高超音速飞行器(高超音速飞行器技术简介)

高超音速飞行器(高超音速飞行器技术简介)

6月2日凌晨，中国中部和北部的许多人看到了奇怪的天文现象。从航行警告和禁航通告来看，这是渤海湾向西北靶场的潜射弹道导弹试射。有人说试飞时天空中出现漏斗状的云空。必须是高超音速试飞。是真是假，我们就不猜了。让我们看看今天的高超音速飞行器是什么。实现这项技术的难点是什么？

高超音速飞行器主要包括高超音速巡航导弹、高超音速飞行器和航天飞机三大类。高超声速技术将在未来的军事、政治和经济中发挥重要的战略作用。近20年来，世界航天空强国针对高超音速航天飞机系统、高超音速导弹和高超音速飞行器开展了一系列研究，形成热潮，成为各国在空和空之间抢占战略优势的利器。

声音以每秒340米的速度在1个标准大气压和15℃空的气体中传播，在空气动力学中也被称为1马赫(1Ma，纪念恩斯特恩斯特优优资源网马赫，1838-1916)。我们发现许多飞机、导弹等。经常用马赫数来衡量它们的飞行速度。事实上，许多枪的子弹射出枪膛的速度可以超过音速。以AK枪家族系列的56半自动为例。子弹出膛后初速为735 m/s，500 m 373 m/s，600 m 332 m/s，600 m后，弹丸不超音速。高超声速飞行器的飞行速度高于5倍音速，即5马赫(MH)，或6000 km/h以上，这时我们可以发现，要使飞行器达到高超声速飞行速度，首先要解决的问题是必须有不懈的动力来克服空气体对飞行器的阻力。

高超声速飞行器使用的超声速冲压发动机是一种空气体喷射发动机，结构非常简单，可以发出很大的推力，适合高空速度飞行。冲压发动机(简称冲压发动机)是由法国工程师雷娜·劳伦于1913年提出的。它被认为是继螺旋桨和喷气推进之后的“第三次动力革命”。然而，人类在这条与速度赛跑的道路上走了整整一百年。

冲压发动机只有三个主要部件——扩压器、燃烧室和尾喷管(上图是最简单的火箭冲压发动机)。虽然结构很简单，由三个管状部件组成，但能发出非常大的推力，而且推力随着飞行速度的增加而迅速增加。比如一个横截面只有1平方米的冲压发动机，在11公里空高度，3.5倍音速(M=3.5)飞行时，可以产生3万公斤(即30吨)左右的推力。此时它的推进功率达到了41.4万马力，相当于200台机车的功率。如果以低空飞行，由于空气体密度高，功率会增加。这样的发动机有多重？不超过1吨。

现在各国研制的高超音速飞行器都需要重复使用，简单的火箭冲压发动机并不适合它们。以载人飞行速度最快(超过3马赫)的美国战略侦察机SR-71为例。它采用普惠公司的J-58轴流发动机，带加力燃烧室，单台更大推力14460千牛(即1474.5096397吨)。目前，大多数喷气式飞机都使用涡扇发动机，SR-71因其在高速飞行中的优越性能而独树一帜。从外观上看，这种发动机实际上是一种轴向喷气发动机，带有冲压发动机外壳。一般超音速发动机和高超音速发动机对进气道的空气体速度和压力有不同的要求，所以歼58发动机的进气道前端有一个可以自由调节的激波锥，以满足不同速度飞行时对进气的不同要求。3马赫以下，可调进气面积大空气压低，进气导叶开启轴流发动机提供动力；3马赫以上可调进气道大面积空燃气压力，进气道导叶关闭，加力燃烧室和冲压旁路提供动力。实际上，歼-58进入3马赫后，发动机75%的推力是由外部冲压发动机旁路提供的。但要达到3马赫，必须要有内轴流发动机(上图是歼58的两种工况)。

