超高音速 - Wikiwand
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超高音速

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X-43A试验机于7马赫速度之下的计算流体力学(CFD)模拟图。
X-43A试验机于7马赫速度之下的计算流体力学(CFD)模拟图。
超声速气流进入发动机被加速至超高音速的概念图
超声速气流进入发动机被加速至超高音速的概念图

超高音速(hypersonic,亦称极音速),空气动力学名词,意指速度较超音速还高出许多的状态。在1970年代,这个词通常指5马赫(5倍音速)或更高的速度。超高音速流态(hypersonic regime)是超音速流态的分支。

超音速气流与亚音速气流性质迥异。当一飞行器加速到超音速,路径中几乎所有的空气特性剧烈地改变。不过尽管有如此明显的界线,对于“超音速”的定义仍有一些争议。其中一个定义是整架飞行器各部分速度皆在1马赫或之上。更技术性地定义指出:整架飞行器周遭的所有气流速度皆是超音速才能称作是超音速,这样的情形对寻常设计的飞行器来说,通常是出现在1.2马赫上下。0.8到1.2马赫的范围因此称作穿音速

考虑到连超音速的简单定义都有争议,就不会对“定义超高音速是更加困难”这件事感到意外,因为成为“超高音速”并不会有任何气流的物理性质改变。一般来说,在5马赫附近,一些效应的组合整体来说变得重要。超高音速流态常定义为冲压发动机(ramjet)无法产生净推力的速度。这是一个模糊的定义,因为存在有一些改装提议,使得喷气发动机在这样的速度范围仍可操作,例如超音速燃烧冲压发动机(Scramjet)。

最初构想

几乎所有现代军事武器都可以在已经尘埃落定70年的第二次世界大战中找到其始祖,高超声速武器也不例外——高超声速滑翔概念的最初源头甚至还要更早一些。

在两次世界大战期间,纳粹德国在佩内明德测试新型大炮,这其中就包括一系列大口径远程列车炮。当时德国对用次口径炮弹提高射程很感兴趣,于是就用列车炮进行试验,结果有了意外的发现。当从海拔较高的地点发射这种长杆炮弹时,一样的炮弹和装药,它的射程会比在低海拔地点发射远得多。在排除高海拔地区空气稀薄、阻力小等因素影响后,发现射程仍要远出不少。于是,德国科学家们大胆推测,长杆炮弹在飞行中段具备一定的“迎角”即炮弹几何中心线和炮弹飞行方向的角度,使其在高速飞行时具备较高的升阻比,因此在特定密度的大气中可以滑翔很远的距离。

这个原理激发了火箭专家桑格尔的灵感,他在1940年为了满足希特勒“跨过大西洋轰炸美国”的设想,设计了一种惊世骇俗的先进飞行器。这就是“银鸟”空天轰炸机,这架轰炸机采用火箭发射升空,在达到极高的速度后,以特定角度撞向大气层,在大气层中滑翔,就像巨炮所发射的那些炮弹一样。这就有如在大气上冲浪,如果速度、角度合适,那么飞机会被几次反弹抛出大气层,然后再重新落入大气层。在飞到美国上空后就投掷炸弹轰炸目标,然后继续飞行,着陆在日本控制的太平洋岛屿上。

1948年,有一个人在研究了缴获的德国技术资料后,提出了一个新设想。他就是当时还是美国陆军上校的钱学森。他的方案与桑格尔不同,认为只要有足够先进的热防护技术,就能让飞行器在特定的高度层以高超音速持续滑翔飞行。除了热防护,这种飞行方式也需要飞行器具有更好的高速升阻比特性。他所提出的弹道,被人们称为“钱学森弹道”(也叫“助推-滑翔”弹道),按照他的理论计算,采用这种方式可以将弹道导弹的射程提高一倍。

实践

在21世纪前十年后世界军事强国纷纷研发高超音速武器作为战略威摄,由于此种武器可以让高价部署的反导弹防御网形同失效,或是用以攻击该防御网设施,让后续传统导弹发挥战力。目前达到高超音速的飞行方法有三种,三种都是无人飞行器,因为携带支援人类生存的驾驶舱太大太重超过目前科技;人体也无法承受其飞行过程。

  • 弹道导弹的弹头飞具,经设计后能在最后重返下落阶段达到高超音速。
  • 使用超音速燃烧冲压发动机的无人飞行器。[1]
  • 航行在太空的无人太空梭,除在太空轨道时相对地面运动速度可视为高超音速,重返下落阶段也有可能。

美国目前在三个领域研发有较公开资料

  • 第一项弹道导弹技术较简单美中俄三国皆已有成功作品,早期美国X-43实验体已经达成。[2]
  • 第二项美国采用X-51验证目前失败率极高,最长的一次超燃机只点火了5分钟。[3]
  • 第三项则是无人太空梭X-37B于2012-14年间环绕轨道两年试飞,但重返大气时不是高超音速目前只能视为无人太空梭

同时中国研发成果也长期受到国际关注,首先WU-14弹头的出现表示解放军已经完成弹道导弹方案的实践,同时少量曝光的神龙空天飞机表示另一方案也在进行,该装置首次曝光是挂载于轰六轰炸机下方而非装于运载火箭上,表示可能是超燃机方案而非太空梭方案,但其外型又类似X-37而非X-51所以引起不少疑问。而数年后2015年10月上海电视台纪实频道的军事节目专题报导披露一则怪异报导,表示9月中一架特殊的国产试验机完成试飞,该飞机“剖面特殊、飞行方式独特、飞行速度高度远超史上所有试飞机型”之后成功降落,试飞中心一阵欢呼。该报导早先是以文字平面方式公开,上海电视台该期谈话节目则以引用该报导的方式展开讨论,先前此消息传出国际上就有美俄专家存疑因为若有一种非弹道飞行器能在大气中飞行,不论自力起飞或轰炸机携带,之后可控下达成高超音速再成功减速降落机场,无疑是远超过这时代的科技。该期节目中的航天专家以个人非官方看法表示这飞机应该就是神龙计划的后续机型,同时他突然意外表示其实中国对高超音速有一套自己的心得[4],北京航空航天大学有一教授曾发表过“沙丘助涡”的独特空气动力论文,可以操纵亚音速气旋阻挡高超音速气旋解决点火问题。

参考文献

  1. ^ 观察者网-高音速之谜
  2. ^ Boeing X-51A WaveRider Sets
  3. ^ Anderson, John. Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics Second Edition. AIAA Education Series. 2006. ISBN 1-56347-780-7. 
  4. ^ 上海电视台-中国神秘飞机. [2017-12-30]. (原始内容存档于2017-12-31). 

外部链接

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