百年前“萊特兄弟問題”，仍然卡着高超音速飛機起飛_風聞
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撰文 | 崔凱（中國空氣動力學會科學傳播和普及工作委員會主任）
近年來，高超音速飛機的研發在全球掀起熱潮，各國爭相投入巨資突破技術瓶頸。憑藉超越5馬赫（即5倍音速）的速度，這類飛機既能實現快速打擊、精準偵察和突破防禦體系的軍事能力，也能滿足高端商務旅行、災後應急藥物和食物輸送、移植器官的遠程輸送等民用需求。
中國、美國和俄羅斯領跑高超音速飛機的技術競賽，歐洲和日本也不甘落後。其研發正在推動材料、動力和氣動設計的創新。
高超音速飛機是人類飛行技術的極限延展。然而，在諸般技術瓶頸當中，最棘手的問題竟然跟一百多年前萊特兄弟所面臨的難題一樣——如何讓這架飛機離開地面飛起來？
高超音速飛機如何飛行？
首先，我們來了解一下高超音速飛機的飛行特點。
高超音速飛機的飛行剖面（飛行軌跡）在形狀上與現有飛機大致相同，都會經歷從跑道滑行起飛、加速爬升、巡航飛行、減速下降、着陸等幾個主要過程。其中，巡航飛行階段是指飛機以等高和等速進行平穩飛行的階段，比如我們乘坐飛機時，當乘務員通知可以使用衞生間時，一般就意味着進入了這個階段。
與現有飛機相比，高超音速飛機最主要的特點就是巡航飛行的速度和高度更大，其在巡航飛行階段的飛行馬赫數將在5以上（目前民航飛機的對應馬赫數一般為0.8至0.9之間）；同時，其巡航段飛行高度一般在海拔26至30千米（目前民航飛機的巡航飛行高度一般海拔10千米左右）。
顯然，為了達到更高的巡航飛行馬赫數和飛行高度，高超音速飛機所需的加速飛行時間和距離都將會比現有飛機更長，這也意味着在加速爬升階段將會消耗更多的燃料。
值得一提的是，飛機的速度一般使用馬赫數作為度量單位，即1馬赫代表1倍音速。然而，計算馬赫數所使用的音速是指其飛行高度條件下的數值，這並不是一個常數，而是隨着海拔高度的不同而變化，比如海平面高度的音速約為340米/秒，海拔30千米高度時，音速則下降為301米/秒，而達到海拔80千米高度時，則會進一步下降至約281米/秒。因此，在折算飛機的實際飛行速度時，必須考慮其飛行高度，否則會導致比較大的誤差。
在整個飛行剖面中，高超音速飛機的飛行速度和高度變化範圍很大。以速度為例，在起飛和降落階段處於亞音速（一般為0.8馬赫以下）速域；加速爬升和減速下降階段會經歷跨音速（一般為0.8至1.2馬赫之間）和超音速（一般為1.2至5馬赫之間）速域；而在巡航飛行階段，又進入高超音速速域，即5馬赫以上。
由於在不同的飛行速域範圍內，空氣流動特性的差別極大，這會進而導致飛機的升力特性、阻力特性、穩定特性等產生大範圍的變化。因此，在如此複雜的條件下，如何設計一架能夠在寬速域範圍內都能保持良好特性的飛機，目前仍是一個正在研究的問題。迄今為止，還尚未有任何一架飛機能夠真正從跑道水平起飛並加速至高超音速狀態巡航飛行。
在整個飛行剖面的不同階段，對飛機性能的主要需求也不相同。在起飛階段，需要飛機能夠在較低速度下產生儘量大的升力，進而克服自身重力離開地面飛向空中；在加速爬升階段，一方面需要發動機能夠提供儘量大的推力，另一方面也需要飛機自身的空氣阻力盡量小一些，這樣才能實現飛行速度和高度的迅速提升；在巡航飛行階段，一方面需要飛機產生足夠的升力，以平衡自身重力維持飛行高度，另一方面也需要其空氣阻力盡量小一些，這樣所需要的發動機推力也會小一些，可以減少燃料的消耗，實現更遠距離的飛行。
“萊特兄弟問題”再次擺在眼前
雖然高超音速飛機在飛行剖面的不同階段所需的性能不同，但最核心的問題仍然是如何讓它從地面飛起來。説到這一問題，可能很多人會有疑惑，目前這麼多飛機都能夠飛起來，難道這還是一個難題嗎？
不難理解，一架飛機只有升力大於其自身的重力，才能離開地面飛到空中。所以這就涉及兩個因素，一是儘可能減少自身的重量，二是儘可能增大空氣提供的升力。
