小火箭聊軍事與商業航天中的高超聲速飛行器
小火箭出品
本文作者：邢強博士
本文共12269字，110圖。預計閱讀時間：1小時10分鐘。
公元532年，拜占庭帝國的查士丁尼大帝已登基5年。
這一年，他與宿敵波斯薩珊王朝簽訂了被後人稱為「永久和平」協議的文件，終結了曠日持久的戰爭。
隨後，他大力修建君士坦丁堡的城防，努力將其打造成一座」不可能被攻陷的堡壘「。
歲月靜好，江山永固。查士丁尼大帝召集在埃及亞歷山大港教授物理學的伊西多爾和在君士坦丁堡廣為人知的幾何學家安提莫斯設計並主持建造聖索菲亞大教堂。
從公元532年到公元537年，在拜占庭帝國充盈的國庫黃金、物理學家和幾何學家的通力合作和無數帝國勞工的努力下，僅用7年時間，當時世界上最大的教堂便矗立在泛著粼粼波光的博斯普魯斯海峽之畔。
（這個記錄直到帝國崩潰之後很久的1519年建成的位於西班牙安達盧西亞的那座大教堂所打破）
君士坦丁堡，在巔峰時期人口超過50萬的大都市，在史書中被稱作由大理石、寶石、黃金和藝術組成的城市，擁有著聖索菲亞大教堂，這座讓人們形容為」不可能在凡間存在的雄偉建築「，也擁有著令人生畏的軍事科技。
有多少人垂涎拜占庭帝國的財富，就會有多少場大大小小的戰役。
浩淼的地中海和廣袤的亞細亞依然容不下兩種不同的信仰。
不過，在近千年的軍事衝突中，拜占庭帝國依然屹立不倒。其秘訣之一，就是希臘火。
這種具體配方已經失傳的傳奇火藥，能夠劇烈燃燒甚至爆炸。地中海冰冷的海水不僅不能將其撲滅，反而能激發這種火焰舔舐天地的不羈本性。
在公元678年的一場規模巨大的海戰中，拜占庭帝國僅憑希臘火就讓對方艦隊中三分之二的軍艦在海面上燃成灰燼。
但是，歷史證明，西方帝國的福祉是很難綿延千年以上的。歷史的冷酷與淡然，在厚重的歷史書上體現地淋漓盡致：前幾頁還是策馬奔騰好不愜意，還是君臨天下萬邦來朝，但是翻過幾頁，往往就是血雨腥風與改朝換代。
拜占庭帝國也沒能跳出歷史的輪迴。希臘火的技術的確先進，但是由於長期採取嚴格的保密制度，結果數百年後，連拜占庭帝國最優秀的工程師也無從得知希臘火的製造工藝。
而君士坦丁堡的堅固城牆和浩淼海疆則分別面臨著來自奧斯曼帝國的大炮和槳帆船的巨大威脅。
在小火箭的公號報告《聊聊固體火箭發動機的推進劑》中，咱們已經對火藥和多種火箭發動機固體推進劑進行了詳細探討。
最早的固體推進劑是被稱為中國四大發明之一的黑火藥。以硝酸鉀、硫磺、木炭混合而成的黑火藥早在公元808年便已有文獻記載，並在北宋時期用來推動城防部隊的火箭。
公元1240年左右，黑火藥的秘密被傳播到了奧斯曼帝國等地。
黑火藥的重要組成成分，充當氧化劑的硝酸鉀被奧斯曼帝國稱作「中國雪」，而波斯人覺得它的外表像鹽，取名為「中國鹽」。
黑火藥傳播到歐洲之後，一直以發射葯的身份見證了槍械火炮技術的飛速發展。
天才火炮設計師烏爾班設計的烏爾班大炮，在公元1453年，幫助奧斯曼帝國敲開了君士坦丁堡的大門，順手埋葬了整個拜占庭帝國。
拜占庭帝國的希臘火的配方已經失傳（不過小火箭相信裡面的成分主要是：石腦油、硫磺、硝石，可能還有一些磷和石灰石）。
還好黑火藥的製備工藝沒有失傳，而且還在給如今的人類提供著絢麗和美好。
小火箭風格：黑火藥是用硫磺粉和木炭粉（供碳）以及硝酸鉀（供氧）按照「一硫二硝三木炭」的比例（硝酸鉀75%、硫磺10%、木炭15%）混合而成。 最佳比例應為硝酸鉀74.64%，硫磺11.85%，木炭13.51%（質量比）。
在奧斯曼帝國的鐵騎踏上拜占庭的土地的時候，那堅守城門到最後一刻的士兵，或許會發出這樣的疑問：
我們的海軍哪裡去了？
而這，恰恰是本文要開始和大家共同探討的話題：速度。
奧斯曼帝國能夠在1453年摧毀拜占庭帝國，從軍事科技的角度來看，其陸軍得益於巨大的火炮威力，其海軍則直徑受益於槳帆船的迅猛速度。
正如小火箭早些年總結中世紀戰爭的特點所稱：陸上得於力，海上得於速，總體則仰賴於情報。
