導(dǎo)讀：美《航空周刊》長(zhǎng)期跟蹤高超聲速領(lǐng)域的資深編輯蓋伊·諾里斯2020年6月16日在《航空周刊》網(wǎng)站發(fā)表長(zhǎng)文，通過與美高超聲速領(lǐng)域軍地高級(jí)官員和資深專家的訪談和摘錄，從若干方面詳細(xì)論述了從小尺寸、一次性的高超聲速導(dǎo)彈到大尺寸、可重復(fù)使用的高超聲速飛行平臺(tái)（含飛機(jī)和兩級(jí)入軌飛行器等）所面臨的巨大技術(shù)跨度和關(guān)鍵問題，包括推進(jìn)、機(jī)體／推進(jìn)一體化、尺寸、材料、涂層和工業(yè)基礎(chǔ)能力等六個(gè)方面。雖然實(shí)際問題遠(yuǎn)不止這個(gè)六個(gè)方面，但就這六個(gè)方面的問題來說，本文論述的觀點(diǎn)具有很好的參考價(jià)值。特別是相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业恼撌�，總結(jié)了他們多年高超聲速科研實(shí)踐得出的寶貴經(jīng)驗(yàn)。觀點(diǎn)明確，通俗易懂，且含有大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因此，特編譯此文，供參考借鑒。

美國(guó)正在開展高超聲速助推滑翔導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈研發(fā)，預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)就可以投入戰(zhàn)場(chǎng)。但圍繞尺寸更大的、定位于打擊與偵察／高速民用和軍用運(yùn)輸／甚至多級(jí)入軌等任務(wù)的高超聲速飛行平臺(tái)（編者注：如高超聲速飛機(jī)和兩級(jí)入軌飛行器等），目前仍有大量科研工作需要做。美國(guó)此前開展的高超聲速助推滑翔飛行器和吸氣式超燃沖壓驗(yàn)證飛行器等科研項(xiàng)目取得了一系列研究成果。美國(guó)防部國(guó)防現(xiàn)代化研究與工程局局長(zhǎng)馬克·劉易斯表示，“我們可以確信，設(shè)計(jì)研制能夠產(chǎn)生正推力的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)已不存在技術(shù)障礙。但從一次性使用的助推滑翔飛行器和巡航飛行器跨越到可重復(fù)使用的高超聲速飛機(jī)，這中間還要做大量的（科研）工作。如發(fā)動(dòng)機(jī)與機(jī)體的一體化，特別是推進(jìn)系統(tǒng)的模態(tài)轉(zhuǎn)換問題。我們需要一個(gè)可以從馬赫數(shù)0加速到馬赫數(shù)5或6、然后再減速到馬赫數(shù)0的推進(jìn)系統(tǒng)，我們正在開展這項(xiàng)研究（編者注：美國(guó)防部國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局DARPA即將在2021年完成一型馬赫數(shù)0～5＋全尺寸渦輪基沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)地面集成驗(yàn)證）。但問題是，這應(yīng)該是一臺(tái)組合發(fā)動(dòng)機(jī)還是多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的組合？我能夠直接從渦輪轉(zhuǎn)到亞燃沖壓／超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)嗎？我是否需要做一些中間過渡措施？”盡管超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)有幾十年的研究經(jīng)驗(yàn)了，但各種有競(jìng)爭(zhēng)力的推進(jìn)概念仍在不斷涌現(xiàn)。因此，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)還是（編者注：唯一）正確的答案嗎？劉易斯表示，“我個(gè)人認(rèn)為不一定。我們應(yīng)該盡量放開思想，認(rèn)真思考是否還有其他的高速推進(jìn)選項(xiàng)。我不想現(xiàn)在就收斂我們的技術(shù)路線。”

