百年前“萊特兄弟問題”，仍然卡著高超音速飛機起飛

一百多年前，萊特兄弟發(fā)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？一百多年后，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回吧。

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(fā)在全球掀起熱潮，各國爭相投入巨資突破技術瓶頸。憑借超越5馬赫（即5倍音速）的速度，這類飛機既能實現(xiàn)快速打擊、精準偵察和突破防御體系的軍事能力，也能滿足高端商務旅行、災后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后。其研發(fā)正在推動材料、動力和氣動設計的創(chuàng)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(xiàn)有飛機大致相同，都會經(jīng)歷從跑道滑行起飛、加速爬升、巡航飛行、減速下降、著陸等幾個主要過程。其中，巡航飛行階段是指飛機以等高和等速進行平穩(wěn)飛行的階段，比如我們乘坐飛機時，當乘務員通知可以使用衛(wèi)生間時，一般就意味著進入了這個階段。

與現(xiàn)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(shù)將在5以上（目前民航飛機的對應馬赫數(shù)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(shù)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(xiàn)有飛機更長，這也意味著在加速爬升階段將會消耗更多的燃料。

高超音速飛機完整飛行軌跡。| 圖源：美國航空航天學會（AIAA）

值得一提的是，飛機的速度一般使用馬赫數(shù)作為度量單位，即1馬赫代表1倍音速。然而，計算馬赫數(shù)所使用的音速是指其飛行高度條件下的數(shù)值，這并不是一個常數(shù)，而是隨著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范圍很大。以速度為例，在起飛和降落階段處于亞音速（一般為0.8馬赫以下）速域；加速爬升和減速下降階段會經(jīng)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。

由于在不同的飛行速域范圍內(nèi)，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(wěn)定特性等產(chǎn)生大范圍的變化。因此，在如此復雜的條件下，如何設計一架能夠在寬速域范圍內(nèi)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并加速至高超音速狀態(tài)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(chǎn)生盡量大的升力，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(fā)動機能夠提供盡量大的推力，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(xiàn)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(chǎn)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(fā)動機推力也會小一些，可以減少燃料的消耗，實現(xiàn)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。說到這一問題，可能很多人會有疑惑，目前這么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于其自身的重力，才能離開地面飛到空中。所以這就涉及兩個因素，一是盡可能減少自身的重量，二是盡可能增大空氣提供的升力。

先看重量，盡管目前很多飛機的設計都采用了大量的減重設計，比如盡量研發(fā)或選擇一些質(zhì)量輕、強度好的新材料，或者對結(jié)構(gòu)設計方案進行優(yōu)化設計，以盡量減少材料的使用量等等。對于高超音速飛機，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(fā)動機。現(xiàn)有飛機的發(fā)動機最多只能覆蓋到超音速狀態(tài)，一般在2馬赫左右，如果速度再高，則沒有辦法產(chǎn)生足夠的推力。對于高超音速發(fā)動機而言，發(fā)動機必須在更寬的速域條件下工作，因此必須采用新型的動力系統(tǒng)。從目前的研究進展來看，新型發(fā)動機會比現(xiàn)在航空發(fā)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，會導致飛機表面溫度升高，一般會達到數(shù)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，另一方面也要進行溫度隔絕，保證機艙內(nèi)部處于合適的溫度環(huán)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注足夠的燃料?，F(xiàn)有飛機起飛時，燃料重量占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(xiàn)有飛機重量大很多。顯然其對升力的需求也會大幅高于現(xiàn)有飛機。

令人沮喪的是，對于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(chǎn)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；后掠角，也就是機翼向后傾斜的角度。此外，還有一些其他的因素，比如扭轉(zhuǎn)角、裝配角等等，這里不一一細說。

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(shù)表示，一般在0.2至0.3之間，這一速域?qū)儆诘蛠喴羲佟Ｔ诖怂儆騼?nèi)的機翼性能，人們已經(jīng)研究得比較清楚了。一般來說，采用合理鈍頭的翼型，很小的后掠角或者不用后掠角能夠產(chǎn)生比較大的升力。不過，這僅僅是對于起飛狀態(tài)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，隨著飛行速度的提高，所需的最優(yōu)機翼形狀將會不斷變化，到了超音速狀態(tài)，最佳的機翼形狀變成了頭部尖尖和大后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(xiàn)有飛機和曾經(jīng)出現(xiàn)的“協(xié)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(xiàn)，協(xié)和式飛機所采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(chǎn)生升力的能力卻低了很多。