有關力的探討，咱們在小火箭的導彈和運載火箭系列中，給出了自公元808年到現在的延續性分析。
而速度，則是神對人類永恆的誘惑，同時也是獲取勝利的關鍵要素。
戰爭打響後，吾將不眠不休，不飲不食，向敵人不停地發起衝鋒，直到敵人被我方徹底壓倒！
這是公元1453年在奧斯曼帝國槳帆船中發出的震天禱文。
健碩的槳手坐在只有波音737經濟艙座椅寬度大小的位置上，用全身的力量催動肘部，進而帶動10米長的巨槳的划動。
槳帆船相較於傳統大帆船的適航性要差很多，而且平時對數百位槳手的補給也是後勤系統的大難題。
但是，槳帆船把人類的力量發揮到了極致。在實戰中，大船不再完全依賴風向。
訓練有素的槳手團結一致，槳帆船的龍骨則曲線優美。
在衝鋒號令下達之後，槳帆船純靠人力，就能以7.5節的速度（14公里/小時）的速度，持續突進20分鐘。
這個速度，是傳統風帆戰艦平均速度的2倍以上。
類似重裝騎兵的戰列線衝鋒，槳帆船的結隊衝鋒也同樣能夠給對手帶來巨大的心理壓力。
巨大的沖角撞沉了拜占庭帝國的戰艦，同時也撕開了千百年來海洋中的無形鎖鏈。
人類在軍事科技領域，對速度的追求開始更加極致，直到出現」唯快不破「的信條。
君士坦丁堡陷落之後，過了450年，槳帆船淡出了人類視野。
當年的槳帆船，為了速度，用人力取代甚至對抗風力；450年後，同樣是為了速度，人類與風和解。
在公元1903年，人類掌握了御風而行的本領，開始向天空進發。
當時，飛行者1號的速度表的記錄是10.98公里/小時，雖然比起450年前槳帆船的14公里/小時的速度還是慢了不少，但是能夠擺脫海洋和陸地束縛的人類，前途不可限量。
兩年後，1905年，萊特兄弟的改進型飛行器飛行者3號達到了60公里/小時的巡航速度，並開始被軍方密切關注。
小火箭定律：迄今為止，在人類工程技術發展史上，幾乎沒有任何一項尖端技術能夠被軍方所忽略。不管這項技術的初衷到底是用於提升人類的生活質量還是僅僅用來滿足人類的好奇心，最終這些傢伙大多都被拿來用於增強軍隊的作戰效能了。
從此，學會飛行的人類開啟了新的速度提升之旅。
5年後，在1910年7月10日，人類成功地突破了100整數大關，駕駛飛行器達到了106.5公里/小時的速度。
2年後，還是在法國，1913年，人類飛行器的速度超過了200公里/小時。
1920年，人類飛行速度超過了300公里/小時。
1931年，600公里/小時的有人駕駛飛行器的速度紀錄誕生。
1947年6月19日，洛克希德公司的P-80噴氣式戰鬥機，飛出了1003.6公里/小時的速度。
公元1947年10月14日，耶格爾駕駛貝爾X-1技術驗證機在第50次試驗飛行中，在13115米高空，飛出了1126公里/小時的速度，超過了當地聲速，終於突破了聲障（Ma 1.06）。
聲障：過去曾被稱作」音障「，是指當飛行器的最大飛行速度接近聲速時出現的嚴重阻礙飛行的物理現象，包括飛機升力減小、阻力劇增、動力系統效率下降、出現低頭力矩和翼面抖振機翼。
在1958年5月18日，一架YF-104原型機飛出了2259.5公里/小時的速度，宣告人類飛行器進入了2馬赫時代。
1966年1月12日，一架XB-70女武神戰略轟炸機飛出了3250公里/小時的速度。
1976年7月28日，SR-71黑鳥高空高速偵察機以3529.6公里/小時的速度（這個速度也就是相當於用18分鐘16秒從北京跑到上海），把3馬赫的載人飛行推向了工程實用化的時代。
若有眾生一見佛，必使凈除諸業障。——《華嚴經》
對於飛行器來說，修得高速飛行正果之前，也要凈除業障。
在由亞聲速向超聲速跨進的過程中，聲障是一大業障。
在由剛剛超聲速向3馬赫跨進的過程中，又會遇到熱障。
熱障：當馬赫數超過Ma 2.5，尤其是達到Ma 3.0時，在大氣層內飛行的飛行器由於和大氣的摩擦，其表面溫度會急劇上升，達到300℃以上。這個溫度使得飛行器常用的鋁合金的結構強度大幅削弱。
