晨楓：“星空2號”厲害在哪？就是這個“啤酒肚”
【文/ 觀察者網專欄作者 晨楓】
8月3日，中國航天空氣動力技術研究院微信公眾號發佈消息，宣稱當日完成了“國內第一乘波體”的飛行實驗，在30000米以上的高空實現了M5.5-6的高超音速飛行，延續時間達400秒以上。消息傳來，人們自然振奮不已。但在當前的“厲害了”vs“掐脖子”之爭的影響下，人們不禁疑惑：“星空2號”到底是厲害了，還是不厲害？果不其然，馬上有打臉黨出來聲稱，美國在8年前就用X-51實現了M5+的高超音速飛行，連X-51的名稱都叫“乘波體”。
航空航天世界正在進入高超音速競賽，第一槍是中國打響的，那就是2017年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第21屆國際航天飛機和高超音速系統與技術大會，會上中國大大方方地展示的大量理論研究和實驗成果。
美國大吃一驚後，正在急起直追，曾任NASA局長、現在負責科技和研發的國防部副部長邁克·格里芬更是高超音速的狂熱鼓吹者，他本人就擁有航空航天的博士學位。這傢伙是個學位狂，1971年從約翰-霍普金斯大學物理系畢業後，1974年獲得美國天主教大學的航空航天碩士，1977年獲得馬里蘭大學的航空航天博士，1979年獲得南加州大學的電氣工程碩士，1983年獲得約翰-霍普金斯大學應用物理碩士，1990年獲得馬里蘭洛約拉大學MBA，1998年獲得喬治·華盛頓大學土木工程碩士，要不是2005年被小布什任命為NASA局長，差點還要拿下約翰-霍普金斯大學的計算機碩士。不過這是題外話了。
不僅格里芬是高超音速狂，美國國會也發燒了，而且他們的目標明確：中國！俄羅斯只是拉上墊背的。格里芬發誓要使得美國重新領先，使得中國追趕。但這一切都太空洞，不解答眼下的關鍵問題：“星空2號”厲害嗎？
特朗普任命邁克爾·格里芬擔任國防部副部長，專門主管科研事務，這是五角大樓第一次設立專管科研的副部長，而他一上任就表示高超技術是“第一優先”
雖然在宣傳上，俄羅斯更高調，但讓美國真正感到擔心的，可不是他們
航空技術突破音障後，一路高歌猛進，直到撞上熱障。飛行速度和高度大體穩定在雙三（三倍音速、三萬米高度）就不再增加。另一方面，彈道導彈的速度和高度都要高得多，但基本上只能沿固定的拋物線彈道飛行，只有很有限的變軌能力。這也是彈道導彈防禦的基礎：只要探測和確定彈道導彈的初始軌道，就能精確計算整個彈道和目標，並由此精確計算發射時機、反導彈軌跡和攔截點。高超音速就是要填補雙三和軌道飛行之間的空隙，兼有速度和機動飛行的優點。以美國HTV-2為例，釋放速度M20，縱向射程近萬公里，橫向機動距離達到5400公里，使得傳統的導彈預警和反導彈道計算失去意義。不過這是理論性能，HTV-2的兩次試驗都失敗了。
由於空氣摩擦生熱，高超音速飛行註定只能在3萬米以上的高空實現，不僅環境温度低，空氣也稀薄。在通常的大氣層內飛行條件下，空氣分子間距忽略不計，空氣動力行為好比波動。但在特別稀薄的高層大氣力，空氣分子的間距不再可忽略。在M5.5-6以上的高超音速飛行的強烈壓縮下，空氣的行為好比波粒二象性，大為複雜。另外，空氣的熱力學性質與空氣動力學性質互相作用，所以有時候也一併考慮，稱為空氣熱動力學。
高超音速空氣熱動力學條件在地面很難模擬，實飛實測又代價很大，所以長期停留在理論研究階段，缺乏實際數據的對照和驗證。乘波體在理論上早就提出了，但實際的工程實現很少。僅從這一點來説，“星空2號”就很厲害。
作為世界上最先進的高超聲速激波復現風洞，中科院的JF-12風洞運行成本雖然在國際同類風洞中算是很低，但每次試驗（100毫秒）的成本也遠超過數十萬人民幣水平
在JF-12風洞中進行試驗的乘波體模型，注意其腹部形狀仍是較為傳統的平坦型
飛行體速度超過音速後，都會形成激波。低超音速時，激波鋒面後的空氣流動還可以作為亞音速處理，這是超音速戰鬥機機翼、戰術導彈彈翼的設計基礎。高超音速後，不僅機翼、彈翼的阻力急劇提高，升温散熱問題也解決不了，必須另外想辦法。
機翼（對導彈來説就是彈翼）只是產生升力的最常見的手段，另一種做法是直接由機體（或者彈體）產生升力，這就是升力體。一些導彈在平飛時仰着頭，彈體在迎風阻力增加的同時，也在動壓下產生直接升力，這樣的導彈設計就採用了升力體的原理。這也是壓縮升力的雛形。
