讓飛行速度超過5倍聲速

中科院力學研究所獨創反向爆轟驅動方法，創新多項激波風洞技術，研製成功的國際首座超大型高超聲速激波風洞。新華社

中南大學粉末冶金國家重點實驗室團隊，通過大量實驗開發了一種新型的耐3000℃燒蝕的陶瓷塗層及其複合材料。 新華社

1947年10月14日，美國空軍上尉查爾斯·耶格駕駛X - 1，在12800米的高空飛行，速度達到1278公里/小時。人類首次突破了聲障，進入超聲速飛行時代。而今，高超聲速飛行也將來了。中國科學院力學研究所研究員張德良，參加廣州「院士進校園」活動。9月25日，在廣州增城第一中學，他帶來一堂《一小時內到達全球———我國高超聲速飛行技術》的科普講座。據張德良介紹，隨著我國對於高超聲速飛行技術的研究，也許有一天，兩個小時從北京飛到紐約將不再是幻想。

未來從北京到紐約可能只需要兩個小時

什麼是高超聲速飛行？「高超聲速飛行是指飛行器飛行速度大於5倍聲速的飛行。」張德良介紹，現在世界的超聲速飛機可以達到超過聲速兩倍多一點，但現在飛行器的飛行速度已經無法再快了。「但我們人類總是想著要飛得越來越快，要突破極限，所以就想到了高超聲速飛行。」

高超聲速飛行器是本世紀正在研發的最新前沿科技項目。高超聲速飛行器的飛行速度要高於5倍聲速，即5馬赫（M H CH ），或接近6000公里/小時。高超聲速的英文詞是「hyperson-ic」，這個詞還是我國著名科學家錢學森先生，在上世紀40年代首先提出的。同時，他還提出了高超聲速滑翔飛行彈道，即「錢學森彈道」。「這個飛行速度如果一旦實現，那麼我們從北京到紐約，只需要兩個小時。」憧憬到未來可能出現的這種場景，張德良很開心，「我們完全可以在北京吃完晚飯，然後坐飛機去紐約工作，工作完了，當天就可乘飛機回北京，這樣全世界就好比生活在一個地球村裡。」

中國起步雖晚 但研究水平「緊追美國」

「應該說，在高超聲速飛行這領域，起步最早的是美國；其次是俄羅斯、中國。因此，美國的總體水平和研製技術是最高的。」張德良坦言，美國在2013年進行的X-51A高超音速飛行器驗證機是迄今為止最接近成功的高超音速飛行器項目。隨後，美國又繼續試飛一系列新型高超聲速飛行器，進一步拉大了其與世界其他國家的差距，「從整體技術而言，美國確實領先於其他幾個國家。」張德良說，中國在高超聲速飛行技術研製方面起步雖晚，但經過這些年努力，研究水平也不差，可以說是在「緊追美國」。

「這幾年，伴隨著中國經濟和綜合國力的不斷提升，中國正在尖端科技上逐步取得重大突破，這也是中國為何能在短期內緊跟美國試驗高超聲速飛行器的一個重要原因。」張德良談及中國在超高聲速飛行研究上的優勢有幾個方面：首先，經過幾十年的不斷發展，中國已經具備了完整的工業體系，幾乎所有的工藝技術都可以做到；其次，人才培養和儲備方面十分充足，年輕的科技人員已經能夠順利完成「接力」；最後，「特別是經過幾十年的經濟發展，國家富裕了，現在國家對我國的科研項目給予的支持比原來多很多。」張德良表示，「這樣，科學家們少了後顧之憂，可以更充分地發揮自身作用，做想做的科研項目。」

研製高超聲速飛行器

先要解決材料的防熱問題

從科技的角度來看，高超聲速飛行器融合了航天和航空的諸多前沿技術。但是，從軍事戰略角度上看，高超聲速飛行技術具有驚人的威力和巨大的應用前景，可以徹底改變當前的戰略思維，形成完全新型的戰略戰術！「實際上，高超聲速飛行技術確實就是首先從軍事需要的角度提出的。我們都知道，現在很多國家都已掌握核武器技術，核武器威力巨大，破壞力也驚人，但誰也不敢輕易使用。一旦擁有核武器，它平時的維護、保養甚至報廢都有一連串的麻煩，都需要花費很高的成本。所以，人們就想，可不可以用一種常規性武器來代替核武器：它的威力能達到核武器效果，但沒有嚴重的核輻射，維護和保養的成本也很低，這就是提出超高聲速飛行技術的基本出發點。」張德良說。