早些年，人類工程師通過巧妙設計氣動外形，解決了跨聲速聲障的問題；而熱障，則是通過大量使用鈦合金（SR-71）甚至是不鏽鋼（米格-31）來解決的。
聲障，解決之道在氣動；熱障，解決之道在材料；那麼，往更快的速度邁進，人類又將遇到怎樣的難題，又該如何解決呢？
正片開啟：
高超
所謂高超聲速，就是達到或超過Ma 5的飛行速度。
小火箭給出以下表格：
之所以把Ma 5作為高超聲速的起點，主要還是從動力系統的角度來看的。
在小火箭的《衝壓發動機！不斷挑戰工程極限！》《勒杜克：衝壓發動機狂人》衝壓發動機系列專題報告中，咱們一起探討了衝壓發動機。
作為一種在該速度範圍內將會發揮重要作用的發動機，其動力輸出特性將會在Ma 5附近發生重要變化：
雖然飛行器整體的速度是超聲速，但是通過進氣道內斜激波的減速增壓作用，在經過若干斜激波之後，發動機燃燒室內的火焰還是在亞聲速氣流中燃燒的。這種情況，在大多數超聲速戰鬥機和很多以衝壓發動機為動力的飛行器上都會出現。
但是，當飛行速度太快，比如超過Ma 5的時候，斜激波的減速作用很難再把氣動控制住，此時的燃燒室內就是超聲速氣流了。
也就是說，燃燒室內，從亞聲速燃燒躍升為超聲速燃燒狀態。
這無異於在狂風暴雨中試圖點亮一柄火把。
如今，X-43A、X-51和X-37B以及「獵鷹」HTV-2等多種型號的高超聲速飛行器成為了人類進行高超聲速工程化突破的先鋒。
這些飛行器均已經取得了一定程度的成功。但是，實際上過程還是很曲折的。高超聲速飛行器從誕生伊始就給了飛行器設計師一記當頭棒喝。
2001年6月2日，X-43A高超聲速飛行器的第一架原型機準備進行首飛。
一開始，人們對首飛的預期還是很高的。這架X-43A高超聲速飛行器由一枚「飛馬座」固體火箭助推加速。
按飛行器設計和管理的角度來說，「飛馬座」火箭屬於成熟技術。
美國有多顆衛星就是由同款火箭發射到近地軌道上的，按理說執行在大氣層內平飛的任務，應該是輕而易舉的事情。但是，這一天的試驗，卻出了大事。
還遠未到高超聲速狀態，僅僅是在跨聲速階段，X-43A飛行器就產生了意料之外的振動。
後來，這種振動傳遍包括「飛馬座」火箭在內的整個飛行器，導致火箭嚴重偏離設計彈道。最終，測試人員不得不啟動了X-43A上面的自毀裝置，以免釀成更大的事故。
X-43A是現代高超聲速飛行器的代表型號，首飛失敗影響深遠。在工程技術人員對相關數據進行分析整理後，新的理論誕生了：
高超聲速飛行器的總體與制導控制系統與其他類型的飛行器有很大區別，需要專門進行優化。
2004年3月27日，也就是在上次失敗3年後，第二架X-43A原型機首飛。
在「飛馬座」火箭的助推後，X-43A成功與火箭分離，並依靠自身動力飛行了11秒，達到了7馬赫的速度，打破了SR-71高空偵察機創造的3.2馬赫的吸氣式發動機飛行器的速度紀錄，甚至順手也打破了1967年由X-15火箭動力飛行器創造的6.7馬赫的速度紀錄。
在光鮮的成功背後，我們深入分析發現，即使是在21世紀，在高超聲速飛行器上，工程師依然不得不做出大量妥協才能滿足總體設計要求。
比如，為了氣動減阻，X-43A的頭部尖削，充滿科技感。但是，這種頭部使得飛行器重心過於後移，穩定裕度大降。
於是，工程師不得不在X-43A的頭部整流罩內塞入配重物。
為了能在狹小空間內有所作為，最終199.6公斤的鎢塊成為了X-43A頭部的標配。（鎢的密度是鋼的2.45倍。）
在這個為了減輕飛行器的每一克重量而奮鬥的時代，為了實現高超聲速，我們卻不得不這麼干。說起來還是有些羞恥的。
另外，從試飛數據來看，之前用計算流體力學和風洞試驗得來的氣動係數、配平角度等參數在高超聲速狀態下，與實測值相差較大。
實際的飛行狀態下，X-43A用了幾乎為理論值1.9倍的攻角才終於實現了俯仰通道的平衡。
這說明人類工程師對高超聲速狀態下的空氣的脾氣性格還沒能深入了解。
現有的已經實現工程化的高超聲速飛行器中，前景較好的大多是在再入滑翔段進行高超聲速飛行的，鮮有靠自身動力從跨聲速階段直奔高超聲速階段的。
