admin 高超音速飞行器(高超音速飞行器技术简介)
高超音速飞行器(高超音速飞行器技术简介)
6月2日凌晨，我国中部和北部地区的很多人都看到了奇异的天象。从航行警报和禁航通告来看，这是一次从渤海湾向西北部靶场的潜射弹道导弹试射。有人说试飞中看到天空中出现漏斗状云，这一定是一次高超声速试飞。究竟是与不是，我们不去猜测。今天我们就来了解一下什么是高超音速飞行器？实现这个技术有哪些难点？
高超音速飞行器主要包括3类：高超音速巡航导弹、高超音速飞机以及航天飞机。高超声速技术在未来的军事、政治和经济中将发挥重要的战略作用。近20年来，世界航空航天大国纷纷以高超声速天地往返系统、高超声速导弹和高超声速飞机为目标，开展了一系列的研究，形成了热潮，成为各国抢占空中和空间战略优势的利器。
声音在1个标准大气压和15℃空气中是以每秒340米的速度传播，这个速度在空气动力学里也被叫做1马赫（1Ma，纪念奥地利学者恩斯特马赫Ernst Mach，1838-1916）。我们发现很多飞机、导弹等经常以马赫数来衡量其飞行速度，实际上很多枪械子弹出膛速度都能超过音速，以AK枪族系列的56半自动为例，弹头出膛后初速735米/秒，500米373米/秒，600米332米/秒，在600米后弹丸就不是超声速。高超音速飞行器的飞行速度是高于5倍音速，即5马赫（MH），或超过6000千米/小时。这时我们能发现，想要让飞行器达到高超音速的飞行速度，首先要解决的一个问题就是必须要有不懈怠的动力，来克服空气对飞行器的阻力。
高超音速飞行器采用的超音速冲压发动机一种构造非常简单、可以发出很大推力、适用于高空高速飞行的空气喷气发动机。冲压喷气式发动机（简称冲压发动机）是从1913年法国工程师雷纳劳伦提出了冲压发动机概念，被认为是继螺旋桨和喷气推进之后的“第三次动力革命”，然而人类已经在这条与速度赛跑的路上前行了整整一百年。
冲压发动机只有三个主要部件——扩压器，燃烧室和尾喷管（上图为最简单的火箭式冲压发动机）。虽然结构很简单，由三个管道形的部件构成，但是可以发出非常大的推力，并且推力随飞行速度的增大而迅速增大。例如，一个横截面只有1平方米的冲压发动机在11公里高空，以速度为3.5倍音速飞行时(M=3.5)，可以产生推力大约是30，000公斤(即30吨)。这时它推进的功率达到414，000匹马力，这相当于200个火车头的功率。若是在低空飞行，由于空气密度大功率还要增加。这样一台发动机有多重呢？最多不会超过1吨。
由于现在各国研制的高超音速飞行器都是需要重复使用的，所以简单的火箭冲压发动机不适合使用到其上。以目前所知的载人飞行速度最快（超过马赫3）的美国战略侦察机SR-71为例，其采用了普惠公司的J-58轴流式发动机，带有后加力燃烧室，单台最大推力14460千牛（即1474.5096397吨）。目前多数喷气式飞机都采用涡轮风扇发动机，SR-71这一特异之处是考虑到轴流式发动机在高速飞行时性能较为优异。从外观上看这台发动机实际上是一台轴流式的喷气发动机，加上了一个冲压发动机的外壳。因为一般超音速发动机和高超音速发动机对进气口的空气速度和压力要求不同，所以J-58发动机进气口的前端有一个可自由调节的激波锥，以适应不同速度飞行时对进气的不同要求。在马赫3以下，可调进气口面积大空气压力小，进口导流片打开轴流发动机工作提供动力；马赫3以上可调进气口面积大空气压力大，进口导流片关闭，加力燃烧室和冲压外涵道工作提供动力。实际上J-58在进入马赫3以后，发动机75%的推力都是由外侧的冲压外涵道提供，但是为了达到马赫3这个速度，是必须要有里面的那个轴流发动机的（上图为J-58两种工作状态图）。
