第三个里程碑

漫漫征程，隘路险关，总有一些事件因意义重大而被称为“里程碑”。在航空界，有人将正在研发的高超音速飞行器，称作是航空史上继螺旋桨飞机和喷气式飞机之后的第三个里程碑。

高超音速（Hypersonic，也叫高超声速）一词最早出自于我国科学家钱学森1946年发表的论文《高超声速流的相似律》。一般认为，高超音速是指流动或飞行速度达到或超过M5。高超音速飞行器是指飞行速度达到或超过5倍音速的飞行器，包括飞机、无人机、导弹、空天飞行器等。采用火箭动力的高超音速飞行器早已实现并投入使用，而采用吸气式动力的高超音速飞行器是目前航空航天强国关注的焦点，所谓“第三个里程碑”指的就是后者。高超飞机（此为吸气式高超音速飞行器的简称，下文同）果真具有如此重大的历史意义吗？有必要区分其航空属性或航天属性吗？它的关键技术有哪些？它的军事价值何在？面对“里程碑”这样吓人的称谓，需要进行一番认真的思考。

里程碑断想

坦率地说，当笔者在几年前第一次听到“里程碑”这个提法时，颇不以为然，甚至感到像是在哗众取宠。在65年前，1942年10月3日，德国火箭专家冯·布劳恩就研究成功了6倍音速的V2火箭。在40年前，1967年10月3日，美国空军威廉·J·奈特少校曾驾驶X－15创造了M6．72的飞行速度记录。高超音速领域早就不是人类的飞行禁地，何以称作“里程碑”呢？

但如果认真地加以思考，将高超飞机称作“第三个里程碑”是有些道理的。

火箭动力的飞行器，在飞行时需要携带大量氧化剂和燃烧剂，而且大多数火箭发动机只能一次性使用，其任务灵活性差、运载能力低、使用成本高、机动飞行能力有限。而采用吸气式动力的高超飞机，其飞行性能和任务能力将得到显著提高，使用成本则大大降低，使人们从一个必然王国进入到一个新的自由王国。这两种飞行器在能力上将体现出台阶性差距，在技术原理上也有着本质的不同。

高超飞机由于其极高的飞行速度，能够具备常规飞行器难以企及的任务性能。高超飞机飞越太平洋的时间将从目前的10～12小时缩短到2～3小时，可以在7小时内环绕地球一圈。要知道，1986年12月，一对美国男女驾驶“旅行者”号飞机完成人类首次环球不着陆飞行时，竟用了9昼夜零3分44秒。

实现吸气动力的高超音速飞行，需要许多关键技术的支撑，其中相当一部分代表了人类科技的最高水平，其技术难度不亚于“阿波罗”登月。一旦高超飞机研制成功，将极大地带动航空科技整体水平的发展，开创一个航空新纪元。

更重要的是，高超飞机必须在稀薄大气环境中实现高超音速飞行，飞行高度在30 000米以上，这将把人类的航空实践带入到一个新的空间。目前航空活动的范围局限在对流层和平流层，航空器的最高升限记录是36 240米，著名的SR-71“黑鸟”高空侦察机的实用升限是26 000米，绝大部分航空器在20 000米之下飞行。平流层上部（平流层的顶界高度是55千米）和整个中间层（中间层的顶界高度是85千米）是人类航空实践的空白，是一块未开发的“处女地”。高超飞机将使这片处女地成为航空新空间。回顾航空发展史，涡轮喷气发动机首次将航空空间扩展到平流层，美国B-47和B-52轰炸机为了强调这种性能优势，不无炫耀地起名叫“同温层喷气”和“同温层堡垒”。按此逻辑，高超音速飞行器也不妨叫做“中间层飞行器”。既然可以把平流层的开发看作是一个里程碑，为什么不能把中间层的开发看作是一个新的里程碑呢？

如此看来，“第三个里程碑”的称谓并不是过誉之词。只是这种飞行器尚处在探索研究阶段，尽管某些关键技术取得了突破性进展，但离实用化还有一段距离。

昂贵的探索

最早开展高超音速飞行器研究的是美国，其研究工作始于20世纪50年代。在半个世纪的时间里，经历了三个重要发展阶段：在50～60年代，以X-15计划为代表，实现了世界上第一次以火箭为动力的高超音速巡航飞行；从80年代中期到90年代中期为第二阶段，代表性工作是NASA实施的“国家空天飞机”（NASP）计划，但因经费超支、进度后延、目标过高等原因，于1994年被迫下马；从1995年开始，美国重新制定了国家高超音速技术发展计划，充分认识到高超飞机的技术难度，采取循序渐进的策略，确定了近期、中期和远期发展目标。

美国已经下马的NASP计划目标宏大，其核心是研制以混合循环超燃冲压发动机为动力，能够水平起降、单级入轨的X-30研究机。该机的入轨速度可达到M25。在低M数下，以涡轮喷气发动机和亚燃冲压发动机模式工作；在高M数下，以超燃冲压发动机模式工作。尽管NASP计划未能达到预期目标，但在发动机与机身一体化设计、超燃冲压发动机、氢燃料生产等领域取得了重要成果。

