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高超聲速飛行
（2005年09月10日 11:58）
來源︰《太空探索》
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□作者: 黃志澄
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3月27日，美國東部標準時間中午12時40分，一架B-52轟炸機攜帶頭部裝著X-43A試驗機的飛馬座火箭離開地面。經過1個多小時的飛行，于下午2時在離太平洋海面大約12000米的高空投下了飛馬座火箭，火箭點火爬升到大約28500米的高空。隨即，X-43A從火箭中分離出來，依靠自身的超聲速燃燒沖壓發動機工作了大約10秒鐘，最高時速達到8000千米，約7馬赫。這一速度遠遠超過了美國高空偵察機“SR-71”（俗稱“黑鳥”）于1964年創下的3.2馬赫的紀錄，同時也超過了美國航宇局采用火箭助推的X-15試驗機的最高速度5.3馬赫。此後，發動機停止工作，X-43A在空中自由滑行約6分鐘後，按預定計劃墜入加利福尼亞州附近的太平洋海域。
美國為何對高超聲速飛機情有獨鐘
上世紀60年代，國際上廣泛開展了燃燒室內氣流超過聲速的超聲速燃燒沖壓發動機等一批關鍵技術的研究，但由于技術還不成熟，在美國航天飛機設計時，不得不仍然使用風險小得多的火箭發動機。1986年美國的空天飛機計劃上馬，被人們稱之謂“高超聲速技術的復甦”。1995年這個耗資超過30億美元的計劃，因種種原因而下馬。在這之後，美國航宇局繼續執行了一項規模較小的高超聲速X 計劃，其目的是擴展將來可以軍用和民用的高超聲速飛行的技術基礎。它的第一個無人高超聲速驗證機就是X-43A。美國航宇局早在2001年6月2日就進行過X- 43A的首次試飛，但是由于助推X-43A的火箭偏航自爆，那次試驗宣告失敗。但高超聲速飛機的魅力並沒有因此而減少，其原因在于︰
1.它有很高的速度，從而具有很大的動能，使其效能倍增，可以采用很小的彈藥，並能同時打擊多個目標。同時，也由于它有很高的速度，可以在很短時間內，攻擊世界上任何地方的目標。高超聲速飛行器可以入軌，也可以在大氣層內飛行。若采用亞軌道飛行或在大氣層內飛行，可以在政治上躲開太空軍事化的敏感問題。
2.它具有出其不意的優點。在戰略上，可以打擊敵人幾乎沒有防備的縱深目標；在戰役上，可以選擇最佳的攻擊時間；在戰術上，可以使用多種飛行路線，攻擊敵方防空的薄弱環節。
3.它可以在執行完任務後，快速回收、快速裝備、重新起飛。它與遠程彈道式導彈相比，可以在威懾對方後回收，避免了立即引發戰爭的危險。
4.它除了擔負攻擊任務外，還可用于偵察。它既可作為發射衛星與回收、維修衛星的平台，又可作為發射反衛星武器的平台。
引領航天運載器的革命
眾所周知，不論是有效地利用衛星和空間站開發近地軌道的太空資源，還是探索和開發月球和火星，都要以大規模降低航天運輸費用為前提。目前的航天運載器，明顯存在下列不足︰
1.高的運輸費用。目前的一次性運載火箭運送1千克有效載荷到低地球軌道的費用高達3500∼13300美元，美國航天飛機費用也高達1萬美元以上。這麼高的運輸費用已經成為人類進一步開發太空資源的瓶頸。
2.低的安全性和可靠性。一次性使用的火箭，每次使用都是新的產品。在使用前無法考驗，在使用後也無法完全了解可能發生的故障實情，從而難于大幅度提高可靠性。重復使用的飛機經過千萬次飛行的考驗，其可靠性可高達0.999999。重復使用能降低成本的原因是每次飛行分擔了貴重材料和設備的成本，每次飛行主要消耗的是便宜得多的燃料，從而大大降低了運輸成本。提高了可靠性實際上也降低了成本。
