高超聲速飛行器——
穿越雲霄的「極速傳奇」
■李海亮 劉雪濤
人類從未停止對速度的極致追求。
萊特兄弟首次駕馭飛機升空，把人類自由翺翔天空的夢想變成了現實；加加林首次乘坐飛船環繞地球飛行，揭開了人類探索宇宙奧秘的精彩序幕。
在飛機和飛船這兩個飛行高度之間，還有一個20至100公裏的空白區。自然有其精妙的法則，什麽樣的高度，就有什麽樣的速度範圍與之相匹配。由此，誕生了一種新的飛行器——高超聲速飛行器。
俄羅斯「鋯石」海基高超聲速巡航飛彈（概念圖）。資料圖片
高超聲速飛行器，是指飛行速度遠超聲速的飛行器。這個速度有多快呢？如果想從倫敦飛到雪梨（直飛航程約1.78萬公裏），目前的民航客機需要19小時，而高超聲速飛行器能將時間壓縮到3小時以內。
高超聲速飛行器自誕生以來，一直受到各國關註。前不久，美國白宮科技政策辦公室公布了2024年新版【關鍵與新興技術清單】，提出了18個重點關註的技術領域，高超聲速位列其中。
如何實作高超聲速飛行？高超聲速飛行器需要突破哪些技術難點?世界各國發展套用情況如何？請看解讀。
高超聲速飛行器面面觀
1946年，錢學森首次提出「高超聲速」這一概念。根據他的定義，當飛行器的速度超過5馬赫（即聲速的5倍，約6120公裏/小時）時，便可以被視為高超聲速飛行器。
高超聲速飛行器是什麽樣的？依據技術原理和飛行樣式的不同，高超聲速飛行器可以分為：助推滑翔高超聲速飛行器、吸氣式高超聲速飛行器以及空天飛機等3種主要型別。
助推滑翔高超聲速飛行器自身不攜帶持續飛行的動力源，而是透過助推火箭達到高超聲速或從近地軌域離軌再入大氣層後，巧妙利用其乘波體或雙錐體氣動外形設計產生升力，在大氣層內進行遠距離高效滑翔飛行。美國的「高超聲速滑翔飛行器」（HTV-2）、「先進高超聲速武器」（AHW）和俄羅斯的「先鋒」陸基洲際高超聲速飛彈，都屬於助推滑翔高超聲速飛行器。目前，助推滑翔高超聲速飛行器有兩種彈道方案。
——桑格爾彈道。桑格爾彈道的工作原理類似「打水漂」，呈現出跳躍滑翔的特點。飛行器被火箭送入亞軌域高度後，在大氣層邊緣跳躍滑翔，飛行軌跡上下波動起伏，飛行路徑難以預測。
——錢學森彈道。錢學森彈道是一種近似平飛的助推－滑翔彈道。再入大氣層後，飛行器會依靠空氣動力進行平衡滑翔。這種彈道設計極大增加了飛行器的射程，降低了飛行過程中對飛行器壓力值的要求。
吸氣式高超聲速飛行器以自身攜帶的發動機為動力源，其在大氣層內的飛行全程可操控。與助推滑翔高超聲速飛行器相比，吸氣式高超聲速飛行器在強動力源的驅動下，具有更強的自主機動能力，飛行軌跡更難預測。吸氣式高超聲速飛行器主要包括高超聲速巡航飛彈和高超聲速飛機兩種型別。
——高超聲速巡航飛彈。與助推滑翔飛彈相比，高超聲速巡航飛彈可以更有效地打擊運動中的目標，甚至能「繞過」障礙物來打擊目標。它具有飛行速度快、突防能力強、打擊效能好等優點，已成為實施現代戰爭遠端精確打擊的重要武器。目前，高超聲速巡航飛彈正向著高速度、高精度、隱形化的方向發展。俄羅斯2023年列裝的「鋯石」海基高超聲速巡航飛彈，便是高超聲速巡航飛彈的典型代表。「鋯石」最大射程為1000公裏，可從護衛艦、巡洋艦和潛艇上發射。
——高超聲速飛機。高超聲速飛機突破了現有飛機高度和速度的限制，具有可重復使用、寬速域飛行的技術優勢，目前正處於關鍵技術攻關階段。不少業內人士認為，高超聲速飛機會是未來飛行器技術發展的重要方向之一。歐洲宇航局長期致力於高超聲速飛機技術研究，其遠景目標是發展一型只需2到3小時就能從歐洲飛到亞洲和大洋洲的高超聲速民航機。
空天飛機能像普通飛機一樣在水平跑道上起飛。當它上升到30至100公裏的高空後，飛行速度就可達到驚人的12到25馬赫——這樣的速度足以讓它直接加速進入地球軌域，轉變為航天飛行器。完成太空任務後，空天飛機又能重返大氣層，像普通飛機一樣在機場著陸，實作天地之間的自由往返。相較於其他型別的高超聲速飛行器，空天飛機目前仍處於研究探索階段，技術還不是很成熟。美國的X-37B已經在多次試驗中驗證了其長期在軌飛行、軌域機動、自主返回等方面的能力，被認為是未來太空戰鬥機的雛形。
「極速傳奇」面臨多重技術考驗
高超聲速飛行器的魅力不僅在於其驚人的速度，更在於其背後所蘊含的科技創新與突破。為了實作高超聲速飛行，科研人員需要解決一系列復雜的技術難題，如動力推進技術、制導與控制技術、新型材料和熱防護技術等。
