30倍音速的JF-22：中國高超音速技術的新台階_風聞

據8月22日央視報導，中國的JF-22超高速風洞項目已經進入現場安裝階段，預計2022年建成和投入使用，可用於30倍音速的高超音速研究。中國在高超音速競賽中已經領先，東風17是世界上第一種實戰高超音速武器，JF-22的建成對中國保持領先十分重要。

航空和航天曾經是兩股道上跑的車，航空研究大氣層內的飛行，航天研究大氣層外的飛行。航空和航天科技都得到了高度發展，但高超音速介於兩者之間，人們對這兩不管的領域反而是陌生的。

高超音速一般指M5以上但在氣動升力下進行的大氣層內（包括大氣層邊緣）的飛行，最高可達M25~30，速度大大高於一般的飛機，但具有大氣層外彈道導彈不具備的機動性，在軍事和民用上都有極大價值。

飛機的奧妙在於機翼，機翼產生的升力不僅使得飛機飛起來，也是轉彎、爬升的關鍵。在高超音速飛行時，機翼的阻力太大，摩擦生熱也將燒燬機翼，要用乘波體，這時激波的作用相當於機翼。超音速飛行產生的激波好像無形的鋼傘一樣，由飛行器頂着前行。速度越高，傘尖越尖鋭。如果傘形在整體上有一定的迎角，飛行器騎乘在下傘面上，就可以利用激波鋒面產生的壓縮升力飛起來，乘波體因此得名，飛行機制也因此與飛機很不相同，屬於較陌生的領域。

同時，激波還是熱防護的關鍵。緻密的激波成為承受氣動加熱的主體，飛行器本身反而在相對“涼快”的激波尾流裏。熱防護是高超音速飛行器需要採用乘波體的另一個原因，也使得高超音速飛行的氣動與熱力學問題高度交織，極大增加了高超音速飛行器設計的難度。

機翼相對於飛機的關係可以簡化成剛性的，與轉彎和爬升的關係是確定的。但激波與乘波體之間的關係並不是剛性的，在動態中隨姿態、速度而改變，這就使得本來就複雜的高超音速飛行問題更加複雜了。大量的風洞研究是理解和解決高超音速飛行問題的關鍵，但現有風洞絕大多數達不到高超音速。

傳統風洞好比用鼓風機對着大管子吹，然後通過兩頭大、中間小的鐘漏形拉瓦爾管加速到超音速。問題是在高超音速時，急劇增加的阻力將“吃掉”所有的功率增加，使得流速再也上不去了。高超音速風洞需要用爆轟驅動激波，產生極高壓，然後通過拉瓦爾管產生高超音速。

典型爆轟是瞬間的。但極高壓的釋放時間太短的話，還沒有達到穩態高超音速已經完事了，這是不行的。有用的高超音速風洞必須達到足夠長的穩態時間。日本的高超音速風洞只能達到2毫秒的延續時間，美國能達到30毫秒，但中國在2012年已經建成投用的JF-12能達到100毫秒。JF-22的延續時間還沒有公佈，相信也是遙遙領先的。如何將瞬間的爆轟轉化為平穩的釋放，這就是中國的秘密了。

在央視上，JF-12和JF-22是人畜無害的和平利用空間的好孩子，這當然是真的，但JF-12和JF-22的軍事用途極大

在央視上，JF-12和JF-22的速度範圍是銜接的，覆蓋從M5~30的高超音速範圍，JF-12用於M9以下的速度段，JF-22的速度則向上覆蓋到M30。

M5~10是當前的重點，在可預見的將來，高超音速武器主要飛行在這個速度段，包括吸氣式的高超音速巡航導彈（HCM）和助推-滑翔的高超音速滑翔導彈（HGV），未來的載人高超音速飛機也將首先運作在這個速度段。升阻比、熱防護好的高超音速氣動外形在理論上提出不少，在實用中需要極大細化，並要在各種非理想條件下保持性能，這是高超音速風洞首先的用武之地。

不光是飛行器設計，超燃衝壓發動機也得益於高超音速風洞。超燃衝壓的關鍵在於進氣道減阻和燃燒室維持穩定的燃燒，需要在進氣道和燃燒室裏實現對氣流和激波精確、穩定、可靠的控制。

高超音速本來已經是極限飛行，攔截高超音速導彈對速度和機動性的要求更高，這不是增加反導彈的推力和側推控制力就“自然而然”解決的，更是需要高超音速風洞的細化和確認設計。

JF-12是中國高超音速技術領先的關鍵，但是JF-22將更上一層樓，央視上的圖版爆料展示了中國的雄心。

JF-12和JF-22完整地覆蓋了整個高超音速的範圍（M5~30），將成為中國高超音速技術發展的殺手鐧

JF-22可以用於天地往返飛行器（<M25）的研究，這將大大降低衞星和空間站發射的成本。美國SpaceX的“獵鷹9”火箭起飛重量為549噸，低軌道載荷22.8噸，9台“墨林”火箭發動機海平面總推力7607千牛。相比之下，巴西C-390運輸機起飛重量87噸，載重26噸，發動機推力280千牛。這就是氣動升力與火箭助推的效率差別。