有了冲压发动机不懈的动力源，还需要一个秘密武器——“钱学森弹道学”，才能达到高超音速，达到10马赫。其实这个概念就是前几期介绍的高超音速飞行器的“悬浮”飞行模式。钱学森的弹道是钱老在40年代末提出的助推-滑翔弹道，德国人桑格也提出了再入弹跳弹道。一些半弹道再入航天器再入轨迹的基本设计思想来源于钱学森的轨迹。为了满足攻击舰载机空的要求，在钱学森弹道的基础上，在末段加入了先进的自动制导技术，钱学森弹道成为助推-滑翔-寻的弹道，这也是反舰弹道导弹的设计思路。

外媒称，中国高超优优资源网的音速飞行器第三次试验是按照“钱学森轨迹”在大气层边缘“漂浮”。由于飞机独特的空气动力学设计，其速度不会大幅衰减，但会以大约7-8倍音速的速度“滑翔”。被外媒称为中国的M20近程地地导弹，在大气层内高速飞行，更大飞行马赫数6，更大飞行高度不超过50公里。在飞行结束时，它进行高机动变轨，垂直攻击目标。对于这种弹道极其奇特的导弹，敌人几乎无法拦截。实际上M20导弹采用的弹道就是著名的钱学森弹道。而且媒体报道的WU-14高超音速飞行器试飞成功，表明中国在新型高超音速导弹的研制进度上似乎领先于世界(毕竟这个理论是钱老提出的)。

当飞行器可以高超音速飞行时，还有一个非常重要的技术问题需要突破，那就是黑障。因为无论是有人机还是无人机，在暗区都会遇到一个问题，就是无法沟通。所谓黑障，就是当卫星、飞船等飞行器空高速返回大气层时，在一定高度，与地面的通讯会中断，这个中断的区域就是黑障。黑斑区一般出现在地球上空35到80公里的大气中。火箭和宇宙飞船重返大气层的部分，如弹头和返回舱，称为再入体。黑色屏障区域的范围取决于再入体的形状、材料、再入速度、发射信号的频率和功率。黑障现象给载人飞船返回时的实时通信和无人机再入测量带来困难。

所有飞行器返回大气层时，飞行速度极高，可达十倍至上百倍音速。由于飞机机头周围冲击波的压缩和大气的粘性，当飞机表面的摩擦达到非常高的温度时，气体和烧蚀的防热材料都被电离。这样一来，飞机周围就形成了一层高温电离物质，等离子体鞘层与电磁波相互作用，导致用于通信的电磁波衰减或反射。此时，地面与飞机的无线电通信中断。随着飞机高度的下降，当速度下降到一定程度，不再有足够的温度使气体分子电离，等离子体鞘层被抬升，黑障就会消失。理论上，解决这个问题的关键是使用一种新的通信技术——量子通信。因为黑障针对的是电子，也就是无线电通信。但是量子通信完全不同。量子通信使用光子，可以忽略表面摩擦造成的电离层。(蓝 *** 域是电离层)

2016年，中科院院士潘建伟介绍，当年将发射一颗量子卫星，从而形成天地一体化通信的综合量子通信 *** 。由于量子信号的载波光子在外层空之间传播时几乎没有损耗，人们可以通过技术上实现纠缠光子穿透整个大气后仍然存活并保持其纠缠特性，从而借助卫星实现量子通信的全球化。2016年8月16日1时40分，我国墨子量子科学实验卫星发射L 空，这是一颗用于量子通信的卫星。

2018年8月7日，有消息称，中国航天空空气动力技术研究院近日在社交网站发布消息称，已完成“星星空-2”火箭飞行试验。这一消息是中国首次正式证实其对高超音速飞行器的研究。据报道，高超音速飞行器的速度至少是音速的5倍，可以在30分钟左右飞越美洲大陆。“Star 空-2”的速度达到了6马赫，它的飞行速度约为每小时7344公里。但不仅仅是简单的高速。高超音速飞行器发射后飞向Tai 空，在较低轨道高速飞行，航线多变。导弹防御系统的卫星和雷达很难探测到这种飞友资源 *** 设备。高超音速飞行器技术确实是目前对付反导系统的利器。真是——“天下兵器唯快不破”！

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