美国目前正在实施的主要研究计划有：Hyper-X计划、快速反应导弹演示计划、HyTech计划和HyFly计划等。其中Hyper-X计划进展比较顺利，成效显著，值得关注。Hyper-X计划的核心是以X-43A、X-43B、X-43C等系列飞行器完成三种验证任务。X-43A在2004年3月的一次试飞中，在30 000多米的高空实现速度为M7的自主飞行，同年11月，X-43的最大速度已经达到10倍音速。

苏联/俄罗斯在高超音速领域特别是超燃冲压发动机技术方面成果卓著，不逊于美国。早在1957年，苏联科学家就率先提出了超燃冲压发动机的概念，随后苏联的研究机构开展了大量的基础研究，从20世纪70年代开始实施代号为“冷”的高超音速研究计划。“冷”计划的发动机，于1991年实现世界上第一次飞行条件下的亚音速燃烧模态向超音速燃烧模态的转换。俄罗斯目前实施的项目除了“冷”计划外，还有“鹰”计划、“鹰31”计划、“彩虹-D2”计划等。俄罗斯的高超方案一般由“白杨”导弹为助推器，或者用米格-31、图-22M3作为载机，苏联时期建立的航空科技基础，为他们提供了良好的试验手段和试验条件。受国力下滑的影响，俄罗斯的高超技术研究更加注重寻求国际合作，先后与美国NASA、德国的研究机构进行实质性合作。

德国是世界上第一个实现6倍音速飞行的国家（V2导弹），在高超音速领域的研究实力不可小觑。20世纪80年代，他们提出“桑格尔”空天飞机计划。“桑格尔”是两级入轨空天飞机，第一级为载机，从普通跑道起飞，冲压发动机先将载机加速到M6～7的速度和37千米的高度，然后将作为第二级的轨道器发射至空间轨道。“桑格尔”计划在世界上曾产生广泛影响。近年来，德国集中力量进行高超音速防空导弹的开发。

此外，英国、法国、澳大利亚、日本、印度都在实施自己的高超音速研究计划。其中，澳大利亚在2001年的一次试验中，搭载了英国研制的超燃冲压发动机，实现了持续了6秒钟的超音速燃烧，令人刮目相看。

总之，目前航空航天强国都在发展高超音速飞行器，从技术状态看，还处在从基础理论研究和概念探索向关键技术演示验证的过渡阶段。目前没有一个国家研制出可以投入实际使用的高超飞机。其主要原因是：第一，高超飞机的技术难度太大，必须在诸多学科领域取得突破的基础上，方能有实质性进展；第二，研制经费惊人，需要几百亿甚至上千亿的资金支持。高超飞机称得上是一种昂贵的探索。

最关键的是什么

发展高超飞机需要许多高新技术的支撑，最关键的有：推进系统、一体化设计技术、热防护技术、材料技术和燃料技术。

高超飞机的飞行包线范围远远超过常规飞机，推进系统在飞行包线内的每一个区域都必须能够提供动力。目前各国重点研究的推进系统概念有超燃冲压发动机、脉冲爆震发动机，以及二者与其它动力系统构成的组合系统（如火箭基组合、涡轮基组合）。超燃冲压发动机是指燃料在超音速气流中燃烧的冲压发动机，具有结构简单、重量轻、体积小、推重比大等特点。目前的主要问题是：低M数下如何获取动力，如何保证发动机长时间稳定工作。脉冲爆震发动机是一种利用周期性爆震波发出的冲量来产生推力的非稳态推进装置，可以获得很高的推重比，适用于M0～10飞行高度为0～50千米的飞行器。有迹象表明，脉冲爆震发动机即将发生突破性进展。

高超飞机属于典型的多学科综合系统，其总体设计必须综合考虑气动效率、热防护、结构减重、飞行控制，以及内部布置等诸多因素。而这些因素之间又高度耦合，传统的单学科串行设计难以胜任，必须采用一体化设计技术。主要包括：机体-推进系统一体化、气动设计一体化、结构设计一体化、飞行控制-发动机控制一体化等。

高超飞机在极快速度下飞行，气动加热问题十分突出。当M数为5时，飞机大部分表面温度达到538°C，驻点温度达871°C。与返回式卫星等航天器不同，高超飞机属于多次重复使用的装备，烧蚀防热等航天技术对它并不适用，需要开发新的热防护技术。

高超飞机及其推进装置的工作环境非常严酷，对材料提出很高的要求。用作高超飞机的材料必须具有耐高温、抗腐蚀、高强度、高刚度、抗氧化、抗炭化、抗蠕变、长寿命、低密度等特点。

由于推进系统要承担极高的热负荷，对其使用的燃料提出了特殊要求：不仅要有燃料的功能，还要具备冷却剂的功能；要具有吸热性好、后勤保障方便、能量-密度高、便于储存等特点。液氢燃料是目前的主要发展方向。