C919飛機（跨音速巡航）和協(xié)和式飛機（超音速巡航）。| 圖源：網(wǎng)絡

雖然協(xié)和式飛機也采用了一些優(yōu)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。因此最后的選擇只能是“升力不夠，推力來湊”，即使用大推力的渦輪噴氣發(fā)動機，并在起飛時利用“加力”模式，加大發(fā)動機的推力來補償升力的不足。采用這種解決方案有兩個先決條件，一是發(fā)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(fā)動機采用“加力”工作模式時，其燃料消耗會大幅增加。

相比于協(xié)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于協(xié)和式飛機的設計理念，其機翼的翼展會變得更小，后掠角會更大，這樣，在起飛時能夠提供的升力就進一步減?。坏谌?，依據(jù)目前的認識，能夠用于未來高超音速飛機的發(fā)動機系統(tǒng)能夠產(chǎn)生的推力也不容樂觀。

如果把歷史的車輪向后倒退一下，一百多年前，萊特兄弟發(fā)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？一百多年后，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回吧。

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(quán)宜之計，也只能采用一些手段對其進行規(guī)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采用了這條途徑。既然從“地面水平起飛”的問題解決不了，那么就退一步，把“地面”和“水平”兩個條件拆開來，并分別實現(xiàn)。具體來說，就是采用地面起飛，但不是水平起飛，或者實現(xiàn)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發(fā)射，這種發(fā)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(tǒng)。該系統(tǒng)發(fā)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。當在軌任務完成后，其會從海拔幾百千米的大氣層外滑翔返回地球，并在跑道水平降落，其在返回過程中最大飛行馬赫數(shù)超過25。

地面垂直發(fā)射的航天飛機丨圖源：NASA

空中發(fā)射可以實現(xiàn)水平發(fā)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（類似于轟炸機投彈一樣），之后高超音速飛機再利用自身的動力實現(xiàn)高速飛行。投放時飛機已經(jīng)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，采用這樣的發(fā)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(jié)約的燃料就能擴展高超音速飛行的航程。

空中發(fā)射方式的典型實例，就是上世紀六十年代美國研制的X-15高超音速飛機。該飛機曾經(jīng)完成了199次成功飛行，其最大飛行馬赫數(shù)超過6.7，最大飛行高度達到約海拔108千米，并且絕大多數(shù)飛行都成功完成了水平降落和返場。

雖然空中發(fā)射是一種相對比較成熟的方式，但限于運載飛機的掛載質(zhì)量和掛載尺寸的約束，采用這種方式發(fā)射的高超音速飛機規(guī)模相對有限，航程一般也都比較小。

NB-52載機空中水平發(fā)射X-15飛機的瞬間。| 圖源：NASA

規(guī)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(xiàn)，尚沒有真正成功實現(xiàn)。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(fā)射方式設想就是將一架重量為230噸的飛行器傾斜著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，并達到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(jīng)過幾輪評估之后，發(fā)現(xiàn)其計算數(shù)據(jù)存在較多的錯誤。因此，這一項目提出僅僅幾年后，就再也沒有下文了。

顯然，無論是采用“拆”，還是采用“助”的方式，都是采用一些輔助措施實現(xiàn)高超音速飛機的發(fā)射，而不是真正的“起飛”，因此并沒有從根本上解決“萊特兄弟問題”，也就是說，仍無法令高超音速飛機像一般飛機那樣自由地從常規(guī)跑道起飛。

回想一百多年前，萊特兄弟解決這一問題采用了多管齊下的方式，比如在結(jié)構(gòu)方面盡量減小飛機的重量，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，主要的思路仍局限于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于公務機，這樣其尺寸和起飛質(zhì)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?qū)崿F(xiàn)水平起飛，對于未來更大裝載的飛機，如何從跑道直接起飛并實現(xiàn)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(xiàn)吧。

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