晨楓：中美高超音速飛行器 誰離星辰大海更近
【文/觀察者網專欄作者 晨楓】
5月24日，美國國防先進研究規劃局（簡稱DARPA）與波音簽訂協議，研發XS-1高超音速飛機。XS為Experimental Spaceplane的縮寫，意為實驗性空天飛機，用於驗證低成本衞星發射系統。
隨着衞星的軍民用價值迅速提高，更多的衞星等待發射，失效的衞星必須迅速補射。傳統發射方式的成本太高，準備時間太長，已經不適合需要了。XS-1要求把每次發射的費用降低到500萬美元以下，比現在的典型發射成本降低90%，並把再次發射的準備時間縮短到幾小時，而不是現在的幾個月。
在上世紀60-70年代空間競賽時代，美國在空間技術方面連創輝煌，最後以“阿波羅”登月計劃為頂點。進入80年代，美國空間技術再創輝煌，航天飛機的成就至今無人超過。但進入21世紀後，只有伊隆·馬斯克的“獵鷹”和傑夫·比佐斯的“藍色源泉”等民間可重複使用火箭項目在折騰，美國政府主導的空間技術研發進入了沉寂，甚至出現發射軍用衞星必需的重型運載火箭依靠俄羅斯RD180發動機的尷尬。在高超音速方面，除了雷聲大、雨點小的X-47和X-51計劃外，也是靜悄悄的。XS-1計劃使得人們會心一笑，美國又回來了。
美國波音公司開始開發XS-1空天飛機，該機實際上是一種可返回式運載火箭
蘇聯時期計劃的“安加拉河”火箭助推器，其實和XS-1差不多是一樣的概念
但笑過之後，人們愕然發現，XS-1遠不如想象，在概念和技術上只是逆轉的航天飛機。航天飛機的助推級是一次性使用的，載荷級可重複使用。XS-1反過來，助推級可重複使用，載荷級反而是一次性使用。這當然是有道理的。航天飛機是載人的，載人的載荷級（也叫軌道艙）是最昂貴的部分，重複使用有利於降低成本。XS-1是不載人的，只用於發射衞星，載荷級不必重複使用，但更大的助推級反而是發射系統成本的主體，所以這才重複使用。實際上，這可以看作帶翼、具有滑翔着陸能力的“獵鷹”可回收火箭。
除了這一逆轉，XS-1在推進技術和熱防護技術上沒有新意，基本上是現有技術的再包裝。XS-1採用Aerojet Rocketdyne的AR22液氫液氧火箭發動機，這是從航天飛機主發動機改進而來的。XS-1依然採用垂直髮射，用單級火箭推進到大氣層邊緣後，釋放載荷級，自身靠機動滑翔返回發射場。一次性使用的載荷級則在自身火箭動力下進入近地軌道，任務完成後在返回中焚屍滅跡。由於助推級始終在亞軌道高度飛行，沒有再入問題，所以也沒有多少熱防護問題。取消熱防護要求大大降低了系統重量和成本。
波音計劃在2019年進行發動機地面測試，展示10天內接連發射10次的能力，2020年進行飛行試驗，可能進行12-15次發射。載荷從無載荷開始，然後從400公斤逐步增加到1360公斤。飛行試驗從5倍音速（也可表達為M5）開始，逐步提高到10倍音速，這是高超音速了。
天下武功，唯快不破。高超音速飛行器不僅速度快，還有強大的機動能力。彈道導彈也很快，但只有有限的機動能力。正因為如此，彈道導彈一發射，就可以推算出彈道全程的大概，反導彈就可以按照提前量發射了。這好比鬼子一出炮樓，就可以根據走哪條路，判斷掃蕩目標、行進速度和路徑，就可以趕緊埋地雷了。反導彈的機動性只需要補償彈道計算誤差或者目標的有限機動能力。