究其原因，同樣是總體設計的問題。
小火箭僅舉一個例子。
正常情況下，即使是SR-71高速偵察機，通過優化設計，也可以實現噴氣式發動機同時滿足亞聲速、跨聲速和超聲速3種狀態下的高效率工作的要求。
上圖為SR-71的J58發動機在Ma 0.0到Ma 3.2的速度範圍內，通過調節不同的進氣、排氣狀態來滿足不同來流速度條件的發動機工作效率的設計草案。
但是，高超聲速飛行器的機身與發動機噴口高度耦合。在現有技術條件下，工程師還只能照顧高超聲速狀態，而犧牲跨聲速狀態下的發動機效率。
因內流場不滿足跨聲速階段的工作環境要求，目前幾乎所有的高超聲速吸氣式發動機的效率在跨聲速階段都會降低30%左右。
而有些總體設計方案中，高超聲速飛行器甚至無法藉助自己的力量完成跨聲速階段的飛行，而不得已只能依賴組合衝壓、攜帶助推器等方法。
不過，衝壓發動機，這種高超聲速時代的動力來源，得到了長足發展。
槳帆船或者其他快速戰艦，在中世紀有一個大殺器，那就是位於船頭吃水線附近的巨大沖角。
沖角，英文名為Ram。在公元1453年，奧斯曼帝國征服拜占庭帝國的史詩級的戰役中，奧斯曼槳帆船手那齊心協力的嘶吼賦予了沖角強大的殺傷力。
如今，Ram-jet則是衝壓發動機的專屬名詞了。跨越了數百年，曾經用於撕開戰艦的沖角如今成為了衝破速度障礙的利器。
人類對速度的追求，古已有之，今復加倍。
X-51乘波體技術驗證機，是目前可公開的，人類工程技術層面最成熟的高超聲速飛行器。
該飛行器總共造了4架，進行了4次飛行試驗。
2010年5月26日，X-51A掛載在一架由B-52戰略轟炸機改裝而成的載機翼下，進入高空。
隨後，固體火箭助推器點火，將X-51A加速到Ma 4.8的速度。
然後，固體助推器成功分離，X-51A的衝壓發動機成功點火，將其加速到Ma 5.1，成功在2.1萬米高空進入了高超聲速飛行狀態。
2011年6月13日，X-51A的第2次飛行試驗啟動。但是因發動機進氣道沒能達到良好工作狀態而失敗。
2012年8月14日，X-51A的第3次飛行試驗開始。因部分氣動舵面鎖死，飛行器失控，墜入大洋。
2013年5月1日，X-51A迎來最關鍵的一次飛行試驗：就剩1架了，成了，項目繼續；失敗，項目終結。
B-52H將最後一架X-51A送入高空，隨後釋放。
固體火箭發動機將X-51A加速到Ma 4.8的速度。
然後，X-51A的超燃衝壓發動機啟動。
一開始，燃燒並不穩定。但是，突然發動機開始轉入非常理想的工作狀態，並持續溫度燃燒了210秒！
最終，X-51A的燃料耗盡，墜入太平洋。
這次試驗取得了大成功。所有370秒飛行的遙測數據，全部收集到。而210秒的高超聲速飛行時間，更是超過了之前的飛行器的高超聲速飛行積累時間的總和！
至此，衝壓發動機技術的成熟度得到了提升，從概念技術一步躍升為先進可行性技術。
上圖為X-51A的研發測試團隊在最後1架X-51A升空之前的大合影。
小火箭註：注意上圖恰恰包含了人類掌握的三種進氣道技術，從左至右：B-52戰略轟炸機機身上的嵌入式NACA進氣道技術（在跑車上仍有大量應用），X-51A的高超聲速超燃衝壓發動機進氣道技術，B-52戰略轟炸機機翼吊載的噴氣式發動機的亞聲速噴氣式發動機進氣道技術。
不久，美軍就發布了新版本的」1小時打擊全球「的戰略。
NACA嵌入式進氣道是什麼？就是上圖法拉利F40上面的那個。有機會小火箭一定專門開一個專題好好分析該進氣道的歷史和現在。
所謂全球打擊計劃，就是在突然爆發戰爭的時候，軍方可以在1小時以內，用常規力量或者核力量精確打擊全球任何一個角落。
這種快速反應能力，基於三種武器平台：
一是目前已有的陸基和海基洲際彈道導彈系統；
二是正在開發的高超聲速飛行器；
三是太空天基對地打擊平台。
可以說，X-51A的成功讓超燃衝壓技術和高超聲速飛行器的武器化進程得以加速。
預算