在气动技术方面，涉及到高超音速空气动力学、稀薄空气动力学、电离空气动力学等领域。一般采用“乘波外形”设计，即在巡航飞行时，机体下面生成一道强压缩的激波，这个激波面就像一块“巴比伦飞毯”，承载着飞机飞翔。“乘波”设计可以显著增大升力效率，提高升阻比。

从上面的介绍可以看出，高超音速飞行器所涉及的关键技术都离不开两个字——空气。尽管在平流层上部及中间层的空气已经非常稀薄，但正是这层稀薄的空气才使高超飞机的飞行成为可能，也正是这层稀薄的空气带来了如此多的麻烦。有空气的存在，才能保证超燃冲压发动机的工作，才能使飞行器产生空气动力；有空气的存在，才会出现热防护和热结构问题，才会对材料提出更加苛刻的要求。从这个意义上说，高超音速技术应属于航空技术的范畴。从另外一个方面看，在典型的航天空间（距地面120千米以上的空间），空气密度已经小到连声音都不能传播的程度。没有音速这个概念了，哪来的超音速或高超音速呢？不可否认，发展高超音速技术，必须大量吸纳航天技术成果，但并不能改变技术的本质属性。区分技术属性和技术范畴，不是在饶舌或矫情，因为对技术属性的认定往往成为进行某种逻辑演绎的起点，关系到结论的产生。

关于未来的畅想

高超音速飞行器是一种全新概念的飞行器，目前正在实施的研究计划都有着明显的军事背景。作为一种新概念武器，它具有重大的战略意义，军事应用前景不可限量。

高超飞机/无人机将对目前的防空体系提出强有力的挑战。它能够在极短的时间内（以分钟计）进行洲际飞行，对敌战略目标实施摧毁性打击，而留给敌方的预警时间非常有限，其间即使被发现也难以组织有效抗击。其速度之快，相当于弹道导弹，但具有导弹望尘莫及的灵活性，可以使用多种亚轨道飞行路线，目前的导弹防御系统对其进行有效防御几乎是不可能的。另外，高超音速飞行还可能使周围空气发生电离，生成“等离子鞘套”，使对方探测系统无法发现目标，达成“黑障”突防。

极高的飞行速度，使它具有很高的动能，进而使攻击效能大大增加，可以使用很小的动能弹药，攻击多个目标。实际上它本身就是一种天然的动能武器攻击系统。

作为运载工具，它可以快速回收、快速装备和重新起飞，能够在极短的时间内，将装备或部队投送到世界各地。

作为侦察、监视平台，它具有低轨道卫星那样的覆盖面和视野，但却不像卫星受到运行轨道和运行周期的限制。它的灵活性、实时性和快速部署能力，与卫星相比占有明显优势。这种平台一旦研制成功，将可能大大降低人们对太空监视平台的依赖。

在未来太空作战中，由于它的飞行高度更接近近地轨道空间，与航天器之间的相对速度小，而且基本不受气象因素的干扰，特别适合于使用激光武器、微波武器等攻击敌航天兵器。

作为航天器的发射、回收平台，其作用和价值是显而易见的。它可以使航天发射的成本大大降低，提高航天发射的灵活性，丰富航天发射手段。世界上许多高超音速研究计划都是以所谓“空天飞机”为背景的，并且被大肆渲染。必须指出，航天发射功能仅仅是高超飞机的功能之一，由于这种功能的军事色彩不浓，更便于宣传而已。

总之，高超音速飞行器军事价值重大，对相关技术的研究和开发具有战略意义。因而，如何发展高超音速技术也就带有些战略的意味。笔者曾在一本媒体上看到一篇“资深战略评论员”的文章，说是鉴于航天技术的重要性，为实现大国崛起，我们应该采取“切半径”的战略，绕开汽车、航空工业等低技术领域，举全国之力，集中发展航天科技工业。笔者以为，这种观点很值得商榷。尽管有的叫做“空天飞机”、“跨大气层飞行器”什么的，但从本质上看，高超飞机是航空技术的产物。要知道，物理意义上的大气层边界距地面2 000～3 000千米，临界轨道高度也距地面100～120千米，目前的空天飞机方案基本上是对中间层或平流层上部的利用，属于航空器而不属于航天器。名称只是个代号，并不具有学术意义，不能够望文生义。试想，人类在半个世纪前就将卫星送到了太空，在30多年前就登上了月球，却直到今天依然不能实现实用化的吸气式高超音速飞行，难道这还不算高科技吗？战略分析是一种宏观思维，宏观思维也离不开缜密的科学推论，它更加需要严密的逻辑支持。

“雄关漫道真如铁，而今迈步从头越”。如果说高超音速飞行器将成为航空史上的第三个里程碑，我们有理由期待，在这个新的里程碑上，将凝结着中国人的智慧和汗水，镌刻着中国科学家的名字——就像钱学森先生对高超音速理论研究做出过的贡献。

[编辑/秦蓁]

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