森首次提出“高超聲速”這一概念。根據(jù)他的定義，當飛行器的速度超過5馬赫（即聲速的5倍，約6120公里/小時）時，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等3種主要類型。

助推滑翔高超聲速飛行器自身不攜帶持續(xù)飛行的動力源，而是通過助推火箭達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外形設(shè)計產(chǎn)生升力，在大氣層內(nèi)進行遠距離高效滑翔飛行。美國的“高超聲速滑翔飛行器”（HTV-2）、“先進高超聲速武器”（AHW）和俄羅斯的“先鋒”陸基洲際高超聲速導彈，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似“打水漂”，呈現(xiàn)出跳躍滑翔的特點。飛行器被火箭送入亞軌道高度后，在大氣層邊緣跳躍滑翔，飛行軌跡上下波動起伏，飛行路徑難以預測。

——錢學森彈道。錢學森彈道是一種近似平飛的助推－滑翔彈道。再入大氣層后，飛行器會依靠空氣動力進行平衡滑翔。這種彈道設(shè)計極大增加了飛行器的射程，降低了飛行過程中對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)動機為動力源，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動力源的驅(qū)動下，具有更強的自主機動能力，飛行軌跡更難預測。吸氣式高超聲速飛行器主要包括高超聲速巡航導彈和高超聲速飛機兩種類型。

——高超聲速巡航導彈。與助推滑翔導彈相比，高超聲速巡航導彈可以更有效地打擊運動中的目標，甚至能“繞過”障礙物來打擊目標。它具有飛行速度快、突防能力強、打擊效能好等優(yōu)點，已成為實施現(xiàn)代戰(zhàn)爭遠程精確打擊的重要武器。目前，高超聲速巡航導彈正向著高速度、高精度、隱形化的方向發(fā)展。俄羅斯2023年列裝的“鋯石”海基高超聲速巡航導彈，便是高超聲速巡航導彈的典型代表?！颁喪弊畲笊涑虨?000公里，可從護衛(wèi)艦、巡洋艦和潛艇上發(fā)射。

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

空天飛機能像普通飛機一樣在水平跑道上起飛。當它上升到30至100公里的高空后，飛行速度就可達到驚人的12到25馬赫——這樣的速度足以讓它直接加速進入地球軌道，轉(zhuǎn)變?yōu)楹教祜w行器。完成太空任務(wù)后，空天飛機又能重返大氣層，像普通飛機一樣在機場著陸，實現(xiàn)天地之間的自由往返。相較于其他類型的高超聲速飛行器，空天飛機目前仍處于研究探索階段，技術(shù)還不是很成熟。美國的X-37B已經(jīng)在多次試驗中驗證了其長期在軌飛行、軌道機動、自主返回等方面的能力，被認為是未來太空戰(zhàn)斗機的雛形。

“極速傳奇”面臨多重技術(shù)考驗

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

動力推進技術(shù)是讓飛行器疾馳如風的“動力源泉”。在高超聲速飛行器穿越云霄的征途中，動力推進技術(shù)就是打開高速大門的金鑰匙。想象一下，讓一個重達數(shù)噸的飛行器在空氣稀薄的高空中以數(shù)倍聲速疾馳，需要多么強大的發(fā)動機提供足夠的推力！目前，超燃沖壓發(fā)動機是這一領(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。當燃燒室內(nèi)氣流流速超過聲速時，會形成復雜的激波系，激波前后氣流狀態(tài)會產(chǎn)生突變。在這種條件下點火并穩(wěn)定燃燒，好比在12級狂風中點燃一根火柴。此時，常規(guī)的發(fā)動機技術(shù)已經(jīng)完全不能適用，只有超燃沖壓發(fā)動機才能在極短時間內(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。

制導與控制技術(shù)是確保飛行器精準飛行的“智慧大腦”。當高超聲速飛行器以極高速度穿越大氣層時，如何確保它能夠按照預定軌跡飛行，并準確到達目的地？這就需要依靠制導與控制技術(shù)了。這項技術(shù)能夠在復雜的飛行環(huán)境中，實時計算飛行器的位置和速度，并隨時調(diào)整其飛行姿態(tài)。

想要保證地面操作人員對飛行器的穩(wěn)定控制，通信是關(guān)鍵。飛行器以高超聲速飛行時，周圍會產(chǎn)生等離子體鞘套，從而影響通信質(zhì)量?？茖W家正在通過研發(fā)先進的通信技術(shù)解決這一問題，確保飛行器在高速飛行中的通信暢通無阻。

新型材料和熱防護技術(shù)則為飛行器披上了“高溫鎧甲”。高超聲速飛行器在飛行過程中，會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，新型材料和熱防護技術(shù)應(yīng)運而生。新型材料能夠承受數(shù)千攝氏度的高溫，保護飛行器內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受損害，如超高溫陶瓷復合材料和高熵過渡金屬碳化物陶瓷。熱防護系統(tǒng)則通過多層材料和主動冷卻技術(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)定運行。這些技術(shù)都可以讓飛行器在極端環(huán)境中“安穩(wěn)無憂”。

極致的競速，激烈的角逐

一些國家將高超聲速飛行器列為重點發(fā)展領(lǐng)域，紛紛根據(jù)本國技術(shù)實力和研發(fā)特點擬定發(fā)展計劃，力圖在未來激烈的戰(zhàn)略競爭和軍事競爭中搶占先機、贏得主動。

美國一直在積極發(fā)展高超聲速武器作為其“常規(guī)快速全球打擊”計劃的一部分，可用于局部戰(zhàn)爭的中近程高超聲速武器更是其重點發(fā)展對象?？傮w來看，美國高超聲速導彈譜系完備，既涵蓋了巡航導彈和助推滑翔導彈，又涵蓋了空基、陸基和?；确绞?，有多個面向?qū)崙?zhàn)部署的高超聲速武器項目和前沿研究項目，投資金額達到百億美元。如美國陸軍的“遠程高超聲速武器”項目、海軍的“常規(guī)快速打擊”項目、空軍的“空射快速反應(yīng)武器”項目等，都是研發(fā)的重點。不過，由于美軍在高超聲速武器發(fā)展上有些“好高騖遠”和“互相掣肘”，目前這些項目都還處于原型樣機階段。

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

此外，法國、英國、澳大利亞、德國、日本、印度、伊朗等國家也正在穩(wěn)步開展高超聲速導彈研制工作。2023年，法國成功測試V-MAX高超聲速導彈，成為歐盟首個掌握高超聲速技術(shù)的國家；英國持續(xù)推進高超聲速動力技術(shù)攻關(guān)，并在全尺寸“佩刀”發(fā)動機預冷卻器技術(shù)方面實現(xiàn)重大突破；澳大利亞利用與美國合作的“南十字星綜合飛行研究實驗”項目，發(fā)展高超聲速吸氣式武器技術(shù)；德國通過參與歐盟ATLLAS II項目，設(shè)計和試驗高超聲速飛行器；日本大力推進“高超聲速巡航彈”和“超高速滑翔彈”項目……

除了滿足軍事需求，高超聲速飛行器還能在民用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。航空運輸方面，高超聲速飛行器可以大幅縮短旅行時間，實現(xiàn)“天涯若比鄰”的美好愿景。美國波音公司、歐洲宇航局等先后推出了高超聲速客機的概念及相關(guān)技術(shù)方案。英國一家公司正在研發(fā)全電及混合電力推進的高超聲速民用飛機。俄羅斯正致力于開發(fā)一款全新的高超聲速貨運無人機，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間內(nèi)跨越大洲大洋，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)快速貨運。

展望未來，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)出其獨特的優(yōu)勢和價值。