壯志凌雲——嶄露頭角的高超聲速飛行器

最新 05-31

今年5月20日軍民融合展上出現了國防科大研製的「凌雲」臨近空間高超聲速通用試飛平台。如果再稍微往回看：5月初，俄羅斯匕首高超聲速導彈服役，4月底中國高超聲速飛行器試驗，北方城市看到神秘UFO；3月初，普京宣布俄高超聲速武器可以突破任何防空系統……這一切都指向一個東西，高超聲速飛行器。

在前面《咋不上天呢？》《不一樣的焰火》兩個系列中，玉衡已經提到，人類對速度的極致追求永無止境。在中國神話傳說中，除了嫦娥奔月，更能體現速度的，非大名鼎鼎齊千大聖孫悟空莫屬，在小說《西遊記》中，孫行者一個筋斗雲就是十萬八千里……

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等等，哪裡有點不太對，一向追求嚴謹的玉衡同學覺得這個實在有點不嚴謹，容我先概算一下。如果孫悟空的筋斗軌跡是拋物線（彈道導彈就是拋上去、掉下來的拋物線），那它到底飛了多高、多快呢？當然最準確的方法就是採用外彈道程序計算，考慮彈道傾角、風阻、外形等等，比較複雜。例如國慶閱兵亮相的某反航母利器，假設其射程2500公里時，經粗略計算得到飛行時間約700秒，最大飛行速度約4.5千米/秒，彈道頂點高度約625千米。

這時候如果把孫猴子等效為一個導彈，事實上它也很導（搗）彈（蛋），那麼他的初速度是0，運動距離時是10萬里就是5萬公里（媽呀，完全可以繞地球一圈了呀）。通常人體可承受的加速度也就6-8G，超過10G基本上脊椎就變形了。如果大家對承受大多加速度沒有概念的話，回想一下歡樂谷之類的遊樂場那個讓你衣冠不整、髮型凌亂、聲嘶力竭慘叫的……大擺錘，旋轉加上自由下落最大加速度也就4.3G。

那勉強認為孫猴子可以承受10G的加速度，運用以上參數計算（省略具體過程），得到孫猴子飛行的最高點1.2萬千米，這是個什麼概念呢？其實，普通氣象衛星之類的高度基本在600-800km的高度，只有高軌運行的衛星達到1萬千米以上，也就是說孫猴子那隻偷摘蟠桃的手可以摘到GPS衛星了，一顆賽艇……難道這就是所謂的「手可摘星辰」……吼猴吼猴……

粗略估算：整個過程中，孫猴子飛行時間3130秒，最大速度達到20.1km/S。WTF？？？這又是個什麼概念，一秒鐘20公里，就是58馬赫。以58倍音速砸下來它還是個猴子嘛？表示非常懷疑，其實這麼快的真的不是猴子，它應該是高超聲速飛行器了，而且孫猴子一小時打遍全球真的不是吹牛，完全可以實現。

以上說這些，其實就是為了說明接下來開始講的這個系列——高超聲速飛行器。這個系列講述高超聲速技術及各國正在發展的高超聲速武器裝備以及如火如荼開展的高超聲速技術。

本篇主要綜述一下高超聲速飛行器技術發展及問題挑戰。本系列後續計劃分篇講述以下內容：

0.高超聲速飛行器發展概況

1.閃電突襲我凌雲——吸氣巡航飛行器

2.半緣彈道半巡航——彈道+巡航飛行器

3.我有輕功水上漂——助推+滑翔飛行器

4.空天攬月任我行——可重複使用空天飛行器

5.誰持彩練當空舞——中國的高超聲速飛行器試驗情況

6.更高更快更遠——國外高超聲速飛行器試驗情況

0. 高超聲速飛行器發展概況

高超聲速（hypersonic）這一概念是1946年，錢學森（Tsien H.S）提出來的，通常用來流馬赫數大於5就稱作高超聲速[1]。高超聲速和前面講過的超聲速已經不是一個概念了，因為量變的累積會導致質變，很多流動特性發生了改變。具體得氣體動力學知識就不多講了，關鍵說一下我們怎麼駕馭高超聲速飛行，以及有哪些高大上的高超聲速飛行器。