高超音速飛行器的機動能力大大超過彈道導彈，在最終轉入攻擊之前無法判斷導彈的攻擊目標和彈道，最終只有靠現在還不存在的高超音速反導彈或者激光、粒子束武器來攔截，常規攔截手段很難奏效。如果還是用鬼子掃蕩作比方，鬼子上路後，有意識地不斷改變路徑，迷惑游擊隊，甚至可能繞一圈從背後偷襲，這地雷就不好埋了，只有從村裏加強對四面的觀察，根據鬼子的最後動向，兵來將擋、水來土掩了。換句話説，這仗要難打得多。
現有反導系統的設計前提都是彈道導彈的軌道可以預測
在氣動上，由於高超音速飛行的表面生熱巨大，飛行體表面的邊界層不再僅僅是流體力學問題，也是熱力學問題。比如説，邊界層會受熱膨脹，雷諾數不再能有效地描述邊界層和流動現象。空氣動力學與熱力學擰到一起，成為空氣熱動力學。另外，高超音速主要工作在空氣特別稀薄的高層大氣，與低層的稠密大氣相比，空氣分子之間的距離顯著增加，空氣的連續性假設不再可靠，需要當作粒子來處理，使得很多傳統理論與方法要重新考慮。
中國在高超音速方面卓有成就，傳説中的DF-ZF（也稱WU-14）高超音速飛行體已經試驗了7次，全部成功。這是助推-滑翔體，還不是動力飛行體。中國對助推-滑翔體已經玩得很純熟了，A300火箭彈採用拉起彈道，射程增加到300公里以上（在出口市場上限制到280公里，以遵守導彈技術公約要求），這也是助推-滑翔技術的應用。但助推-滑翔更適合一次性使用，或者XS-1這樣的“偽可重複使用”，真正可重複使用的高超音速飛行體應該像普通飛機一樣水平滑跑起飛和降落，並在極高空達到高超音速。這對動力提出了全新的要求。
CCTV7頻道節目中曾驚鴻一現的東-5導彈新型戰鬥部，被認為很可能就是WU-14飛行器的某種發展型
面對連續7次成功試驗的WU-14，美國也加速了AHW高超聲速導彈的試驗
結果……
傳統的渦輪類（包括渦噴和渦扇）噴氣發動機在M3左右達到速度極限，常規衝壓式噴氣發動機在M5左右也達到速度極限了。這是因為渦輪類和衝壓都是基於亞音速燃燒，進氣必須減速到亞音速，然後再通過收斂-擴散噴管達到超音速。這樣的減速-加速過程造成本質阻力，到一定的時候，阻力增加比推力增加更快，速度就達到極限了。火箭發動機當然是可以達到高超音速飛行的，但需要自帶氧化劑，重量較大，危險性也較大，發生泄漏就可能造成爆炸。吸氣（包括渦輪類和衝壓）發動機從空氣中吸取氧氣，效率要高得多，也較安全。但衝壓發動機要用於高超音速，必須基於超音速燃燒。這個超燃可是不容易。
空氣中的壓力波以音速傳遞。常規燃燒的火焰擴散在亞音速進行，所以熱空氣的膨脹擴散快於火焰擴散。超音速燃燒的火焰擴散速度超過空氣膨脹速度，空氣急劇升温增壓但來不及膨脹，積聚的巨大能量最終釋放出來的時候，強大的壓力形成破壞性的激波，這就是爆炸。激波的理論密度為無窮大，激波掃過來就像鋼板打臉一樣，而且是超音速的速度，這就是爆炸威力遠遠大於燃燒的道理。超燃衝壓可算是可控的連續爆炸，其燃燒控制的難度可想而知，就算達到穩定燃燒了也只有很窄的工作範圍。
多少年來，超燃衝壓就像海市蜃樓，似乎觸手可及，但又總是飄然而去。僅有的成功試驗早先只有秒級的工作時間，現在延長到分鐘級，還都是在屢敗屢戰之後。但2015年國防科大王振國教授獲得馮如航空科技精英獎，他是超燃衝壓專家，頒獎儀式上卻對他的成果隻字不提，倒是符合中國對於軍工科研守口如瓶的傳統。