一、推進(jìn)系統(tǒng)的潛在可選方案除了渦輪基沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)以外（編者注：即TBCC，目前是美國(guó)軍民用高超聲速飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的主流技術(shù)路線，也是美國(guó)航空航天局NASA開展兩級(jí)入軌飛行器第一級(jí)動(dòng)力研究的主要技術(shù)路線），目前正在研究的多類推進(jìn)方案都有作為馬赫數(shù)0～6＋高超聲速飛行器動(dòng)力的潛力。一類是采用液氫作為熱沉和燃料的動(dòng)力，包括日本航宇研發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）研究的ATREX空氣渦輪沖壓膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)、俄羅斯研究的ATRDC深度預(yù)冷空氣渦輪火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、（編者注：美國(guó)MSE公司）綜合了深度預(yù)冷渦輪與液體火箭的KLIN發(fā)動(dòng)機(jī)、以及吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)等。一類是正在興起的旋轉(zhuǎn)和脈沖爆震發(fā)動(dòng)機(jī)以及磁流體／磁－等離子體發(fā)動(dòng)機(jī)，其中有研究認(rèn)為，將脈沖爆震火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與引射沖壓、亞燃沖壓、超燃沖壓和火箭等模態(tài)組合起來，可用于實(shí)現(xiàn)太空進(jìn)入。另外還有一個(gè)備選方案就是英國(guó)反作用發(fā)動(dòng)機(jī)公司（REL）正在研制的“佩刀”協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)在2019年10月完成了預(yù)冷卻器樣機(jī)在馬赫數(shù)5條件下的地面考核試驗(yàn)。劉易斯認(rèn)為，“液態(tài)空氣循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)和深度預(yù)冷循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)理念都極具發(fā)展前景。我不知道它們最終是否能夠成功研制出來，但它們看上去都有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。我真正關(guān)心的是我們（必須）保持充分多樣化的研發(fā)路線，確保給各類概念都留有足夠的發(fā)展空間�！�

二、機(jī)體／推進(jìn)一體化隨著速度和高度增加，吸氣式飛行器都必須滿足一個(gè)相對(duì)較小的飛行包線的約束。碳?xì)淙剂铣�燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)需要從馬赫數(shù)3開始啟動(dòng)，燃料熱值限制了它最多只能飛到馬赫數(shù)7．5，而氫燃料則可以將這個(gè)速度極限擴(kuò)展到馬赫數(shù)14。從飛行高度來看，大多數(shù)雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)飛行包線的上邊界都限定在500磅力／平方英尺（psf，約合24千帕，24kPa），即從，馬赫數(shù)5／高度30千米到馬赫數(shù)15／高度45千米的動(dòng)壓線；下邊界一般受結(jié)構(gòu)強(qiáng)度限制，限定在2000磅力／平方英尺（psf，約合98千帕，96kPa），即從馬赫數(shù)2．5／高度12千米到馬赫數(shù)14／高度33千米的動(dòng)壓線。此外，需要面臨的挑戰(zhàn)還有：設(shè)計(jì)條件隨著馬赫數(shù)變化帶來的氣動(dòng)特性變化而更加復(fù)雜；優(yōu)化機(jī)翼面積來適應(yīng)多種飛行模態(tài)；高載油系數(shù)的飛行器布局設(shè)計(jì)；以及設(shè)計(jì)恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)氣道和尾噴管尺寸，這兩個(gè)部件的最優(yōu)外形設(shè)計(jì)理論上會(huì)緊密隨著馬赫數(shù)變化而顯著變化。劉易斯表示，“我們知道怎么設(shè)計(jì)一個(gè)好的進(jìn)氣道，但不知道什么是最好的進(jìn)氣道設(shè)計(jì)。這里面仍然有大量的研發(fā)和優(yōu)化工作需要做�！备咄谱璞葘�(duì)于快速加速到馬赫數(shù)5＋至關(guān)重要。研究人員發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣流量與發(fā)動(dòng)機(jī)推力必須高度匹配才能在各速度段都獲得2以上的推阻比。與此同時(shí)，為了使飛行器能夠順利跨過馬赫數(shù)1附近的跨聲速段，一方面進(jìn)氣道既要足夠大以便捕獲足夠多的空氣來獲得足夠的推力，另一方面進(jìn)氣道和尾噴管又要足夠小以便減小飛行器的阻力。波音公司高超聲速首席科學(xué)家鮑卡特表示，“設(shè)計(jì)進(jìn)氣道要面臨方方面面的挑戰(zhàn)，要兼容大范圍變化的空氣流量捕獲要求（通常以捕獲面積計(jì)算）和收縮比要求（實(shí)現(xiàn)高壓比和來流穩(wěn)定性），還要確保進(jìn)氣畸變足夠低和溢流阻力足夠小。而以上每個(gè)參數(shù)的具體要求都會(huì)隨著馬赫數(shù)、高度和攻角等飛行參數(shù)的大范圍變化而變化�！眲⒁姿挂舱J(rèn)為，“過去這么多年，我接觸了非常多的高超聲速飛行器概念設(shè)計(jì)，決定它們最終氣動(dòng)外形方案的往往都不是它們的高超聲速性能要求，而是跨聲速性能要求。你可以設(shè)計(jì)出一個(gè)在馬赫數(shù)5、6、7或8有良好性能的氣動(dòng)外形，但它們都沒法跨過馬赫數(shù)1。推阻平衡在跨聲速段總是無法接續(xù)上。我們?cè)谠O(shè)計(jì)導(dǎo)彈的時(shí)候，總是用火箭來快速跨過馬赫數(shù)1，因此也就不存在這個(gè)問題了。但（編者注：對(duì)于需要水平起降的高超聲速飛機(jī)來說，）低馬赫數(shù)段的性能就變得非常重要了�！�

上圖空天飛機(jī)概念方案經(jīng)過多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化后實(shí)現(xiàn)近40％減重（美國(guó)波音公司圖片）機(jī)體與推進(jìn)緊密耦合以后又帶來了對(duì)飛行器內(nèi)部機(jī)載系統(tǒng)重量、功率、尺寸等最小化的要求，這使得問題進(jìn)一步復(fù)雜化。劉易斯認(rèn)為，通過多學(xué)科優(yōu)化等方法實(shí)現(xiàn)高度一體化的飛行器架構(gòu)“絕對(duì)是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。我們35年前就明白了高超聲速飛行器必須是一個(gè)高度一體化的系統(tǒng)，今天我們對(duì)這一點(diǎn)更加深信不疑�！�

三、尺寸與流動(dòng)問題尺寸放大會(huì)帶來諸多問題。美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室防空反導(dǎo)部門負(fù)責(zé)人大衛(wèi)·萬·懷爾（David Van Wie）表示，“隨著飛行器尺寸增加，其他問題又會(huì)耦合進(jìn)來，比如結(jié)構(gòu)彎曲與屈伸。飛行器都不可能是剛體。飛行載荷將深入影響到發(fā)動(dòng)機(jī)乃至推進(jìn)系統(tǒng)。而尺寸越大，這種耦合影響就越顯著和復(fù)雜�！背叽缧×艘矔�(huì)有問題。雖然剛度變好了，但又會(huì)面臨容量和熱管理等難題。萬·懷爾表示，“NASA很早以前就研究指出，越細(xì)長(zhǎng)的飛行器升阻比越高。但如果飛行器尺寸太小的話，就沒法做到細(xì)長(zhǎng)，因?yàn)槟菢拥脑挋C(jī)體內(nèi)部容量就不夠了。這里面需要各方權(quán)衡�！蓖庑纬叽缧枰�考慮的另一個(gè)問題涉及到邊界層，這是一個(gè)影響高超聲速飛行器設(shè)計(jì)的核心問題。高超聲速邊界層的特性往往會(huì)與激波耦合在一起。激波與邊界層耦合會(huì)產(chǎn)生額外的摩擦阻力，并且在某些情況下可以使氣動(dòng)加熱比在層流條件下增加8倍。隨著激波位置變化，兩者的耦合區(qū)域也會(huì)變化。鮑卡特指出，“因此，氣動(dòng)加熱加劇現(xiàn)象會(huì)在飛行器各處游走，這樣就會(huì)顯著增加飛行器需要進(jìn)行熱防護(hù)或熱管理的面積（導(dǎo)致重量和成本增加）。邊界層精確預(yù)測(cè)和邊界層轉(zhuǎn)捩推遲就變得非常重要�！�

Hexafly－INT項(xiàng)目對(duì)高超聲速飛行器激波與流動(dòng)干擾進(jìn)行更高精度的預(yù)測(cè)（歐洲航天局圖片）劉易斯認(rèn)為，“我們現(xiàn)在還無法精確預(yù)測(cè)高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩，我們只能大概地進(jìn)行預(yù)測(cè)，并不斷提高預(yù)測(cè)精度�！眲⒁姿棺鳛閷W(xué)生參與美國(guó)國(guó)家空天飛機(jī)計(jì)劃（NASP）項(xiàng)目時(shí)曾有一位非常資深的老師告訴他，如果飛行器的邊界層都是湍流而不是層流，那它永遠(yuǎn)沒法飛行。“我過去的經(jīng)驗(yàn)告訴我，如果我們的飛行器設(shè)計(jì)得這么敏感，那它肯定沒法飛行，我們必須要設(shè)計(jì)出足夠魯棒的氣動(dòng)布局。這是一件很難的事情�！比f·懷爾同意這個(gè)觀點(diǎn)，“不斷提高我們的飛行器設(shè)計(jì)能力，使它在空中飛行時(shí)具有足夠的操縱魯棒性，是當(dāng)前面臨的一個(gè)更大的問題。你肯定不希望這個(gè)飛行器只能按照特定的剖面來飛行。我希望它可以像其他飛行器一樣自由飛行�！