在《小火箭聊美國最新軍費預算與武器裝備》中，我們對美軍最新的軍費預算有了比較整體的了解。
而高超聲速飛行器更是佔據了先進技術研發專項經費的很大份額。
2020財年的軍費預算案強調了4項新興技術，包括：
37億美元
無人與自主技術：增強在有爭議的環境中進行機動和殺傷的能力。
26億美元
高超聲速技術：突破對方的現代偵察和防禦系統的新手段。
9.27億美元
人工智慧技術：用機器學習來融合人工智慧和高級圖像識別技術。
2.5億美元
定向能技術：用於防禦和進攻的大功率激光器
考慮到無人技術是由無人機、無人駕駛地面車輛和無人艦艇等海陸空多軍分享的技術，那麼高超聲速飛行器則成為了2020財年最大的單筆專項經費了。
在最新的2020財年，美國軍方對高超聲速飛行器的研製專項經費達到了26億美元！
相較於2019財年的13.4億美元，漲幅達94%！
另外，在2020~2024財年，還有一個105億美元的遠期預算來專門扶持高超聲速飛行器的研製。
在2009年2017年的8年時間裡，高超聲速技術在每年3億美元到5億美元之間的專項經費的支持下，已經有了快速的發展。
超燃衝壓發動機的理論就是在這段時間裡得到發展和最終工程化的。
而如今，美國顯然是意識到了來自其他軍事強國的技術挑戰的巨大壓力，開始以每年近乎翻倍的速度來加大投入，試圖在高超聲速領域與其他國家形成新的代差。
飛行
我們知道，當飛行器飛到Ma 2.5以上的時候，氣動加熱的效應就比較明顯了。
而高超聲速飛行器的飛行速度超過Ma 5.0，氣動加熱效應就更加突出。
因此，需要專門的氣動計算或者試驗方法來進行驗證。
氣動計算在高超聲速領域是比較熱門的。
當然，直接使用別人的計算結果並不是小火箭的風格，我覺得還是自己算一下比較靠譜。而且目前能夠拿到的美國和蘇聯相關飛行器的溫度場圖像沒有結合流場的流線展示，不是很直觀。
小火箭用用小火箭計算中心計算了7天（算上前後處理，斷斷續續用了2個月的時間），終於得出了結果。現在在這裡分享給所有小火箭好友，希望大家能夠喜歡：
上圖和上上圖是小火箭計算的某型高超聲速飛行器再入大氣時的流場情況。我的結果是：機頭和機翼前緣的最高溫度為1655℃。
現代防熱技術正在努力讓傳說中的伊卡洛斯的悲劇不再重演，但是飛行器再入大氣和高超聲速飛行器在飛行過程中的熱流是獲取高度和速度所必須付出的代價。
不過，目前人類對高超聲速狀態下的空氣的特性還沒有形成透徹的了解，建模難免會與大自然的實際情況出現偏差，於是，地面風洞試驗就出現了。
上圖為某型飛船防熱系統地面試驗的場景。
上圖為X-43A高超聲速飛行器的一個1：1全尺寸模型在美國蘭利國家空氣動力學中心進行地面風洞試驗的場景（肚皮朝上）。
另外，衝壓發動機也能夠在地面的風洞中進行點火測試。
上圖為X-51A的超燃衝壓發動機在蘭利國家空氣動力學中心的Ma 5.0高超聲速氣流中成功實現了點火的場景。
但是，高超聲速飛行器是一類代表了人類工程技術水平的飛行器，其總體設計、材料、工藝、動力、結構、導航制導控制等是高度耦合的。
在地面試驗中，衝壓發動機能夠成功點火併實現持續工作，並不能保證未來在實際飛行中不會出問題。
衝壓發動機對進氣口流場有著非常嚴苛的要求。高超聲速飛行器的攻角和側滑角往往會受到發動機工作狀態的嚴格約束。
所以，固定在地面上，是很難真正積累飛行的高超聲速飛行器的工程經驗的。
也就是說，我們不僅要有地面的風洞，還要有可飛行的空中風洞。
整個高超聲速飛行器的研製和試驗過程，應該分為：
計算機模擬、地面風洞試驗、空中自由飛行試驗
三個階段。
這些階段缺一不可，而且往往要並行和迭代進行。
蘇聯在研製高超聲速飛行器的時候，也經歷過這些階段。
在聯合了茹科夫斯基中央空氣流體動力研究院、巴拉諾夫中央發動機研究院、圖拉耶夫聯盟設計局、彩虹設計局等單位後，蘇聯建成了圖拉耶沃大型高空高速航空發動機試驗基地。
通過大量理論計算，蘇聯初步掌握了研製高超聲速飛行器的一個法門，那就是：