動力推進技術是讓飛行器疾馳如風的「動力源泉」。在高超聲速飛行器穿越雲霄的征途中，動力推進技術就是開啟高速大門的金鑰匙。想象一下，讓一個重達數噸的飛行器在空氣稀薄的高空中以數倍聲速疾馳，需要多麽強大的發動機提供足夠的推力！目前，超燃沖壓發動機是這一領域的明星技術，它可以在大氣中有效獲取氧氣，並且在高超聲速條件下穩定燃燒。當燃燒室內氣流流速超過聲速時，會形成復雜的激波系，激波前後氣流狀態會產生突變。在這種條件下點火並穩定燃燒，好比在12級狂風中點燃一根火柴。此時，常規的發動機技術已經完全不能適用，只有超燃沖壓發動機才能在極短時間內將大量燃料轉化為推力，並讓飛行器加速穩定在高超聲速。
制導與控制技術是確保飛行器精準飛行的「智慧大腦」。當高超聲速飛行器以極高速度穿越大氣層時，如何確保它能夠按照預定軌跡飛行，並準確到達目的地？這就需要依靠制導與控制技術了。這項技術能夠在復雜的飛行環境中，即時計算飛行器的位置和速度，並隨時調整其飛行姿態。
想要保證地面操作人員對飛行器的穩定控制，通訊是關鍵。飛行器以高超聲速飛行時，周圍會產生電漿鞘套，從而影響通訊品質。科學家正在透過研發先進的通訊技術解決這一問題，確保飛行器在高速飛行中的通訊暢通無阻。
新型材料和熱防護技術則為飛行器披上了「高溫鎧甲」。高超聲速飛行器在飛行過程中，會承受極高的溫度和壓力。為了確保飛行器能夠安全穿越大氣層，新型材料和熱防護技術應運而生。新型材料能夠承受數千攝氏度的高溫，保護飛行器內部結構不受損害，如超高溫陶瓷復合材料和高熵過渡金屬碳化物陶瓷。熱防護系統則透過多層材料和主動冷卻技術，將飛行器表面的熱量迅速散發，確保飛行器在高溫環境中穩定執行。這些技術都可以讓飛行器在極端環境中「安穩無憂」。
極致的競速，激烈的角逐
一些國家將高超聲速飛行器列為重點發展領域，紛紛根據本國技術實力和研發特點擬定發展計劃，力圖在未來激烈的戰略競爭和軍事競爭中搶占先機、贏得主動。
美國一直在積極發展高超聲速武器作為其「常規快速全球打擊」計劃的一部份，可用於局部戰爭的中近程高超聲速武器更是其重點發展物件。總體來看，美國高超聲速飛彈譜系完備，既涵蓋了巡航飛彈和助推滑翔飛彈，又涵蓋了空基、陸基和海基等方式，有多個面向實戰部署的高超聲速武器計畫和前沿研究計畫，投資金額達到百億美元。如美國陸軍的「遠端高超聲速武器」計畫、海軍的「常規快速打擊」計畫、空軍的「空射快速反應武器」計畫等，都是研發的重點。不過，由於美軍在高超聲速武器發展上有些「好高騖遠」和「互相掣肘」，目前這些計畫都還處於原型樣機階段。
俄羅斯將高超聲速武器作為突破美國飛彈防禦系統和保持與美國戰略平衡的重要手段。在「非對稱」戰略牽引下，俄羅斯高度重視高超聲速飛彈技術研發，將研制和部署高超聲速飛彈列為【2018年至2027年國家武器裝備發展綱要】的重大優先事項。目前，俄羅斯開展了10多次飛行試驗，已實作「匕首」「先鋒」「鋯石」三型高超聲速武器的部署列裝，「匕首」高超聲速飛彈已完成實戰化運用。
此外，法國、英國、澳洲、德國、日本、印度、伊朗等國家也正在穩步開展高超聲速飛彈研制工作。2023年，法國成功測試V-MAX高超聲速飛彈，成為歐盟第一個掌握高超聲速技術的國家；英國持續推進高超聲速動力技術攻關，並在全尺寸「佩刀」發動機預冷卻器技術方面實作重大突破；澳洲利用與美國合作的「南十字星綜合飛行研究實驗」計畫，發展高超聲速吸氣式武器技術；德國透過參與歐盟ATLLAS II計畫，設計和試驗高超聲速飛行器；日本大力推進「高超聲速巡航彈」和「超高速滑翔彈」計畫……
除了滿足軍事需求，高超聲速飛行器還能在民用領域發揮重要作用。航空運輸方面，高超聲速飛行器可以大幅縮短旅行時間，實作「天涯若比鄰」的美好願景。美國波音公司、歐洲宇航局等先後推出了高超聲速客機的概念及相關技術方案。英國一家公司正在研發全電及混合電力推進的高超聲速民航機。俄羅斯正致力於開發一款全新的高超聲速貨運無人機，其以液態氫為燃料，能以驚人的15馬赫速度飛行——這意味著它幾乎可以在極短時間內跨越大洲大洋，實作全球範圍內快速貨運。
展望未來，隨著技術的不斷發展和完善，高超聲速飛行器將在更多領域展現出其獨特的優勢和價值。
（來源：中國軍網-解放軍報）