有了冲压发动机这个不懈的动力源之后，要想实现高超音速，想要飞行器达到10马赫这个速度，还要一个秘密武器——“钱学森弹道”。这个概念实际上就是前几期介绍的高超音速飞行器的“打水漂”的飞行方式。“钱学森弹道”是钱老在20世纪40年代末提出的这种助推-滑翔式弹道，德国人sanger还提出过一种再入弹跳式（skip）弹道。一些半弹道式再入航天器的再入弹道的基本设计思想即源于钱学森弹道。而为了满足攻击航空母舰的要求，在钱学森弹道的基础上，末段增加先进的自动导引技术，钱学森弹道就变成了助推-滑翔-寻的弹道，这也是反舰弹道导弹的设计思路。
而外媒称中国高超音速飞行器的第三次试验，就是按照“钱学森弹道”在大气层边缘进行“打水漂”式飞行，由于该飞行器独特的气动设计，它的速度不会出现大幅度衰减，而是保持约7-8倍音速的速度“滑翔”飞行。而外媒所称的中国M20短程地地导弹全程在大气层内高速机动飞行，最大飞行马赫数为6，最大飞行高度不超过50千米，飞行末端进行高机动变轨对目标实施垂直攻击。对于这种弹道极其诡异的导弹敌方几乎无法拦截。其实M20导弹所采用的弹道就是著名的钱学森弹道。而且媒体报道的WU-14高超音速飞行器的成功试飞，预示着在新型高超音速导弹的研制进度上似乎中国已经领先于世界（毕竟是钱老提出的这个理论吗）。
当飞行器能够以高超音速飞行以后，但是还有一个很重要的技术难题需要突破，那就是黑障。因为不论是有人飞行器还是无人飞行器，都会在黑障区遇到一个问题就是不能进行通讯。所谓的黑障区就是当卫星、航天飞船等空间飞行器以很高的速度返回大气层时，在一定高度区域，与地面的通信联络会中断，这个中断联络的区域就是黑障区。黑障区一般出现在地球上空35到80千米的大气层间。火箭和航天器重新进入大气层的部分，如弹头、再入舱等称为再入体，黑障区的范围取决于再入体的外形、材料、再入速度以及发射信号的频率和功率。黑障现象给载人飞船返回时的实时通信、无人飞行器再入测量造成困难。
所有飞行器返回大气层的时候，飞行速度极高，可以达到音速的十几倍到几百倍。由于飞行器头部周围激波的压缩和大气的粘度作用，在飞行器表面摩擦达到很高的温度时，气体和被烧蚀的防热材料均发生电离。于是，在飞行器的周围形成一层高温电离质，等离子体鞘和电磁波相互作用，从而导致用于通信的电磁波传输衰减或反射，此时，地面与飞行器之间的无线电通信便中断了。随着飞行器高度的下降，当速度降低到一定程度时，不再有足够的温度使气体分子电离，等离子体鞘解除，黑障就会消失。从理论上来讲，解决这一问题的关键就是要用一种新的通讯技术——量子通讯。因为黑障是针对电子的,也就是无线电通讯的。但是量子通讯完全不同,量子通讯使用的是光子，可以无视表面摩擦产生的电离层。（蓝色区域就是电离层）
2016年中科院院士潘建伟介绍，将在当年发射量子卫星，从而形成一个全面的天地通讯一体化的量子通信网络。由于量子信号的携带者光子在外层空间传播时几乎没有损耗,所以在技术上实现纠缠光子再穿透整个大气层后仍然存活并保持其纠缠特性,人们就可以在卫星的帮助下实现量子通信的全球化。2016年8月16日1时40分，中国墨子号量子科学实验卫星发射升空，这是一颗应用于量子通讯的卫星。
2018年8月7日称，中国航天空气动力技术研究院日前在社交网站上发布消息，该院已完成“星空-2”火箭的飞行试验，这一消息是中国首次正式确认其对高超音速飞行器的研究。报道称，高超音速飞行器的速度至少是音速的5倍，这样的速度大约30分钟就能飞越美洲大陆。“星空-2”速度达到了6马赫，每小时飞行约7344公里。但它不只是简单的高速，高超音速飞行器在发射后飞向太空，并在较低轨道高速飞行，路线多变，导弹防御系统的卫星和雷达很难侦测到这种飞行器。高超音速飞行器技术确实是目前应对反导系统的一件利器，真是——“天下武器唯快不破”！
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