單純依靠理論計算，是搞不出高超聲速飛行器的。
於是，在茹科夫斯基空氣動力學中心，蘇聯建成了擁有轉速高達17000轉/分鐘的超級壓氣機的風洞。
隨後，他們又發現了同樣的問題：
高超聲速飛行器的動力系統和制導控制系統是高度耦合的。光在地面點火也還是不夠的。
研究高超聲速飛行器的最好方式，就是讓她到天上飛幾圈看看。
蘇聯的高超聲速飛行器研製團隊找遍蘇聯飛行器庫，最終鎖定了這麼一款科研設備：薩姆-5遠程地對空導彈。
這款導彈以4台固體火箭助推器啟動，4秒後，助推器脫離，然後液體火箭發動機會將導彈加速到Ma 4以上的速度。
強大的動力系統賦予薩姆-5遠程防空導彈4萬米的射高和300公里的射程！當然，該導彈的設計師明顯對當時的半主動雷達導引頭的制導精度信心不足，所以乾脆就放置了一個重217公斤的彈頭！
這是什麼概念？答：薩姆-5防空導彈的彈頭重量差不多是薩姆-6防空導彈彈頭重量的4倍。
Ma 4.0以上的飛行速度和217公斤重的彈頭，讓1967年就入役的薩姆-5防空導彈即使是在今天也有著足夠的作戰能力。
2018年2月10日，敘利亞防空部隊就是用這樣一款有著50多年光榮在役歷史的爺爺輩兒防空導彈把一架最新版本的以色列F-16I戰鬥機擊落了。
沒錯，薩姆-5遠程防空導彈就是秉承大力出奇蹟的理念而設計的武器。
當年蘇聯的高超聲速飛行器研製團隊正是看中了薩姆-5地對空導彈的蠻力。
他們採購了一批薩姆-5導彈，並將其列入國家科研設備採購清單。
然後，研製人員拆除了導彈的戰鬥部，將一台超燃衝壓驗證發動機安置在導彈頂端。
1991年11月27日，第一次試驗啟動。薩姆-5導彈強有力的火箭發動機將驗證發動機托舉到35000米的高空後，超燃衝壓發動機點火，在綿延180公里的平直彈道的末端，超燃驗證發動機燃燒了27.5秒，其中在5馬赫以上的速度範圍內工作了5秒，使飛行器的最大速度達到了5.6馬赫。
這是世界上首台在實際飛行中達到超燃狀態的衝壓發動機！
1992年和1995年，該團隊與法國合作又進行了兩次驗證飛行，最大速度達到了5.8馬赫。
俄羅斯的超燃發動機飛行試驗刺激了美國人，促使他們加快了超燃衝壓發動機的研究，並提出了與俄羅斯進行合作的倡議。
1997年，兩國交換研究資料後，開始正式進行超燃衝壓發動機的合作研究。
合作團隊沿用俄羅斯團隊的試驗場地（位於哈薩克拜科努爾航天中心附近）和驗證發動機，依託美國航空航天局（NASA）蘭利國家空氣動力學研究中心的風洞設備和工程師團隊對驗證發動機和薩姆-5導彈進行升級改造。
蘭利研究中心重新設計了驗證發動機的燃燒室和進氣道前緣，用更易導熱的銅合金替代了原有的鎳合金。薩姆-5導彈的彈體被重新優化，阻力下降了6%，總質量減少了124公斤。
1998年2月12日午後，拜科努爾航天中心的陽光與冷風見證了超燃驗證發動機終極改良版的發射。發動機不負眾望，達到了6.5馬赫的速度（這是驗證飛行器能夠承受的最大速度）。
小火箭風格：
薩姆-5遠程防空導彈能夠在那個年代（1967年）實現Ma 4.0以上的速度，與其液體火箭發動機的高性能有關。按常規有毒推進劑來計算，我發現7.1噸的發射質量，很難把217公斤的彈頭推到4萬米高空而且具備那樣高的速度。
幾經周折，我獲得了薩姆-5遠程防空導彈的液體燃料配方，才豁然開朗：原來不是用的普通燃料。
薩姆-5遠程防空導彈的液體火箭發動機使用一種名為AK-27P的氧化劑和一種名為賽門的燃料。
其中，AK-27P是一種複雜的基於發煙硝酸的超級氧化劑。具體成分為：
發煙硝酸 氫氟酸 磷酸
賽門燃料的配方比較難獲得，不過最終還是有了答案：
50%的二甲苯胺 50%的三乙胺！
嗯，如果各位小火箭好友能夠有機會打開薩姆-5導彈的液體燃料箱聞一下的話，會是濃烈的魚腥和進攻性很強的山楂味道的混合感覺。
當然，這燃料配比，燃燒產物還是非常非常刺激的，一定會給人留下深刻的印象 。
追溯高超聲速飛行器的緣起，我們可以發現桑格爾博士和錢學森博士如同兩顆恆星，熠熠生輝。
