“錢學森原理”，助推高超音速飛行器

紀中展

不久前，“我國JF—22超高速風洞預計2022年建成”登上微博熱搜。這意味著，中國具備了更高的實力來發展高超音速飛行器。于是，西方媒體又跳出來渲染“中國威脅論”了。其實，美國、俄羅斯都有可用來測試高超音速飛行器的風洞。美國的風洞能滿足30馬赫狀態的測試，俄羅斯的風洞能滿足20馬赫狀態的測試。

這里需要先科普兩個概念：風洞和馬赫。

風洞指長條形盤繞著的粗大管道，可以控制管道內的流速、密度、溫度。風洞常被用于空氣動力學的研究和試驗。科研人員將模型或實物在風洞中反復吹風，觀察、測量不同氣流對其產生作用，從而為其結構設計、性能改進等提供依據。JF—22型超高速風洞的上一代是JF—12風洞——長265米，居世界風洞長度之首，被國際同行稱為“高超巨龍”，是國際首座可復現飛行條件的超大型超高速風洞。

馬赫即馬赫數，是物理學單位，一般用于衡量飛行器的飛行速度。1馬赫代表1倍音速，馬赫數小于1為亞音速，大于5就是高超音速了。目前民用飛機速度一般在0.8—0.9馬赫，對應速度大概是每小時800—900千米，最先進的軍用飛機速度能達到3馬赫。國產JF—22風洞的測試速度應該不低于35馬赫。

那么，什么是高超音速飛行器？

高超音速飛行器又被稱作“近空間高超音速飛行器”，可以理解為是“飛行速度超過5馬赫的飛機、導彈、炮彈等有翼或無翼飛行器”的總稱。近空間是指飛行高度距離地面20—100千米的大氣層空間，位于低軌衛星軌道的下方、飛機飛行高度的上方，包括大氣平流層、中間層和部分熱層。

高超音速飛行器的飛行速度如果是5馬赫，換算下來是每小時飛行距離超過6000千米，是民用飛機的6倍、現役超音速軍用飛機最大速度的兩倍。而且，高超音速飛行器的飛行高度一般在20—40千米（現在民用客機約10千米）。若高超音速飛行器應用于民用和貨運，飛行時間會大大縮減，從北京到地球任何地方可能只需1小時，真正實現“首都一小時達”！

知名科學家錢學森是高超音速概念和技術最早的倡導者和推動者之一。1945年，錢學森發表論文《論高超聲速相似律》，提出高超音速的飛行速度大于5馬赫這一標準。高超音速飛行器大致分為兩類。一類是依靠自身高性能動力，推進系統實現大氣層內數倍音速。超燃沖壓發動機、脈沖爆震發動機是這類高超音速飛行器的關鍵技術和儀器。另一類是助推滑翔高超音速飛行器。這又要提到錢學森了。

1948年，錢學森在美國火箭年會上提出了“火箭助推—再入大氣層滑翔機動飛行”的概念，就是通過火箭助推器，將飛行器推出大氣層，在重力作用和地球引力的聯合作用下，飛行器將從太空重返近空間，然后依靠大氣層內的“氣動升力”進一步飛行——氣動升力是評價空氣動力學性能的指標之一，影響飛行器的穩定性和動力性。飛行器飛行時，采用無動力的滑翔模式，減緩降落速度，控制降落方向。目前，美國、俄羅斯的高超音速飛行器也運用錢學森提出的原理。

可以說，在人類航空史上，高超音速飛行器是繼飛機之后的又一個里程碑式的突破。