“錢(qián)學(xué)森原理”，助推高超音速飛行器

紀(jì)中展

不久前，“我國(guó)JF—22超高速風(fēng)洞預(yù)計(jì)2022年建成”登上微博熱搜。這意味著，中國(guó)具備了更高的實(shí)力來(lái)發(fā)展高超音速飛行器。于是，西方媒體又跳出來(lái)渲染“中國(guó)威脅論”了。其實(shí)，美國(guó)、俄羅斯都有可用來(lái)測(cè)試高超音速飛行器的風(fēng)洞。美國(guó)的風(fēng)洞能滿足30馬赫狀態(tài)的測(cè)試，俄羅斯的風(fēng)洞能滿足20馬赫狀態(tài)的測(cè)試。

這里需要先科普兩個(gè)概念：風(fēng)洞和馬赫。

風(fēng)洞指長(zhǎng)條形盤(pán)繞著的粗大管道，可以控制管道內(nèi)的流速、密度、溫度。風(fēng)洞常被用于空氣動(dòng)力學(xué)的研究和試驗(yàn)。科研人員將模型或?qū)嵨镌陲L(fēng)洞中反復(fù)吹風(fēng)，觀察、測(cè)量不同氣流對(duì)其產(chǎn)生作用，從而為其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能改進(jìn)等提供依據(jù)。JF—22型超高速風(fēng)洞的上一代是JF—12風(fēng)洞——長(zhǎng)265米，居世界風(fēng)洞長(zhǎng)度之首，被國(guó)際同行稱為“高超巨龍”，是國(guó)際首座可復(fù)現(xiàn)飛行條件的超大型超高速風(fēng)洞。

馬赫即馬赫數(shù)，是物理學(xué)單位，一般用于衡量飛行器的飛行速度。1馬赫代表1倍音速，馬赫數(shù)小于1為亞音速，大于5就是高超音速了。目前民用飛機(jī)速度一般在0.8—0.9馬赫，對(duì)應(yīng)速度大概是每小時(shí)800—900千米，最先進(jìn)的軍用飛機(jī)速度能達(dá)到3馬赫。國(guó)產(chǎn)JF—22風(fēng)洞的測(cè)試速度應(yīng)該不低于35馬赫。

那么，什么是高超音速飛行器？

高超音速飛行器又被稱作“近空間高超音速飛行器”，可以理解為是“飛行速度超過(guò)5馬赫的飛機(jī)、導(dǎo)彈、炮彈等有翼或無(wú)翼飛行器”的總稱。近空間是指飛行高度距離地面20—100千米的大氣層空間，位于低軌衛(wèi)星軌道的下方、飛機(jī)飛行高度的上方，包括大氣平流層、中間層和部分熱層。

高超音速飛行器的飛行速度如果是5馬赫，換算下來(lái)是每小時(shí)飛行距離超過(guò)6000千米，是民用飛機(jī)的6倍、現(xiàn)役超音速軍用飛機(jī)最大速度的兩倍。而且，高超音速飛行器的飛行高度一般在20—40千米（現(xiàn)在民用客機(jī)約10千米）。若高超音速飛行器應(yīng)用于民用和貨運(yùn)，飛行時(shí)間會(huì)大大縮減，從北京到地球任何地方可能只需1小時(shí)，真正實(shí)現(xiàn)“首都一小時(shí)達(dá)”！

知名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森是高超音速概念和技術(shù)最早的倡導(dǎo)者和推動(dòng)者之一。1945年，錢(qián)學(xué)森發(fā)表論文《論高超聲速相似律》，提出高超音速的飛行速度大于5馬赫這一標(biāo)準(zhǔn)。高超音速飛行器大致分為兩類。一類是依靠自身高性能動(dòng)力，推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大氣層內(nèi)數(shù)倍音速。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)是這類高超音速飛行器的關(guān)鍵技術(shù)和儀器。另一類是助推滑翔高超音速飛行器。這又要提到錢(qián)學(xué)森了。

1948年，錢(qián)學(xué)森在美國(guó)火箭年會(huì)上提出了“火箭助推—再入大氣層滑翔機(jī)動(dòng)飛行”的概念，就是通過(guò)火箭助推器，將飛行器推出大氣層，在重力作用和地球引力的聯(lián)合作用下，飛行器將從太空重返近空間，然后依靠大氣層內(nèi)的“氣動(dòng)升力”進(jìn)一步飛行——?dú)鈩?dòng)升力是評(píng)價(jià)空氣動(dòng)力學(xué)性能的指標(biāo)之一，影響飛行器的穩(wěn)定性和動(dòng)力性。飛行器飛行時(shí)，采用無(wú)動(dòng)力的滑翔模式，減緩降落速度，控制降落方向。目前，美國(guó)、俄羅斯的高超音速飛行器也運(yùn)用錢(qián)學(xué)森提出的原理。

可以說(shuō)，在人類航空史上，高超音速飛行器是繼飛機(jī)之后的又一個(gè)里程碑式的突破。