更加完整的壓縮升力更進一步。升力體對空氣的壓縮造成橫向流動，被垂下的翼尖“兜住”，顯著強化了升力的產生，好比從下面對着一張平坦的紙吹氣還是對着脱底的紙盒子吹氣一樣的差別。XB-70“北歐戰神”轟炸機是第一個採用壓縮升力原理的飛機，但這並不徹底，機翼還產生較大的升力，壓縮升力只是補充 。
XB-70轟炸機的機翼外段向下摺疊，用於利用壓縮升力
壓縮升力適合雙三以上的高速飛行。事實上，速度太低了，壓縮升力反而不工作，這也是XB-70只採用不徹底的壓縮升力的原因之一，轟炸機是要從零到雙三之間全範圍工作的。但速度提高到M6以上的話，老問題回來了，下垂的翼尖成為阻力和氣動升温集中的熱點，結構和散熱都成為問題。這就是乘波體上場的時候了。
激波是飛行器對空氣高度壓縮的結果，可以看作空氣中隨飛行器移動、無形但緻密的鋒面，理論上密度達到無窮大。換句話説，“坐”在激波鋒面上和“坐”在地面上等效，這就是“乘波”的意思。堅硬緻密的激波還吸收了與空氣摩擦生熱的主體，航天器再入時巨大的火球實際上是在激波鋒面上形成的，而不是在航天器本體，航天器躲在鋒面背後，實際上相對“涼快”。
美國空軍其實對乘波體也算情有獨鍾，圖為1996年進行試驗的LoFLYTE乘波體風洞模型，在該模型上得到的技術被運用到了X-43A乘波體試驗機上
X-43A飛行器的激波示意圖
但只有在設計時有意利用激波產生升力和實現有效的氣動控制的飛行器才是有意義的乘波體。從這個意義上來説，旋成體（主要為圓錐及各種變體，帶或不帶刀形尾翼）能通過迎角或者再入角產生激波升力，但只有有限的氣動控制和機動能力，要算入乘波體是很勉強的。
簡單激波是上下對稱的錐形，但這是隻考慮二維的情況。在三維空間裏，對於尖鋭的簡單圓錐來説，實際激波是規整的圓錐形，速度越高，圓錐越尖鋭。由於圓錐繞軸線一圈在各個方向上的性質是相同的，這樣的三維問題可以簡化成二維問題，所以旋成體技術相對簡單、成熟，已經得到大量應用。具有末端制導的多種“東風”、俄羅斯“匕首”和美國陸軍還在試驗中的AHW導彈都採用旋成體技術。
乘波體為了達到更大的升阻比，通常為扁平形狀，可以像改錐一樣具有平直的前緣，或者像梭鏢一樣，平面形狀大體為三角形。
採用“梭鏢體”設計的HTV-2，極為扁平
HTV-2這樣的飛行器，內部容積率非常低
“改錐體”由簡單平面構成，前緣鋒利，各個平面的激波分析依然較簡單，面與面之間的交接、轉折處複雜點，只能在各種簡化、近似的基礎上，用試驗數據修正了。“改錐體”是早期乘波體的主要形狀，上表面平坦，下表面前傾。在理想情況下，下表面正好“坐”在下激波的鋒面上，好像飛機的地效一樣。下表面與下激波鋒面之間的壓力高，這裏也是發動機進氣口的理想位置。美國X-43、X-51、美澳合作的早期HiFIRE都是“改錐體”或者某種變型。
“梭鏢體”實際上形狀很複雜。俯視為三角形，側視是鋒利的刀刃向前的刀形，但從前後方向看，上表面向上隆起，下表面可能是扁平、凹起或者向下隆起，取決於不同的空氣熱動力學設計水平。
下表面扁平的設計最簡單，但飛行器內有效容積很小，難以搭載有效負荷，實用價值受到限制。下表面凹起而形成缺口向下的月牙形的話，可以利用一點壓縮升力，大大降低了飛行器下表面與下激波鋒面精密匹配的要求，不過有效容積更小。有效容積和設計難度都最大的是向下隆起，通常在兩側還有一圈尖鋭的刃邊，不僅要求在三維空間裏對乘波體下表面和下激波鋒面精密匹配，還要求刃邊能與側面的激波鋒面密封，達到壓縮升力的效果。
早年間在升力體研究的時候大家都想着要給它裝個“大肚子”，圖為諾斯羅普M2-F1試驗機
但後來大家發現要想提高性能，不僅要去掉“大肚子”，而且還要做成“月牙形”
典型按傳統理論計算得到的高超聲速乘波體氣動外形，要把“啤酒肚”長回來可不容易……
這只是維持穩定、平直飛行所要求的基本氣動問題，機動飛行是另一個問題。不管用什麼辦法，單純改變飛行器的指向是不管用的，沒有足夠的側力，基本飛行軌跡依然按照慣性向前側滑。側力在本質上是在側向上產生的升力，產生側力的機制與產生升力的機制是一樣的，但用於克服重力的基本升力還是要繼續提供。換句話説，穩定轉彎時，升力的垂直向上的分量用於克服重力，水平分量才是轉彎所需的側力。兩者之比代表了飛行器產生側力的能力，戰鬥機用g代表的機動性就是這個意思，9g意為可產生9倍於重力的側力。深究起來，這又回到升阻比上去了，沒有足夠的升阻比是不可能有多少餘力產生側力的，這也是旋成體的機動性在本質上受到限制的道理。
