速度是音速的五倍：為高超聲速飛行的時代做好準備

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】這架圓滑的飛機，實際上比飛機還要多，從B-52轟炸機的機翼上滑落飛行，然後在加州海岸附近的穆古海域上空拍攝，留下了長長的白色尾跡。無人駕駛的X-51A達到4.8馬赫，幾乎是音速的五倍，藉助固體火箭助推器的幫助。然後波音公司的飛機放棄了助推器，它的實驗超燃衝壓發動機接管了，吸入高度壓縮空氣，以推動車輛更快的速度，達到3400英里每小時或者是5.1馬赫。在2013年的試飛過程中，這架飛機僅依靠超燃衝壓發動機飛行了3分鐘，但研究人員稱，在10年內將飛機推進至5馬赫或更高的超音速飛行的可靠技術將在10年內發揮作用，最初用於導彈。

圖片版權：美國空軍

存在很高的風險

五角大樓認為高超聲速武器是一種潛在的遊戲規則改變者，它可以給它或一個對手——在過去幾十年里隱形飛機或智能炸彈的優勢。高超音速導彈很難擊落，到達時幾乎沒有任何警告和機動，以避免防禦。俄羅斯和中國也在研製高超音速導彈，11月，有報道稱中國已開始建造世界上最快的風洞，以測試高超音速飛機和武器。美國海軍太平洋司令部(U.S. Pacific Command)司令、海軍上將哈里哈里斯(Harry Harris Jr.)上周在眾議院軍事委員會(House Armed Services Committee)前表示:「我對中國大舉投資下一波軍事技術(包括高超音速導彈)深感擔憂。如果美國不跟上步伐，(美國太平洋司令部)將很難與中國人民解放軍在未來的戰場上競爭。

就像過去的項目，包括隱形技術和彈道導彈研究一樣，南加州可能會在其發展中發揮主導作用。美國國防高級研究計劃局(DARPA)是幫助開發互聯網的同一機構，美國空軍正在牽頭一個名為「高超聲速空氣呼吸武器」的項目。它已授予包括雷聲公司(Raytheon Co.)和洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin Corp.)在內的防務公司的合同，以開發能夠「有效且負擔得起」的空中發射高超音速巡航導彈的技術。航空航天公司軌道ATK公司最近也被選中參加了美國國防部高級研究計劃局的超音速飛機發動機項目，而軍用飛機製造商已經討論了他們自己的高超音速飛機的概念。

據報道，近一段時間，美國國防部準備開始測試一種超速度彈丸，其速度可以達到接近6馬赫的速度。這枚炮彈可能對未來的導彈防禦有影響。可靠特超音速不僅可以推動導彈難以置信的速度,使他們更難擊落在不尋常而且還將允許更大的機動性altitudes-both靠近地面,遠高於目前的導彈防禦系統的範圍,根據Rand corp .)去年發布的報告。波音公司的高級技術研究員、首席科學家凱文·鮑克特(Kevin Bowcutt)在1995年提出了X-51A的最初概念設計。美國目前的技術強調的是，hypersonics是多重的。從歷史上看，美國一直是這一領域的領導者，而且這項技術也很有前途。

但卡內基國際和平智庫(Carnegie Endowment for International Peace think tank)的核政策項目聯席主任詹姆斯·阿克頓(James Acton)說，發展不是由特定的任務所驅動的。其他分析人士說，目前推動hypersonics的努力可能是試圖阻止其他國家考慮高超音速導彈襲擊。但是，為了開發功能性的超音速技術，美國需要開發發動機系統和材料，這些系統和材料可以在高速和高溫下運行很長一段時間。專家說，光是研發成本就很重要，甚至不包括開發運營車輛所需的數十億美元。萊剋星敦研究所(Lexington Institute)智庫的航空業分析師洛倫·湯普森(Loren Thompson)表示，如果研究「在真正的武器項目中取得成果」，那麼到2020年至2035年之間，將有數百億美元的資金投入到hypersonics合同上。

這對南加州來說可能是個福音

湯普森說，該地區是美國工業和美國政府重點研究中心的所在地，比如洛克希德·馬丁公司(Lockheed Martin)神秘的帕姆戴爾(Palmdale Skunk)工廠和愛德華茲空軍基地(Edwards Air Force base)，這可能使其成為hypersonics研究中心。波音公司表示，在亨廷頓海灘設施以及聖路易斯和西雅圖都已經開展了超音速工作。過去的主要研究和發展項目給該地區帶來了成千上萬的就業機會。1992年，當B-2隱形轟炸機接近其生產高峰時，飛機製造商諾斯羅普在皮科里韋拉有9000名工人，在帕姆代爾有3000名工人。20世紀40年代美國的「海派」發展到現在，JPL在德國V-2火箭的鼻子上安裝了一枚WAC下體火箭，以製造一枚兩級火箭，這是美國陸軍的「保險計劃」的一部分。