但於3月6日由美國航空航天學會（簡稱AIAA）、中國工程院主辦、廈門大學承辦召開的21屆國際航天飛機和高超聲速系統與技術大會上，中國大大方方地揭示了大量成功的試驗和實物圖片，並透露了中國已經成功地進行了超燃衝壓的飛行試驗。更加驚人的是，中國研製的渦輪-火箭-衝壓組合循環發動機（簡稱TRRE）將在2017年底前開始飛行試驗，如果成功，這是世界第一。其他國家（包括美國）慢説組合循環，連具有實用意義的可持續超燃衝壓都沒有做到。中國儘管沒有透露超燃衝壓可持續工作的時間，但要是達不到至少亞小時級，研發組合循環發動機是沒有意義的。這一階段的試驗將持續到2020年，在2025-30年進行水平滑跑起飛-着陸的飛行試驗，如果成功，更是里程碑級的成就。
一次對公眾極為低調，但在行業內不啻於雷霆萬鈞的大會
中國的TRRE採用上下並列的基本佈置，共用可調進氣口，然後進氣道分叉，上半通向渦輪發動機，下半通向火箭-衝壓發動機，兩者的噴口在擴散段再度匯合。這種上下並排的佈置巧妙地利用了渦輪發動機需要彎曲、擴張的進氣道和超燃衝壓需要短直進氣道的問題，尾後合併的噴口也巧妙地利用了渦輪發動機需要收斂-擴張噴口和超燃衝壓只需要擴張噴口的特點。可調的進氣口控制激波系的形狀和位置，確保進氣道工作條件與發動機工作模式最優匹配。
上涵道里的渦輪發動機在靜止到M2之間工作，下涵道里的火箭衝壓在需要加速時啓動，這時可以等效為加力燃燒室。火箭衝壓也稱吸氣火箭、引射衝壓，用貧氧富油的高温火箭燃氣對沖壓進氣引射增壓，並與進氣混合燃燒，大大提高衝壓的效率、推力和工作速度。在M2時，上涵道關閉，下涵道進入亞燃衝壓模式，然後在M3-6之間轉入火箭衝壓模式。在M6時轉入超燃衝壓和火箭衝壓組合模式。發動機以性質穩定、價格低廉的航空煤油為燃料。
中國在過去兩年裏進行了大量試驗，驗證了加速、巡航、機動等各方面性能，驗證了上下涵道的協調工作和可靠平順的模式轉換，有效地解決了低速時的大推力要求和M6時的高比衝要求之間的矛盾。試驗證明了下涵道里的液體火箭和雙模衝壓在M1.5-7之間協調工作的可行性。2016年，進氣道和噴管試驗完成，M1.8條件下的台架試驗也完成。M2-6的穩態台架試驗已經開始。試驗驗證了TRRE的進氣道、噴管和燃燒室設計和模式轉換。試驗數據表明，可在1平方米捕獲面積下達到8噸推力，達到設計要求。應該注意的是，8噸推力看起來不多，但超燃衝壓最大的挑戰是降低阻力，其次才是提高推力，8噸不少了。
在這次會議上，中國突然公佈了一系列新的技術成果
目前還在幻想中的SR-72高超聲速飛機的動力系統，已經比中國在2017年將開始測試的TRRE發動機落後一代了
組合循環發動機不同於變循環發動機，前者是渦輪類噴氣發動機、亞燃與超燃衝壓發動機和火箭發動機的組合，後者為渦噴與渦扇之間的無縫切換。前者用於高超音速與空天飛行，後者用於常規的大氣層內飛行，比如M2一級的超巡戰鬥機或者超音速客機。美國空軍為第六代（在中國稱為第五代）戰鬥機研發的AETD發動機就是變循環發動機。
廈門會議還揭示了其他來自中國的大量重大成果，尤其是大量成果都有實物試驗驗證，這意味着技術水平接近或者已經達到實用程度，而不是純理論或者純數字仿真的空談。比如説，國防科大已經成功測試了660毫米直徑的連續旋轉爆轟發動機，這是脈衝爆轟發動機的進一步發展，同樣利用超燃時壓力波“自我閉鎖”的機理，使得燃燒的温度和壓力極大升高，而且產生連續推力，可能突破渦噴、渦扇的速度和熱效率侷限，成為下一代噴氣發動機的基本技術。北航展示了緊湊型高效換熱器技術，可以將進氣温度迅速降低，不僅提高進氣密度和進氣道效率，還對熱端部件的起冷卻作用，可用於減輕防熱設計帶來的重量，或者進一步提高熱工參數，試驗已經取得“令人滿意”的成功。