X-51A雖然名字叫做“乘波者”，其實它的外形並不符合乘波的要求，只是利用了壓縮升力來維持飛行而已
“星空2號”研製單位正在進行的“人工轉捩帶”研製，這一技術用於超燃衝壓發動機的進氣口……所以，“星空3號”的動力就昭然若揭了
乘波體利用激波產生升力，也利用激波產生側力。改變飛行姿態時，激波形狀隨之改變，在過渡過程中還可能產生扭曲，這就需要主動控制激波形狀和位置了，難度比利用激波飛起來要高一個等級。中國航天空氣動力技術研究院的微信公眾號消息裏提到自然轉捩和人工轉捩。轉捩在流體力學裏用於描述層流到湍流的過渡，轉捩點決定了層流為主的附面層（也稱邊界層）的厚度。較厚的附面層影響傳熱，也增加阻力，最終影響激波的形成。人工轉捩可能指對附面層厚度的主動控制，或許最終與主動激波形狀控制有關。2017年中國《空氣動力學報》裏提到激波裝配法，就暗示了通過附面層厚度控制激波邊界的問題。
“星空2號”的具體形狀沒有透露，但從已經公開的文獻來看，中國解決了下表面隆起的乘波體設計，而且線形比傳統文獻中更加飽滿，有效容積更大。有理由相信，“星空2號”採用了相關技術。相比之下，美澳合作的HiFIRE 4（也稱HyShot V）採用線形更加簡單的“梭鏢體”，而且具有相當大的下垂翼尖，估計用於產生壓縮升力，氣動設計水平還不及HTV-2的月牙形剖面“梭鏢體”。有意思的是，很多公開圖片中經常展示HiFIRE 4翼尖向上的狀態，可能是用於迷惑“路人”的。但在《航空週刊》的資料中顯示了真正飛行狀態下翼尖向下的姿態，泄密了。
不跟你説的話，你能分辨出哪個是中國的，哪個是美國的高超音速試驗火箭麼？
X-51的主要研究目的是超燃衝壓，氣動外形考慮了用激波產生升力的問題，但有效氣動控制和機動飛行不是主要研究目的，因為不期望超燃衝壓能有足夠長的工作時間（實際達到140秒，連火箭助推段和熄火後滑翔段達到M5以上共210秒），只要保證穩定飛行就是勝利。事實上，到現在為止，“星空2號”是世界上第一個在公開報道中實現高超音速大幅度機動飛行的。從這一點來説，“星空2號”就是真厲害了。
X-51的意義不容低估，其氣動設計和超燃衝壓絕對是有借鑑意義的。但以X-51在8年前就實現了210秒M5+飛行來否定“星空2號”，就像“我們在宋朝就發明火箭了”來否定二戰V2導彈一樣，缺乏實際意義。強調HiFIRE可以達到M8也是一樣，助推-滑翔型高超音速飛行器的釋放速度不是最大的挑戰，機動飛行才是，而HiFIRE 4的飛行時間才5秒，計劃中的HiFIRE 8也只有30秒（一説60秒）。
“星空2號”不是十全十美的。完美的高超音速乘波體應該配備超燃衝壓發動機，最好還是TBCC（Turbine Based Combined Cycle）那樣與渦噴相結合的組合循環發動機，可以完成從水平起飛到水平着陸。廈門會議上透露，中國在超燃衝壓和TBCC方面的發展也很快，詳情請見《中美高超音速飛行器誰離星辰大海更近》。“星空2號”的射程也相對有限，400秒的M6飛行大約相當於650-700公里飛行距離，採用BP-12A的助推級也意味着飛行器重量有限。但中國的高超音速科技樹枝繁葉茂，“星空2號”只是驚鴻一瞥。
早先公開的HIFiRE 4飛行器的照片讓人以為它是有“啤酒肚”的先進設計
其實……它還是個“月牙形”
“星空2號”的“啤酒肚”是它最厲害的標誌
中國高超音速技術領先了，但美國的高超音速發展是走了彎路的。美國強大的空中力量使得短程彈道導彈顯得多餘，中導協議又禁止了中程導彈的發展，一步跳到洲際導彈級的HTV-2又技術跨度太大，所以在乘波體和飛行控制方面落後了。美國的重點在超燃衝壓，只有首先突破有效、可靠的動力，高超音速對美國才有意義。當然這方面也沒有真正突破，造成美國今天的困境。
但科學技術不是巫術，中國做得到的，假以時日，美國也做得到。這話平常是反過來説的，但在高超音速方面還真得這麼説。發達國家不是一夜之間發達起來的，人家也在努力領先，但中國也有厲害的地方，高超音速就是一個例子。回到一開始的問題，“星空2號”厲害嗎？厲害的！後面還有更厲害的！
本文系觀察者網獨家稿件，未經授權，不得轉載。