當然，運輸機不能入軌，這就是天地往返飛行器的用武之地了，由重型運輸機載運，滑跑起飛，在高空分離，用火箭助推入軌，起始狀態的位能和動能不再需要火箭提供，可以大大降低火箭的尺寸、重量和成本。返回時，像航天飛機一樣，機動滑翔飛行到指定回收基地。

再進一步的話，天地往返飛行器靠自身動力和氣動性能在跑道上滑跑起飛，這不僅需要先進的氣動外形，還需要渦輪-超燃衝壓-火箭組合循環發動機，但這將革命性地改變衞星和空間站發射，發射成本與頻率與火箭是數量級的差別。

天地往返飛行器再入時，速度達到M26，既不能過快下降，造成結構的過快升温，又不能飄飛時間過長，造成過大的累積升温。航天飛機用預先精確規劃好的S形機動解決這個兩難問題，但這也使得航天飛機只能在規定的位置返回，在指定的機場降落，限制很大。更先進的設計可以擺脱預規劃機動的限制，大大提高航天飛機的可用性。

這其實與助推-滑翔導彈有異曲同工之妙。簡單粗暴的做法是“深探底”的簡單再入，在拉起後後轉入機動的滑翔飛行。這樣在轉入機動滑翔前還是相對簡單的可預測彈道，不利於突防。採用天地往返飛行器式的直接機動滑翔的話，彈道的不可預測性極大提高，軍事價值就高得多了。

另外，乘波體在高超音速狀態下升阻比高，但速度降低到一定的門限後，升阻比降低是一方面，控制力和機動性不足的問題就突出了。乘波體的機動性比彈道導彈高多了，但還是低於採用常規氣動控制的導彈。

一個辦法是在速度降低到門限之前，利用剩餘動能猛然拉起，迅速降低速度，進入常規的氣動飛行階段。一方面換取更高的高度，另一方面用氣動控制得到很高精度，不規則的彈道還破壞對方的反導彈跟蹤，並在俯衝中再次加速，精確命中目標。這可以在高超音速滑翔突防和精確氣動控制中達到較好的平衡，問題是從高超音速到低超音速的過渡階段的氣動現象比兩端更加複雜，只有高超音速風洞中大量研究才能確定設計。

東風17採用了乘波體設計，但保留了一對小彈翼，可能就是出於這樣的設計：在高超音速滑翔中，激波屏蔽了小彈翼，彈頭按照乘波體飛行；猛然拉起減速後，乘波體不再乘波，小彈翼發揮作用，轉入彈翼飛行。同樣的技術還可以應用於射程更大的中遠程導彈。

更加有意思的應用是圖版右側的氣動輔助軌道轉換飛行器。通常的軌道飛行器在真空中飛行，變軌只能靠姿態控制火箭發動機拋射大量燃氣，以形成足夠的動量。衞星的星載燃料不可能太多，幾次變軌就用完了，但突發目標經常需要變軌才能及時覆蓋，否則要等軌道傾角自然變過來，花時間很長，很不方便。利用衞星變軌的不易而定時採取隱蔽、偽裝和機動措施，這是反衞星偵察的基本手段。

但氣動輔助變軌就不一樣了。大氣層邊緣是大氣密度迅速變化的地方，極端一點的比方就好比空氣與水面的界面，這就可以打水漂了。

打水漂需要仔細控制石片與水面之間的迎角。迎角增大，回彈更高，但減速加大；迎角減小，回彈很低，但存速較高。要達到最遠的水漂距離，有一個最優化的問題，但迎角過大或過小都導致石片直接沉沒。

如果以一定的側傾角打水漂，彈起來的時候會在反彈力下改變前行的方向。同樣，側傾角需要仔細控制，而且要與迎角仔細配合，否則容易導致直接沉沒。帶側傾的水漂正是氣動輔助變軌的要點。

對於軌道飛行器來説，氣動輔助變軌在淺再入中利用大氣層的密度差和氣動控制能力打水漂，在轉向反彈、重新入軌的時候完成變軌。淺再入時需要用反推力減速脱軌，重新入軌的時候需要加速入軌，都需要消耗燃料，但比用反推力直接變軌節約燃料多了。

氣動輔助變軌使得軌道飛行器變為軌道戰鬥機，軍事意義不言而喻。作為偵察衞星，這可以迅速改變偵察區域，偵察新出現的突發情況；或者極大縮短重訪間隔，實現準實時跟蹤。作為反衞星武器平台，這可以抵近擊毀甚至捕獲敵對衞星。作為衞星補給運輸機，這可以為自己的高價值衞星補充燃料、更換易損部件，延長在軌壽命。作為部份軌道武器平台，這可以在戰時變軌到攻擊位置，投放重力再入的戰鬥部，敵人基本上沒有預警時間。

氣動輔助變軌也可以用於洲際高超音速滑翔導彈，在進入最終的滑翔前，通過多次類似氣動輔助變軌的機動，在多次受控水漂中改變彈道，同時減速到適合轉入高超音速滑翔的速度，而不是用簡單的“深探入”、猛拉起減速。這樣的滑翔增程效率更高，彈道更加變幻莫測，使得導彈發射預警對預測彈着點毫無用處，極大壓縮中段反導的窗口，迫使對方依賴不可靠的末段反導，極大增加突防機會。

