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高超声速飞行
（2005年09月10日 11:58:17）
来源：《太空探索》
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□作者: 黄志澄
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3月27日，美国东部标准时间中午12时40分，一架B-52轰炸机携带头部装着X-43A试验机的飞马座火箭离开地面。经过1个多小时的飞行，于下午2时在离太平洋海面大约12000米的高空投下了飞马座火箭，火箭点火爬升到大约28500米的高空。随即，X-43A从火箭中分离出来，依靠自身的超声速燃烧冲压发动机工作了大约10秒钟，最高时速达到8000千米，约7马赫。这一速度远远超过了美国高空侦察机“SR-71”（俗称“黑鸟”）于1964年创下的3.2马赫的纪录，同时也超过了美国航宇局采用火箭助推的X-15试验机的最高速度5.3马赫。此后，发动机停止工作，X-43A在空中自由滑行约6分钟后，按预定计划坠入加利福尼亚州附近的太平洋海域。
美国为何对高超声速飞机情有独钟
上世纪60年代，国际上广泛开展了燃烧室内气流超过声速的超声速燃烧冲压发动机等一批关键技术的研究，但由于技术还不成熟，在美国航天飞机设计时，不得不仍然使用风险小得多的火箭发动机。1986年美国的空天飞机计划上马，被人们称之谓“高超声速技术的复苏”。1995年这个耗资超过30亿美元的计划，因种种原因而下马。在这之后，美国航宇局继续执行了一项规模较小的高超声速X 计划，其目的是扩展将来可以军用和民用的高超声速飞行的技术基础。它的第一个无人高超声速验证机就是X-43A。美国航宇局早在2001年6月2日就进行过X- 43A的首次试飞，但是由于助推X-43A的火箭偏航自爆，那次试验宣告失败。但高超声速飞机的魅力并没有因此而减少，其原因在于：
1.它有很高的速度，从而具有很大的动能，使其效能倍增，可以采用很小的弹药，并能同时打击多个目标。同时，也由于它有很高的速度，可以在很短时间内，攻击世界上任何地方的目标。高超声速飞行器可以入轨，也可以在大气层内飞行。若采用亚轨道飞行或在大气层内飞行，可以在政治上躲开太空军事化的敏感问题。
2.它具有出其不意的优点。在战略上，可以打击敌人几乎没有防备的纵深目标；在战役上，可以选择最佳的攻击时间；在战术上，可以使用多种飞行路线，攻击敌方防空的薄弱环节。
3.它可以在执行完任务后，快速回收、快速装备、重新起飞。它与远程弹道式导弹相比，可以在威慑对方后回收，避免了立即引发战争的危险。
4.它除了担负攻击任务外，还可用于侦察。它既可作为发射卫星与回收、维修卫星的平台，又可作为发射反卫星武器的平台。
引领航天运载器的革命
众所周知，不论是有效地利用卫星和空间站开发近地轨道的太空资源，还是探索和开发月球和火星，都要以大规模降低航天运输费用为前提。目前的航天运载器，明显存在下列不足：
1.高的运输费用。目前的一次性运载火箭运送1千克有效载荷到低地球轨道的费用高达3500～13300美元，美国航天飞机费用也高达1万美元以上。这么高的运输费用已经成为人类进一步开发太空资源的瓶颈。
2.低的安全性和可靠性。一次性使用的火箭，每次使用都是新的产品。在使用前无法考验，在使用后也无法完全了解可能发生的故障实情，从而难于大幅度提高可靠性。重复使用的飞机经过千万次飞行的考验，其可靠性可高达0.999999。重复使用能降低成本的原因是每次飞行分担了贵重材料和设备的成本，每次飞行主要消耗的是便宜得多的燃料，从而大大降低了运输成本。提高了可靠性实际上也降低了成本。