先看重量，儘管目前很多飛機的設計都採用了大量的減重設計，比如儘量研發或選擇一些質量輕、強度好的新材料，或者對結構設計方案進行優化設計，以儘量減少材料的使用量等等。對於高超音速飛機，這些工作也是必不可少的，但有一些重量是無法減輕的，具體包括如下幾個主要因素：
一是發動機。現有飛機的發動機最多隻能覆蓋到超音速狀態，一般在2馬赫左右，如果速度再高，則沒有辦法產生足夠的推力。對於高超音速發動機而言，發動機必須在更寬的速域條件下工作，因此必須採用新型的動力系統。從目前的研究進展來看，新型發動機會比現在航空發動機的重量大不少。
二是防隔熱。在高超音速飛行條件下，飛機自身和周圍的空氣強烈作用，會導致飛機表面温度升高，一般會達到數百度，局部位置甚至會達到一千度以上，因此需要增加一些特殊的材料，一方面保護飛機自身不被燒壞，另一方面也要進行温度隔絕，保證機艙內部處於合適的温度環境，這也會導致重量增加。
三是燃料。飛機在飛行過程中要不斷消耗燃料，因此在起飛時必須加註足夠的燃料。現有飛機起飛時，燃料重量佔整機重量的比例一般不超過30%，而高超音速飛機的這個比例更高，一般會達到50%以上，這將進一步導致高超音速飛機的起飛重量增加，使其起飛重量會比其落地重量大一倍以上。
綜上幾個方面，在同樣尺寸下，高超音速飛機在起飛時刻的重量一般都會比現有飛機重量大很多。顯然其對升力的需求也會大幅高於現有飛機。
令人沮喪的是，對於目前的高超音速飛機而言，升力的問題更加難以解決。飛機的升力主要由機翼產生，影響機翼升力大小的因素概括起來，主要包括這幾個：翼型，也就是機翼剖面的形狀；翼展，也就是機翼的長度；後掠角，也就是機翼向後傾斜的角度。此外，還有一些其他的因素，比如扭轉角、裝配角等等，這裏不一一細説。
飛機在離開地面起飛時的速度比較低，一般在每小時兩三百千米左右，如果換算為馬赫數表示，一般在0.2至0.3之間，這一速域屬於低亞音速。在此速域內的機翼性能，人們已經研究得比較清楚了。一般來説，採用合理鈍頭的翼型，很小的後掠角或者不用後掠角能夠產生比較大的升力。不過，這僅僅是對於起飛狀態而言，實用中的機翼設計不僅需要考慮起飛，更要考慮巡航飛行等其他階段的性能。
然而，隨着飛行速度的提高，所需的最優機翼形狀將會不斷變化，到了超音速狀態，最佳的機翼形狀變成了頭部尖尖和大後掠角的薄三角翼形狀，機翼的翼展也相應減小，這種變化從現有飛機和曾經出現的“協和式”超音速客機的對比就可以很明顯地看出來。這就會導致矛盾出現，協和式飛機所採用的三角形機翼在超音速飛行時可以減小阻力，但在低速起降階段產生升力的能力卻低了很多。
雖然協和式飛機也採用了一些優化設計措施使其低速升力特性有所改善，但仍不能從根本上解決這個問題。因此最後的選擇只能是“升力不夠，推力來湊”，即使用大推力的渦輪噴氣發動機，並在起飛時利用“加力”模式，加大發動機的推力來補償升力的不足。採用這種解決方案有兩個先決條件，一是發動機足夠成熟，能提供的推力足夠大；二是需要承擔更多的燃料消耗，因為發動機採用“加力”工作模式時，其燃料消耗會大幅增加。
相比於協和式飛機而言，高超音速飛機面臨的起飛問題更加嚴峻。首先，前面提到過，高超音速飛機的起飛重量一般會更重一些；其次，如果高超音速飛機繼承類似於協和式飛機的設計理念，其機翼的翼展會變得更小，後掠角會更大，這樣，在起飛時能夠提供的升力就進一步減小；第三，依據目前的認識，能夠用於未來高超音速飛機的發動機系統能夠產生的推力也不容樂觀。
如果把歷史的車輪向後倒退一下，一百多年前，萊特兄弟發明世界上第一架飛機的時候，他們所要解決的最主要問題就是：如何讓這架飛機離開地面飛起來？一百多年後，當我們面對高超音速飛機的時候，“萊特兄弟問題”再次擺在我們眼前，或許這就是歷史的輪迴吧。
如何破解“萊特兄弟問題”？
從目前來看，“萊特兄弟問題”仍未得到很好的解決，而作為權宜之計，也只能採用一些手段對其進行規避。