在第二次世界大戰後期，德國對美國的參戰和歐洲第二戰場的開闢感到壓力山大。但是，苦於沒有能夠將炸彈投送到美國的載具，難以對美國本土構成威脅。（V-2導彈的最大有效射程僅為320公里。）
實際上，在V-2導彈誕生之前，桑格爾博士就提出了一個大膽的構想，並且幾乎就快完成原理樣機的製造了。
桑格爾博士設計的飛行器長這個樣子。
而桑格爾博士提出的彈道則更是充滿了黑科技的味道：不是V-1導彈那樣的巡航導彈彈道，也不是V-2導彈那樣的彈道導彈式的彈道，而是後來被人們說成是「打水漂」式的彈道。
飛行器在稠密大氣邊界上下漂移，利用稠密大氣與稀薄大氣的密度的不同而帶來的不同大小的動壓，在多次彈跳中實現超遠距離的飛行。上圖取自桑格爾博士的原稿。
這是小火箭將桑格爾博士的彈道用藍筆描粗的樣子。
按照桑格爾博士設計的跳躍式彈道，從德國發射的飛行器以跳躍滑翔的方式，完全能夠飛到美國，甚至能夠遠及南美洲。
這是桑格爾博士設計的飛行器用於風洞試驗的模型。
可惜該計劃為了給V-1導彈和V-2導彈讓路，給硬生生地被取消了。
不過，桑格爾博士其實還是應該高興的。在他研究跳躍式彈道的時候，身邊一直有一位漂亮的女博士陪伴。她就是比桑格爾小6歲的艾琳博士。
她對力學和電磁學都有深厚的造詣，對人類的衝壓發動機技術有突出貢獻，同時是少有的獲得過奧伯特金質獎章的女性。
二戰後，桑格爾夫婦繼續進行物理學研究。圖為桑格爾夫婦與阿瑟·克拉克一起討論。
當時為美國空軍中校的錢學森博士提出了「錢學森彈道」，也就是助推-滑翔式彈道。
上圖是當年他向大家講解如何用這種彈道從紐約飛到巴黎時的場景。
錢學森與桑格爾的彈道都有助於高超聲速飛行器進行超遠距離飛行。兩種彈道的差別見小火箭畫的上圖。
錢學森彈道以助推-滑翔為特點，強調滑翔段的穩定和優化，而桑格爾彈道則強調多次跳躍。
在所有的高超聲速軍用項目中，有三個值得特別關註：
一個是美軍AHW助推滑翔高超聲速飛行器；
另一個是獵鷹HTV系列高超聲速飛行器；
第三個是SR-72下一代飛行器。
AHW助推滑翔高超聲速飛行器實現了錢學森彈道的工程化應用。
公元2011年11月18日，夏威夷當地時間凌晨1點30分，在夏威夷考艾島，掩映在沙灘與群山之間的密林中，美國空軍的某軍事基地，一枚固體火箭成功點火。
這是由一枚北極星二級潛射彈道導彈加上高超聲速助推滑翔第三級組成的試驗飛行器。
該試驗成功驗證了錢學森彈道（助推-滑翔彈道）的可行性，對新型氣動外形、新型導航制導控制演算法和現代防熱系統進行了綜合考驗。
位於美國亨茨維爾的導彈防禦中心辦公室和位於阿拉斯加的遠程預警雷達也參與了此次試驗。
AHW高超聲速飛行器飛出了一個漂亮的低伸彈道，全程彈道高度控制在卡門線（100公里）以下，因此躲過了遠程預警雷達的偵測。
在高超聲速滑翔過程中，制導系統工作良好，起飛30分鐘後，彈頭精確命中了距離發射場3700公里的誇賈林環礁里根靶場的預定目標。
這是人類首次將錢學森彈道付諸實踐，完成了高超聲速飛行器的精確打擊試驗。
2014年8月25日，AHW進行了第二次試驗，發射地點在阿拉斯加科迪亞克太平洋航天中心。
小火箭風格。具體坐標為：
北緯 57° 26′ 9″ N；西經 152° 20′ 16″ W
不過這一次，火箭升空僅4秒就失控自毀了。
HTV-2獵鷹項目則更為激進，終極目標是實現以Ma 17 ，也就是2.1萬公里 /小時的速度，實現全球快速到達和快速打擊。
上圖為一枚美國空軍採購的諾斯洛普·格魯曼公司的米諾陶IV運載火箭發射HTV-2高超聲速飛行器的場景。攝於2011年8月11日。
迄今為止，HTV-2共進行了2次飛行試驗。
HTV-2的首飛，發生在2010年4月22日。
那一天，太平洋出奇地平靜。一枚米諾陶IV運載火箭從加利福尼亞州范登堡空軍基地騰空而起。隨後，整流罩打開，HTV-2高超聲速被釋放出來。
完成調姿操作後，HTV-2壓低彈道，進入滑翔狀態。