如果對以上內容沒有概念，也沒關係，先說一個具體得事：大家4月27日晚上的朋友圈肯定出現過神跡，北京、天津、河北、山西、山東等地看到了外星人，網友驚呼，誰家手電筒扔天上了……上圖：

高超聲速飛行器試驗

傍晚天空出現的飛行器尾跡

其實，它就是中國開展的高超聲速飛行器飛行試驗，後面再從技術角度具體解釋。下面簡要回顧一下高超聲速飛行器發展過程。

1996年，NASA啟動軌道太空梭計劃，先後研製了可重複使用航天運載器X-33和 X-34，X-33為「升力體」外形，垂直發射並在亞軌道飛行，機長20.29米，高 5.88米，翼展22.06米[1]。升力體是個啥意思呢，就是外形像個大餅，按照升力產生機理（具體解釋可回看咋不上天系列1），這樣能保證有足夠的升力。

X-33

而後，NASA提出Hyper-X 計劃，並試飛了X-43高超音速技術驗證機，該計劃在1996至2004 年完成高超聲速飛行試驗。X-34機長17.76 米，高 3.50 米，翼展 8.44 米。X-34為翼身融合體結構，也就是機身和機翼平滑過渡，結合為一體[1]。

X-34

新世紀以來，NASA、美國空軍實驗室和波音公司合作開發成本較低、可重複使用的空天飛機X-37計劃[1]，歷經10多年努力，2010年完成X-37B首飛，並在2011至2014年組織了多次在軌飛行試驗。它的最終使命就是取代退役的太空梭。

X-37B

近年來，中國俄羅斯等在高超聲速飛行器研究方面取得很大進展。中國從2014年開始密集組織多次WU-14（又叫DF-ZF）飛行試驗[2]。

中國高超聲速飛行器構型之一來源：維基百科

並在今年5月的軍民融合展出了國防科大研製的「凌雲」臨近空間高超聲速通用試飛平台。凌雲從頭部看起來，應該使用頭部進氣的超燃衝壓發動機，是一種巡航飛行式飛行器。既然是通用試飛平台，那也就意味著是用來研究機理的，並不是武器型號。

「凌雲」臨近空間高超聲速通用試飛平台

其實，這不是中國公開的第一款高超聲速飛行器。此前，航天科技集團在2014年珠海航展上展出了CX-1（超巡1號）高超聲速巡航導彈，並集成到陸軍戰術武器系統中向外軍推銷。因其外觀與俄羅斯-印度聯合研製的布拉莫斯（Bromos）極其相似，網友取名「抄襲-1號」。

中國航天一院 CX-1

2018年3月，俄羅斯總統普京在年初的國情咨文（我們應該叫「兩會」）中，集中展示了正在發展的高超聲速武器，核動力巡航導彈的3d動畫示意圖，其「高機動性能」、「無限續航」，能夠突破任何防空系統。美媒介紹，俄羅斯將在今年夏季對其最新高超音速導彈系統「前衛（Avangard）」進行第4次測試。

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俄羅斯公布的高超聲速武器飛行軌跡來源：塔斯社網站

今年5月3日，俄羅斯服役了「匕首」高超聲速導彈武器，俄塔斯社播放了米格-31攜帶並發射「匕首」的視頻。

米格31掛載匕首導彈

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匕首導彈飛行中變動軌跡

當然，如果看學術研究論文，西方許多高校和機構提出了各種民用高超聲速飛機設計思路。英國反應動力公司（Reaction Engines Limited）提出一種單級入軌飛行器方案SKYLON雲霄塔空天飛機，並為之研製了佩刀發動機[3]。

SKYLON-C1

德國科技人員提出SpaceLiner概念[4]，並進行了大量研究，未來想要去歐美讀書、旅遊，不會像現在這樣多次轉機，耗費幾十個小時，1小時洲際旅行很有可能成為現實。

SpaceLiner-7

最後，以法國貝爾福-蒙貝利亞技術大學（UTBM）空天客運飛機的一段視頻結束這一期的內容。這個飛行器也是兩級入軌的，首先通過一家大型飛機攜帶到高空，然後飛機投放出去，飛行器自行點火升空。畢竟，消耗最小的能量克服重力，並升高到最高的位置，一直是航天人孜孜以求的。希望大家都有機會遨遊太空，俯瞰美麗的藍色星球。

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