1949年從新墨西哥州的白沙導彈靶場發射，火箭達到了5150英里/小時或大約6.7馬赫。另一個重大突破出現在20世紀50年代和60年代，X-15項目，實驗火箭推進飛行器達到了最高速度的6.7馬赫，並被設計用來提高對高超音速飛行的理解。來自測試飛行的數據幫助影響了阿波羅太空艙的航天器設計和將宇航員送上月球的土星五號火箭。從1981年到2011年的太空梭，在重返地球大氣層時也達到了高超音速，導致了吸熱瓷磚和大圓角的發展，從而降低了重新進入大氣層的溫度。但是，儘管有這些漸進的發展，仍然有很大的技術障礙需要解決，尤其是在材料科學方面。

當重新進入地球大氣層時，太空梭的外表面遇到了接近3000華氏度的溫度。飛機級的鋁在溫度大約比這低三倍的時候熔化，而飛機的結構在更低的溫度下也會失敗。一種可能的解決方案是諸如鈦或鎳基合金之類的材料，這些材料的速度可以略高於5馬赫。過去，陶瓷基複合材料，一種更具有異國情調的強弱纖維混合，可能是一個答案。亞利桑那大學航天和機械工程系的助理教授Stuart a . Craig說：能更好地預測熱負荷，就能更好地利用材料或結構來處理熱負荷。開發一種更大的超燃衝壓發動機——正式稱為超音速燃燒衝壓噴氣發動機——也具有挑戰性。雖然火箭可以獲得高超音速的車輛，但它們太大、太笨重、沒有效率，不能用於輕型導彈或飛機。

進入衝壓噴氣發動機-一個可以提供動力的空氣呼吸引擎，它的速度大於5馬赫，但更輕，更有效率。與火箭不同，超燃衝壓發動機不需要攜帶自己的氧氣罐來燃燒燃料，燃料通常是碳氫化合物。相反，它利用大氣中的空氣作為推進劑的氧化劑。蘭德公司(Rand Corp.)的高級工程師、導彈開發專家喬治納庫茲(George Nacouzi)說：每次你想駕駛高超音速滑翔器或巡航導彈時，你都負擔不起建造所有這些大型火箭的費用，這是不可能的。超燃衝壓發動機通常以大約5馬赫的速度開始工作，當氣流仍然是超音速的並且高度壓縮的時候。美國航空航天局(NASA)的X-43A飛機項目在過去的十年里證明了超音速衝壓噴氣發動機可以工作，儘管它的規模比普通飛機要小。

波音公司的Bowcutt說：擴大規模可能是一項挑戰。他在洛克威爾國際公司(Rockwell International)開發了X-51A設計，後來被波音公司收購。由於風洞的大小是有限的，工程師們也必須更多地依賴於計算機模擬，這在現實世界中不一定能完全驗證一個概念。但是新技術的發展使得一些問題更容易解決。在最近的一次航天技術會議上，洛克希德·馬丁公司的副總裁Jack O"Banion說，計算機處理能力和數字工具的增加幫助國防巨頭為一種叫做SR-72的平面概念設計了一個超衝壓噴氣發動機。

洛克希德·馬丁公司表示，這種高超音速飛機概念的飛行速度可以達到6馬赫，並在2030年投入使用。洛克希德公司的一名高管最近反駁了有關SR-72已經存在的猜測，稱該公司的重點是高超音速武器系統。(這個名字是對洛克希德公司的「隱形SR-71黑鳥」的致敬，它在1964年首次飛行，平均時速達到了每小時2200英里。通過數字印刷製造，O"Banion表示，該公司可以將超燃衝壓發動機與一個「令人難以置信的複雜冷卻系統」結合起來，使發動機能夠承受多次啟動的常規操作，沒有移動的部件。在所有這些挑戰中，許多研究人員說可能首先用於導彈，之後用於載人飛行器。

不過，蘭德公司(Rand Corp.)的Nacouzi說：不要指望很快就能在超音速客機上預定座位，因為這項技術的商業應用可能至少需要30年的時間。這一時間表將取決於高超聲速旅行的商業案例，這可能會令票價上漲。協和客機的例子並不是很有希望。2000年，一場空難奪去了113人的生命，使艦隊暫時擱淺，但在9·11事件後，航空公司的運營成本居高不下，導致飛機在2003年最終退役。從導彈開始就容易多了，比飛機簡單，因為飛機有更多的系統。

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作者：Samantha Masunaga

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：洛杉磯時報

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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