原計劃，這次飛行，HTV-2要以Ma 20的極快速度滑翔7700公里，然後墜入誇賈林環礁附近海域（和當年的和平衛士洲際彈道導彈的10枚分導子彈頭的目標一致）。
不過，9分鐘後，HTV-2飛行器的表面就被高溫和大動壓撕扯開了。只好提前終止試驗，讓HTV-2飛行器墜入太平洋。
1年多後，在2011年8月11日，HTV-2的第2次試驗，同時也是該型號的最後一次試驗，開始進行。
同樣，在第9分鐘，飛行器因為高溫，提前終止試驗。
HTV-2不再有第3次試驗了。
因為該拿到的氣動數據和熱流數據都已經拿到了，而且足夠用了。
上圖為HTV-2高超聲速飛行器的調姿發動機正在努力減小飛行器的攻角，以便壓低彈道。
整個獵鷹項目已全面升級，從單純追求高速度，到開始追求高可靠性和可重複使用。
該項目已交給洛克希德·馬丁公司，以商業化的方式運營了。
SR-72是代替SR-71的下一代無人高超聲速飛行器，由洛克希德·馬丁公司聯合洛克達因共同開發。
該機能夠擁有以Ma 6的速度飛行的能力（是SR-71速度的2倍）。
TBCC發動機技術將在該機上得到驗證：也就是較為傳統噴氣式發動機和現代的超燃衝壓發動機共用進氣道和噴口（外觀上），但是使用不同的內流通道，在不同的來流速度下，使用不同類型的發動機，形成組合動力。
在低速飛行過程中，蓋板1開啟，蓋板2閉合，噴口擾流板5收起，由傳統噴氣式發動機3產生推力；到高速飛行階段，蓋板2開啟，噴口擾流板5打開，超燃衝壓發動機4啟動，接力工作。
雙發、單垂尾、高超、TBCC，SR-72目前能確定的指標還較少，小火箭持續跟蹤中。
早些年（1993年），俄羅斯也有一個類似的基於超燃衝壓發動機的高超聲速飛行器的計劃。
在高超聲速飛行器的自由飛行試驗領域，印度也比較努力。
2016年8月28日，印度用一枚固體火箭將高超聲速驗證飛行器送入高空。隨後，該飛行器的超燃衝壓發動機點火成功，液氫燃料成功利用了大氣中的氧氣，將飛行器加速到Ma 6.0。
繼蘇聯/俄羅斯、美國、某個國家之後，印度成為了第4個獨立掌握了以超燃衝壓發動機驅動飛行器做高超聲速飛行的技術的國家。
商業
如今，工程師們再次面臨著類似當年突破聲障時的挑戰，但是當年的大無畏精神應該同樣能夠在今天幫助我們勇敢地向高超聲速領域邁進。
小火箭認為，對於工程師來說，用技術來為全人類造福才是最終的目的。因此，在軍事領域有所突破的高超聲速技術如果能夠商業化，用在跨越洲際的航班上或者亞軌道太空旅遊上就好了。
2003年10月24日，協和超聲速客機退役。
這款能以Ma 2.04的速度跨越大西洋飛行的客機的退役，標誌著人類的民航業進入了更加註重成本與收益的庸俗時代。
小火箭期待過去的人類探索精神能夠在高超聲速時代回歸！
更高的飛行效率，更低的超聲速雜訊，是未來的商業化飛行器的追求目標。
上上圖是洛克希德·馬丁公司的下一代客機方案；上圖是波音公司的下一代客機方案。
但是，這樣的飛行器還是太慢了。
車馬滿，一生只夠愛一人的生活，固然浪漫。但是，只有高超聲速飛行器，才能讓我們更快地飛到我們所摯愛的那個人身邊。
祝願人類的高超聲速飛行器和亞軌道飛行器能夠早日實現商用載人飛行。
X-20和X-30飛行器的概念，或許已經隨著時光的流逝而沉入歷史的塵埃，但是這些，我相信所有小火箭好友仍在記著，仍在盼望設想的早日成真。
祝願高超聲速飛行器的動力、防熱和制導控制技術能夠發展得越來越好。
祝願人類早日完善基於理論計算、計算機模擬模擬和自由飛試驗三階段相結合的高超聲速飛行器研製體系。
祝願我們能夠有更多更好的商業化亞軌道固體火箭和中型液體火箭來支持有關高超聲速飛行器的基礎科學研究和工程化實踐！
全文結束，感謝大家！
版權聲明：
本文是邢強博士原創文章，騰訊獨家內容。歡迎朋友圈轉發，引用部分內容請註明出處。
微信號：小火箭
微信ID：ixiaohuojian
歡迎 加入 小火箭 ，進入航空航天大家庭！
TAG:小火箭 |