氣動輔助變軌還有民用前景，比如説在一次發射中攜帶多顆衞星，反覆變軌，多次精確釋放衞星，減少衞星用自身燃料入軌的消耗。還可以做好人好事，清掃軌道垃圾。

央視圖版中還提到多級入軌，這對發射衞星和空間站更加有用。最簡單的多級入軌是二級入軌，由運輸機攜帶進入高空，分離後用火箭助推入軌，大大降低助推火箭的推力要求，這是現在主流的多級入軌。

更加先進的多級入軌同樣由運輸機帶入高空，然後高超音速助推級分離和點火，轉用超燃衝壓動力，進一步加速到M6以上，並升入4萬米以上的超高空，然後火箭助推級分離和點火，將載荷進一步推入軌道，同時高超音速助推級滑翔返回。如果高超音速助推級能加速到M20和八萬米極高空，對火箭級的要求進一步降低，發射成本降低的效果更為顯著。

SpaceX用可回收火箭助推級大大降低發射成本，但還是用火箭動力直接升空加速，利用氣動升力先行升空和加速的多級入軌能進一步降低成本，據央視報道，與常規的火箭發射相比，成本可降低90%。那是把衞星發射做成白菜價了，有錢人家過生日放一個衞星未必再是説笑話。

理論上的奇思妙想是容易的，實現就難了。在大氣層邊緣打水漂最早是納粹德國時代尤金·桑格爾提出的構想，在納粹時代甚至雄心勃勃地開始了軌道轟炸機的設計，這是要成為希特勒反制美國的殺手鐧的。由於技術上過於超前，計劃擱置了。事實上，可控的水漂技術到現在依然屬於前沿中的前沿，正是因為得不到實踐檢驗的理論只是空想。JF-22正是填補理論到實踐的間隔的有力武器。

美國神秘的X-37據説就是氣動輔助變軌的技術驗證機，已有2架投入實用，2010年1號機首次升空，2011年2號機首次升空。兩架X-37已經完成5次軌道飛行，在軌時間分別為224天、468天、674天、717天、778天，現在正在進行第6次軌道飛行。據報道，X-37在第5次飛行時才進行了變軌試驗。中國也在軌道上成功進行了技術驗證。問題是這樣的實飛技術驗證還遠遠不夠，有了JF-22，中國可以極大地加速氣動輔助變軌這項關鍵技術的實用化。

必須指出的是，高超音速技術都是貫通的。高超音速風洞用受控爆轟產生足夠長延續時間的極高壓，超燃衝壓發動機則是穩定可控的爆轟條件的另一個應用。燃燒是在亞音速進行的，壓力波以音速傳遞。受熱膨脹的速度則低於壓力波傳遞速度。燃燒速度超過音速後，壓力波傳遞的速度低於受熱膨脹的速度，急速積聚的能量最終以強激波的形勢成為爆炸，爆炸中的衝擊波就是激波。

普通的衝壓式發動機還是亞音速燃燒，然後燃氣通過拉瓦爾管加速到超音速，形成超音速推力。但和超音速風洞的問題一樣，這在速度高於M4-5就不行了，隨着速度的進一步增加，減速再加速的阻力增加超過推力增加，速度不可能再上去了。只有燃燒轉入超音速，才能突破瓶頸。

在超燃衝壓的燃燒室裏，超音速氣流將超音速燃燒形成的壓力波帶走，避免温度的無控升高和能量積聚導致的爆炸，關鍵在於超音速進氣道、燃燒室燃燒膨脹的激波與超音速氣流產生的激波要精確匹配，既不讓氣流激波過於落後於膨脹波導致爆炸，也不讓氣流激波過於超前於膨脹波導致泄壓和推力損失。換句話説，超燃衝壓的關鍵在於精確的激波控制。

2020年5月，中科院力學所悄悄發佈一條消息，範學軍團隊在超燃衝壓發動機地面試驗中實現了連續600秒的運行時間。高超音速風洞的關鍵技術也在於激波控制，否則是無法產生穩定的高超音速氣流的。範學軍團隊的成就不一定能直接用於JF-22，但説明了中國已經掌握了激波控制的屠龍技。

應用了這樣的屠龍技的JF-22還將催生更多、更炫的屠龍技。這是妥妥的世界絕對領先，世界上沒有第二個這樣的高超音速風洞。對於這樣處於理論和實踐絕對前沿的極端技術，誇張一點地説，有沒有JF-22這樣的高超音速風洞好比敍利亞乒乓球隊和中國乒乓球隊的訓練環境。沒有的話，只能在昂貴和稀少的實飛中艱辛地積攢數據。有的話，則可以橫着試、豎着試、斜着試，迅速積攢大量數據，並根據已有數據優化進一步的試驗，充實完善理論，指導進一步試驗，直到形成決定性的技術突破。

可以想象，JF-22將幫助中國佔領航空航天技術的新高地，這是中國科技從趕到超的一個里程碑。