3.差的使用性能。包括对任务的适应性差，维护性能不好，地面准备时间和周转时间太长，发射和回收时需要的大量辅助设备等。从长远来看，必须进一步发展水平起降，使用吸气式组合发动机的航天运载器，才能满足未来按需发射的要求。
使用吸气式组合发动机的航天运载器，也叫做空天飞机，其优点是可从大气中获得氧气，不需要像火箭发动机那样必须带有沉重的氧气贮箱，从而降低了航天运输的成本；由于水平起飞和利用升力，允许在每个任务阶段都可以安全救生，所以增加了安全性；由于简单的地面操作和具有巡航能力，增加了运行的适应性。特别是它可以快速发射，具有重要的军事价值。
空天飞机的发展也将推动其他高超声速飞行器的发展。这些高超声速飞行器包括高超声速军用飞机和高超声速导弹、民用的高超声速客机等。民用的高超声速客机在21世纪也有广阔的前景。21世纪跨太平洋的客运会大幅度地增加，由于高超声速客机飞行时间短，对于这样远距离的运行就很有吸引力。
高超声速技术任重道远
无疑，X-43A的成功试飞，大大鼓舞了人类实现高超声速飞行的信心，不过这仅仅是以此起步。从试验飞行器到实用的飞行器，还要有相当长的一个发展过程。高超声速技术的发展，任重道远。为了能研制成功高超声速飞行器，需要攻克许多关键技术。主要的关键技术有推进技术、材料与结构、空气动力学和控制等。马赫数在0~6之间推进系统的比冲要提高一个量级，只有采用先进的吸气式组合发动机。在这方面，各国正在从过去进行冲压发动机和涡轮发动机的组合研究，扩展到冲压发动机和火箭发动机的组合研究。在马赫数介于6~14之间，目前只有超声速燃烧发动机具有较高的比冲。在这方面，国际上主要集中力量，进行提高燃烧室混合效率和燃烧效率、减小阻力和增大推力、燃烧室冷却技术等方面的研究。在这些问题中，最关键的是超声速混合增强方法研究。由于燃烧室的长度有限，气流通过的时间在毫秒量级，在这么短的时间内要使燃料和空气混合燃烧，是一项十分复杂的气动设计问题。为了使发动机的推力足以克服阻力、并减轻飞行器的质量和节省燃料，必须从“一体化”的要求来设计高超声速吸气式组合发动机的每个部件，如进气道、燃烧室和尾喷管等。这时从单个部件性能出发的优化措施，往往与从飞行器总体性能出发的优化措施相互矛盾。此时，部件优化必须服从总体优化。当然，为了研制军用的高超声速飞行器，还要进行深入的任务分析；还要解决一系列制导、隐身和有效载荷等技术问题。
高超声速技术的应用目标是实现低成本进入太空、研制成功适应未来高技术战争的高超声速武器。由于高超声速技术广泛的应用价值，已引起世界各大国的重视。
什么是冲压发动机
冲压发动机是只带燃烧剂不带氧化剂，要靠吸收空气中的氧气进行燃烧，产生燃气向后高速喷出产生推力进行工作的发动机。因此只能在大气层中使用，不能像火箭那样在太空中工作。它历来以在高空高速状态下难以顺利点火和燃烧不稳定性等问题困扰着专家们，使其迟迟未能在航空器上得以采用。
这种发动机主要由进气道、燃烧室和尾喷管等组成。工作过程包括压缩、燃烧和膨胀3个阶段。首先，高速空气流入进气道并在此减速增压；其次，压缩后的空气进入燃烧室作为氧化剂，与燃烧剂混合后进行等压燃烧，生成高温燃气；最后，高温高压燃气在喷管中膨胀加速后，获得高速度排出而产生推力。经过20世纪90年代卓有成效的攻关，21世纪初人们才将其装在飞机上进行试飞。（尹怀勤）
何谓超声速与高超声速飞行？
以大于当地空气中声速的速度飞行，即马赫数大于1的称为超声速飞行。通常人们把达到声速5倍以上的速度称为高超声速，即马赫数大于5。
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