第一種手段是“拆”，已有成功飛行的高超音速飛行器，特別是水平返回的飛行器幾乎都採用了這條途徑。既然從“地面水平起飛”的問題解決不了，那麼就退一步，把“地面”和“水平”兩個條件拆開來，並分別實現。具體來説，就是採用地面起飛，但不是水平起飛，或者實現水平起飛，但不是地面起飛。
非水平的地面起飛就是地面垂直髮射，這種發射方式相對常見，最典型的實例就是美國上世紀八十年代投入使用的航天飛機系統。該系統發射時包括軌道器、液體燃料儲箱和固體助推火箭三個部分，在飛行器上升過程中，相繼把耗盡的固體助推火箭和液體燃料儲箱丟棄，只剩下軌道器。當在軌任務完成後，其會從海拔幾百千米的大氣層外滑翔返回地球，並在跑道水平降落，其在返回過程中最大飛行馬赫數超過25。
空中發射可以實現水平發射，即將高超音速飛機掛在更大的運載飛機上。運載飛機攜帶高超音速飛機從地面起飛，達到一定的飛行高度和速度時，在空中將高超音速飛機投放（類似於轟炸機投彈一樣），之後高超音速飛機再利用自身的動力實現高速飛行。投放時飛機已經具有一定的高度和較高的速度（一般在0.7馬赫以上），飛機的升力可以增加不少（升力的大小和飛行速度的平方呈正比）。此外，採用這樣的發射方式，高超音速飛機可以省卻起飛和一部分加速過程的燃料，這些節約的燃料就能擴展高超音速飛行的航程。
空中發射方式的典型實例，就是上世紀六十年代美國研製的X-15高超音速飛機。該飛機曾經完成了199次成功飛行，其最大飛行馬赫數超過6.7，最大飛行高度達到約海拔108千米，並且絕大多數飛行都成功完成了水平降落和返場。
雖然空中發射是一種相對比較成熟的方式，但限於運載飛機的掛載質量和掛載尺寸的約束，採用這種方式發射的高超音速飛機規模相對有限，航程一般也都比較小。
規避“萊特兄弟問題”的第二種手段是“助”，不過這種方式目前只在各類想法和方案中出現，尚沒有真正成功實現。比如上世紀八十年代英國宇航公司曾提出一個名為“霍托爾（HOTOL）”的水平起飛和水平降落空天飛機計劃，其發射方式設想就是將一架重量為230噸的飛行器傾斜着架設在一輛大型滑車上，地面操縱人員用激光波束指令指導的方式控制滑車，高速滑行大約2300米，並達到540千米每小時的速度，這樣霍托爾就能得到足夠的升力離開地面。不過，經過幾輪評估之後，發現其計算數據存在較多的錯誤。因此，這一項目提出僅僅幾年後，就再也沒有下文了。
顯然，無論是採用“拆”，還是採用“助”的方式，都是採用一些輔助措施實現高超音速飛機的發射，而不是真正的“起飛”，因此並沒有從根本上解決“萊特兄弟問題”，也就是説，仍無法令高超音速飛機像一般飛機那樣自由地從常規跑道起飛。
回想一百多年前，萊特兄弟解決這一問題採用了多管齊下的方式，比如在結構方面儘量減小飛機的重量，在外形方面增加機翼的面積（使用兩層機翼）等。從目前高超音速飛機的研究情況看，主要的思路仍侷限於減小飛機的尺寸和重量，比如赫爾墨斯公司的高超音速飛機定位於公務機，這樣其尺寸和起飛質量都比較小。即便如此，這條途徑是否能夠真正成功，尚有待檢驗。
即便小型高超音速飛機能夠實現水平起飛，對於未來更大裝載的飛機，如何從跑道直接起飛並實現高超音速巡航仍會困擾我們。對此，只有期待一些顛覆性的突破出現吧。
參考資料
[1] https://ntrs.nasa.gov/citations/20210014711
[2] https://www.globalaviator.co/technology/the-reaction-engines-limited-lapcat-configuration-a2/
[3] https://www.adroitmarketresearch.com/industry-reports/hypersonic-market
[4] 潘鋭，趙力羣，國外高超聲速飛機發展分析，航空科學技術，2023，34 (11)
[5] 李憲開，王霄，柳軍等，水平起降高超聲速飛機氣動佈局技術研究，航空科學技術，2020， 31（11）
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