在材料方面，中國新研製的輕質熱防護材料採用仿生的陶瓷表面結構，耐熱能力提高近萬倍。其他新型熱防護技術包括泡沫碳、陶瓷覆層和夾層隔熱、波紋夾層與隔熱複合結構等。中國科研人員還研究出三維碳纖維編織技術，形成三維網格復材結構，避免了傳統二維復材的界面分離問題。應該指出，這些技術在航空上也有巨大價值，三維編織碳纖維風扇葉片就是C919的LEAP發動機的關鍵技術之一。
在理論方面，中國在高超音速非穩態流動理論、複雜流動機制和數值仿真等方面取得突破，對物理耦合現象取得深入理解，發現了新的流動現象，建立了高升阻比高超音速飛行器的最優設計方法，建立了同時達到降低熱通量和降低阻力的新方法。中國還摸清了碳氫燃料的熄火極限，這是使用碳氫燃料的超燃衝壓工作範圍的理論極限，對設計至關重要。中國在高超音速進氣道設計中採用彎曲表面的壓縮面。一般來説，人們對高超音速飛行中的空氣熱動力學的理解還很粗淺，所以已經飛行的高超音速飛行器大多是直線、平面結構，把複雜的三維問題簡化成二維。彎曲表面的壓縮面代表了更高層次的技術和自信。
目前大多數高超聲速飛行器的設計都是“直線”外形
中國還在大量興建高超音速風洞。理論前沿只有得到實驗驗證，才能成為可靠的指導工具，對於已經突破傳統理論應用範圍的高超音速研究來説，更是如此。中國的高超音速風洞有科學院力學所的當前世界最大的JF12風洞、航空航天院即將完工但比JF12更大的FD21風洞、國防科大的M6低噪聲風洞，當然少不了綿陽的可以模擬長達600毫秒的M4-7高超音速試驗裝置，JF12只能模擬100毫秒。這些風洞是蓬勃興起的中國高超音速研究的底氣。
回到XS-1，其液氫液氧火箭是“阿波羅”計劃的“土星V”就採用的技術，而沒有采用更先進的超燃衝壓或者任何形式的吸氣發動機。XS-1依然採用低效的垂直髮射，完全依靠蠻力把載荷託入空中。航天飛機軌道艙（包括載荷艙、駕駛艙和燃料、發動機）的重量為110噸，最大載荷25噸，但整個航天飛機的最大起飛重量竟達2000噸，其他的都是發射後就拋棄的助推器、外部燃料箱。兩台助推火箭的推力各12500kN，加軌道艙三台主發動機共產生5525kN，起飛需要超過30000kN的推力！相比之下，飛機依靠機翼在滑跑中產生氣動升力，可用低得多的能量升空。最大起飛重量為254噸的波音787-9只需要兩台320kN級的渦扇發動機就可以起飛，這還是考慮到一台發動機在起飛中故障情況下的單發強行繼續起飛所需的推力。波音787只有載客量數據，沒有載重量數據，但最大起飛重量相似的C-17可載重78噸。垂直起飛的航天飛機與滑跑起飛的常規飛機的效率和經濟性差別不言而喻。
在氣動上，XS-1在尺寸上相當於公務飛機，在氣動佈局上與航天飛機很相似，但機翼具有大型翼梢小翼，作為替代垂尾，正常垂尾的位置要用於搭載載荷級。XS-1的氣動控制能力估計也比航天飛機有所提高，改善了機動性，降低了對着陸場的跑道要求。但機翼升力可能不足以實現在滑跑中起飛，這使得XS-1的返回依然只能在指定着陸場進行，否則在偏遠的備降場着陸的話，無法靠自身動力返回發射場，還是要勞駕NASA的專用波音747駝在背上，這就費事了。中國的採用TRRE的空天飛機將能從普通機場起飛和着陸，技術水平差距不可同日而語。