3.差的使用性能。包括對任務的適應性差，維護性能不好，地面準備時間和周轉時間太長，發射和回收時需要的大量輔助設備等。從長遠來看，必須進一步發展水平起降，使用吸氣式組合發動機的航天運載器，才能滿足未來按需發射的要求。
使用吸氣式組合發動機的航天運載器，也叫做空天飛機，其優點是可從大氣中獲得氧氣，不需要像火箭發動機那樣必須帶有沉重的氧氣貯箱，從而降低了航天運輸的成本；由于水平起飛和利用升力，允許在每個任務階段都可以安全救生，所以增加了安全性；由于簡單的地面操作和具有巡航能力，增加了運行的適應性。特別是它可以快速發射，具有重要的軍事價值。
空天飛機的發展也將推動其他高超聲速飛行器的發展。這些高超聲速飛行器包括高超聲速軍用飛機和高超聲速導彈、民用的高超聲速客機等。民用的高超聲速客機在21世紀也有廣闊的前景。21世紀跨太平洋的客運會大幅度地增加，由于高超聲速客機飛行時間短，對于這樣遠距離的運行就很有吸引力。
高超聲速技術任重道遠
無疑，X-43A的成功試飛，大大鼓舞了人類實現高超聲速飛行的信心，不過這僅僅是以此起步。從試驗飛行器到實用的飛行器，還要有相當長的一個發展過程。高超聲速技術的發展，任重道遠。為了能研制成功高超聲速飛行器，需要攻克許多關鍵技術。主要的關鍵技術有推進技術、材料與結構、空氣動力學和控制等。馬赫數在0~6之間推進系統的比沖要提高一個量級，只有采用先進的吸氣式組合發動機。在這方面，各國正在從過去進行沖壓發動機和渦輪發動機的組合研究，擴展到沖壓發動機和火箭發動機的組合研究。在馬赫數介于6~14之間，目前只有超聲速燃燒發動機具有較高的比沖。在這方面，國際上主要集中力量，進行提高燃燒室混合效率和燃燒效率、減小阻力和增大推力、燃燒室冷卻技術等方面的研究。在這些問題中，最關鍵的是超聲速混合增強方法研究。由于燃燒室的長度有限，氣流通過的時間在毫秒量級，在這麼短的時間內要使燃料和空氣混合燃燒，是一項十分復雜的氣動設計問題。為了使發動機的推力足以克服阻力、並減輕飛行器的質量和節省燃料，必須從“一體化”的要求來設計高超聲速吸氣式組合發動機的每個部件，如進氣道、燃燒室和尾噴管等。這時從單個部件性能出發的優化措施，往往與從飛行器總體性能出發的優化措施相互矛盾。此時，部件優化必須服從總體優化。當然，為了研制軍用的高超聲速飛行器，還要進行深入的任務分析；還要解決一系列制導、隱身和有效載荷等技術問題。
高超聲速技術的應用目標是實現低成本進入太空、研制成功適應未來高技術戰爭的高超聲速武器。由于高超聲速技術廣泛的應用價值，已引起世界各大國的重視。
什麼是沖壓發動機
沖壓發動機是只帶燃燒劑不帶氧化劑，要靠吸收空氣中的氧氣進行燃燒，產生燃氣向後高速噴出產生推力進行工作的發動機。因此只能在大氣層中使用，不能像火箭那樣在太空中工作。它歷來以在高空高速狀態下難以順利點火和燃燒不穩定性等問題困擾著專家們，使其遲遲未能在航空器上得以采用。
這種發動機主要由進氣道、燃燒室和尾噴管等組成。工作過程包括壓縮、燃燒和膨脹3個階段。首先，高速空氣流入進氣道並在此減速增壓；其次，壓縮後的空氣進入燃燒室作為氧化劑，與燃燒劑混合後進行等壓燃燒，生成高溫燃氣；最後，高溫高壓燃氣在噴管中膨脹加速後，獲得高速度排出而產生推力。經過20世紀90年代卓有成效的攻關，21世紀初人們才將其裝在飛機上進行試飛。（尹懷勤）
何謂超聲速與高超聲速飛行？
以大于當地空氣中聲速的速度飛行，即馬赫數大于1的稱為超聲速飛行。通常人們把達到聲速5倍以上的速度稱為高超聲速，即馬赫數大于5。
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文章作者:黃志澄
責任編輯:skylook
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