美國是最早提出「高超聲速飛行」概念的國家，美國把該技術視為在未來「能改變戰局」的關鍵技術，X-51A、X -37B和H T V -2都是發展該系統的重要組成部分，即在1小時內對地球上任何一處目標實施精確打擊。不難看出，高超聲速飛行技術是有可能顛覆軍事戰略與民用航空航天領域的一項技術。不過，要達到這樣一個飛行速度可不是一件簡單的事情。「現在飛得最快的飛行器是美國的SR-71『黑鳥』偵察機，它的時速可以達到聲速的3倍，但即便是這樣，它飛行完一次以後，飛行器也基本報廢了。」張德良表示，因為目前無論哪種飛行器，當超過聲速2.2到2.5倍的速度進行飛行時，其表面都會因為機身周圍空氣被強烈壓縮，以及機身與周圍空氣劇烈摩擦而產生高溫，而且溫度還會隨著飛行速度的提高而急劇上升。「所以，如果要研製高超聲速飛行器，首先要解決的就是高超聲速飛行器材料的防熱問題。」

我國成功研製首個國際超大型復現高空高超聲速飛行條件激波風洞

任何飛行器實現飛行前，都必須在風洞進行模擬實驗。當飛行器進行高超聲速飛行時，會遇到各種複雜的高溫氣動現象。這些複雜現象已經超出了經典氣體動力學的理論範疇，顛覆了傳統風洞實驗相似模擬準則，因此需要發展能夠復現高空高速飛行條件的風洞實驗技術。「迄今為止世界上最大、性能最先進的高超聲速激波風洞就在中國，也是我國自主研製大型、先進科研裝備的先例。」張德良說，這條總長為265米的復現高空高超聲速飛行條件激波風洞（JF12），就在北京懷柔雁棲湖畔錢學森國家工程科學實驗基地。它可以提供強大的驅動力，能在地面上構建一個25-50公里高空，飛行器以5-9倍的聲速飛行時的氣流條件。

「飛行器研製成功前，不可能馬上在天上試驗，要研製高超聲速飛行器，首先就要在風洞里構建出它在高空飛行的氣流條件。」張德良介紹說，中科院力學所的相關研究團隊利用獨創的氫氧反向爆轟驅動方法，通過系列激波風洞創新技術，短短4年時間，就成功研製了首個國際超大型復現高空高超聲速飛行條件激波風洞。這種氫氧反向爆轟驅動技術可以克服傳統技術的弱點，在風洞試驗段里，出現25-50公里高空，5-9倍聲速的高超聲速飛行條件，而且可以提供超過100毫秒的試驗時間，這樣就能測到比較準確的飛行數據。這項增強國人自信心和自豪感的重要成果，還榮獲2016年度國家技術發明二等獎和2016年度中國科學院傑出成就獎。

鏈接

廣州「院士專家校園行」由廣州市科協和廣州市教育局主辦，活動依託中國科協的網路資源和人才智力資源，邀請中國科學院、中國工程院以及全國各高校、科研院所的優秀科技工作者，包括兩院院士（駐穗院士）、高校教授（教學名師）、「千人計劃」專家、自然科學類學（協）會等科技社團專家、企業科技研發專家組成廣州科學傳播專家講師團，走進廣州地區各中小學校，面向中小學生舉辦科普講座。

進展

中南大學研發出耐3000℃燒蝕新材料

或可造高超聲速飛行器關鍵部件

據新華社8月21日報道，中南大學粉末冶金國家實驗室黃伯雲院士團隊通過大量實驗，開發了一種新型的耐3000℃燒蝕的陶瓷塗層及其複合材料，這一發現有可能為高超聲速飛行器的研製鋪平道路。中南大學粉末冶金研究院熊翔教授說，高超聲速飛行意味著其飛行速度等於或大於5倍聲速，即至少每小時6120公里。在如此高的速度下，兩小時內便可完成從北京到紐約的飛行旅程，但前提是飛行器的關鍵結構部件能夠承受住劇烈的空氣摩擦和高達2000-3000℃的熱氣流衝擊而不被破壞。中南大學新發現的超高溫陶瓷塗層及其複合材料可為上述部件提供較好的保護。

這種陶瓷是一種多元含硼單相碳化物，具有穩定的碳化物晶體結構，由Zr、T i、C和B四種元素組成。研發團隊採用熔滲工藝將多元陶瓷相引入到多孔炭/炭複合材料中，進而獲得一種非常有潛力的新型Zr-T i-C-B陶瓷塗層改性的炭/炭複合材料。「由於這種超高溫陶瓷兼具了碳化物的高溫適應性和硼化物的抗氧化特性，使上述塗層和複合材料表現出優越的抗燒蝕性能和抗熱震性能，是高超聲速飛行器關鍵部件極具前途的候選材料。」熊翔說。團隊研發的研究成果於6月15日在《自然·通訊》（N atureCom m unications）上發表，中南大學粉末冶金國家重點實驗室為本論文第一完成單位，熊翔教授為第一通訊作者，曾毅博士為第一作者。合作單位英國曼徹斯特大學對該材料進行了表徵和分析研究。

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出品：南都采編指揮中心

統籌：南都科學新聞工作室 主持：陳養凱

采寫：南都記者尹來 攝影：南都記者鍾銳鈞 實習生翁思成

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