在廈門會議上，中國方面一口氣發表了所有347篇論文中的272篇。如果這只是主場現象的話，2016年在亞特蘭大舉行的第20屆會議只有89篇論文。中國軍工向來有很深的保密傳統，官方對很多已經在光天化日之下的“天下保守得最差的秘密”還拒不承認，慢説深藏水下、不為人們所知的真正秘密了。考慮到高超音速的軍用潛力，廈門會議上中國的大動作不同尋常。美國《航空週刊》稱這是中國對整個西方的叫板（a shot fired across the bow of the West）。
相比之下，某些完全沒摸到高超聲速門檻的國家設計出來的方案，一看就是……拿這種東西出來顯擺，中國是不會幹的
廈門會議還完整透露了中國的高超音速研究計劃。國家自然科學基金會出資1.5億人民幣，在2007-16年之間組織了9年研究計劃，涵蓋全國的科研院所和高校，涉及高超音速的所有主要方面。計劃分三階段，前四年打基礎，中間兩年擇優深入，最後三年成果集成，尤其是要有實物。整個計劃有三個目標：1、健全研究體系，完善設計方法；2、取得關鍵技術突破；3、打造人才隊伍。在廈門，不僅國家隊的綿陽的國家空氣動力研究與發展中心、北京的科學院力學研究所積極很活躍，航天科工集團第三研究院、三十一研究所、中航工業瀋陽飛機設計研究所、中航商飛、燃氣渦輪研究院、運載火箭技術研究院、國防科大、西工大、南航、北航、廈大等都有積極參加。《航空週刊》稱之為協調有效、舉國發力的高超音速科研計劃，不僅具有驚人的深度、廣度，而且在相對較短的時間裏就取得了多到令人暈眩的重大成就（a cohesive, nationwide hypersonic research and technology program that not only shows astonishing depth and breadth, but has also produced a bewildering number of major accomplishments in a relatively short period）。一本正經的權威專業雜誌這樣堆砌驚歎詞是很少有的事情。
中國在高超音速領域敲響了戰鼓，但選的地方很小眾、很專業，該聽到的人想不聽到都不行，不需要聽到的人依然在懵懂之中。中國不想成為威脅，但老虎和眉善目的，可不能當病貓了。
這些年來，中國在科學研究與工業技術各方面取得了巨大的成就，但中國依然是發展中國家。在眾多傳統領域，中國還有很多方面落後於世界先進水平，例子不勝枚舉，畢竟發達國家的發達不是在睡懶覺中從天上掉下來的，別人也在努力，別人的起點還更高，中國只有靜下心、紮實努力。但傳統領域畢竟是傳統領域，發展還在繼續，速度總是在慢下來的，假以時日，不懈追趕的中國是可以追得上世界前沿的。從電冰箱、彩電還需要全國一盤棋攻關到殲-20、C919和天宮、神舟，中國就是這樣一步一步過來的。但在顛覆性的新領域，大家的起點都是一樣的，中國有信心、有能力，也正在發力，直衝世界前沿，高超音速正是這樣一個領域。更快，更高，更遠，我們的目標是星辰大海。中國加油！
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