高超音速飞行技术难在哪里？

<p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">2014年1月15日，针对日前有媒体报道称中国在境内进行了一次超高速导弹试验一事，国防部新闻事务局在回答记者问询时表示，中方在境内按计划进行的科研试验是正常的，这些试验不针对任何国家和特定目标。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">高超音速被视为下一代飞行技术，它一般指飞行速度超过5倍音速（约6000公里/小时）以上。高超音速飞行器采用的超音速冲压发动机被普遍认为是继螺旋桨和喷气推进之后的第三次动力革命。但是，要搞清高超音速飞行器的战略价值，我们还得先从冷战时代美苏之间的核威慑与反威慑说起。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>弹道导弹防御打破核平衡</strong></p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">冷战时期，虽然美苏的核武器与相互确保摧毁战略带来了所谓“恐怖的”世界和平，但它并不符合美国唯我独尊的意愿。二十世纪八十年代，美国总统里根提出了以弹道导弹防御竞争代替核导弹竞争的策略。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">弹道导弹防御系统作为耗资巨大的高科技武器系统，可以将竞争对手拖入美国擅长的比拼国力的军备竞赛中。对方无论是否应战，都将面临困境。更重要的是，它的建成可以让美国实现期盼已久的绝对安全，从而获得单方面军事行动包括核讹诈的自由。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">因此，如果一国能研制出有效突破美国弹道导弹防御系统的武器，这种安全困境也就不复存在了，这就是高超音速飞行器的最大价值所在。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">著名防务专家戴旭表示，美国已进入实战部署的导弹防御系统是防御性的，而基于其开展的高超音速飞行器的“45分钟全球打击”计划则完全是进攻性的。一矛一盾，一攻一防，美国全球快速作战体系已初露端倪。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>多项难题有待解决</strong></p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">目前，高超音速飞行器的研制难题很多，从美国开展的相关研究试验中，可以总结出以下最关键的几点。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">首先，发动机研制困难重重。以有动力高超音速飞行器为例，要将飞行器在大气层内的飞行速度提高到5倍音速甚至更高，冲压发动机必须利用超音速气流来燃烧燃料。虽然超音速冲压发动机进气口形状特殊，能减缓吸入空气气流的速度，但无法将空气气流的速度降低至亚音速。这种情况就带来了一个大难题：让冲压发动机吸入超音速气流，并且在超音速空气气流中点燃燃料。对此，有人以“在飓风里点燃一根火柴并保持燃烧”来形容其难度。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">其次，气动控制难度大。目前，人类对高超音速高空飞行过程中复杂气流场的分析与预测，以及大空域和宽马赫数下的飞行控制还知之甚少，需要进行大量的高速风洞试验、计算机模拟，更需要进行实际飞行测试，技术难度和研制风险都很大。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">以美国HTV-2高超音速飞行器为例，其飞行速度要经历从22倍音速再入，16倍音速以上速度开始滑翔，最后减速到4倍音速的过程；飞行高度也从60公里左右开始，最后降低到20～30公里，飞行距离高达5500公里，其横向机动能力也有2000公里。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">HTV-2项目经理曾经很无奈地说：我们知道如何将飞行器送入近空间，也知道如何再入大气层进行高超音速飞行，但我们不知道如何在高超音速飞行下进行气动控制。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">再次，热防护系统和结构设计困难。由于高超音速飞行器要进行慢则5倍音速以上，快则十几倍音速的飞行，即使飞行高度在空气稀薄的高空，气动加热现象仍然非常严重。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">因此，为了保证飞行过程中飞行器的安全，需要使用耐高温、抗氧化、结构强度高的先进轻质材料，同时要精心设计飞行器的气动外形和壳体工艺。如美国HTV-1飞行器在研制过程中使用了曲面构型。但由于在壳体制造中对材料应力考虑不足，洛马公司最终跳过HTV-1直接研制HTV-2，并吸取教训使用了易于制造、工艺更成熟和简单的低曲率的壳体，但HTV-2在第二次飞行试验时仍然因结构解体而失败。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">高超音速飞行器在面对外部超高温的同时，内部要保持常温，以保证内部载荷和设备的正常工作。相关资料显示，HTV-2的表面温度约为2000度，同时内部温度仅有约37度。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">此外，高超音速飞行器在高温高压下的密封和连接技术、耐热隔热透波的一体化材料以及制造工艺，同样是热防护系统要面对的巨大挑战。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">最后，制导、导航和控制（GNC）技术难度大。GNC是高超音速飞行器完成任务的基本保障，但高超音速飞行器面对的GNC技术难度要比传统飞行器大得多。目前人类对高层大气的了解仍十分有限，高超音速飞行器在高空稀薄大气中飞行时会出现长时间的黑障，这就限制了地面指令、卫星导航等技术的运用。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">在高超音速飞行状态下，来自外界或是本身微小的扰动就会被快速放大，从而带来巨大的麻烦，因此飞控传感器和控制系统需要尽快对姿态异常作出反应。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">对此，有科学家以“开着5.8公里/秒的赛车避开赛道上坑洞”打比方，形象地介绍了GNC系统的研制难度。此外，GNC系统必须根据飞行器先进气动布局和控制机构进行设计，其技术难度更是可想而知了。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em"><strong>战略意义重大</strong></p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">著名防务专家徐光裕表示，虽然面临着技术门槛高、研制难度大等诸多问题，但美俄印等国都在致力于发展高超音速飞行器。主要是因为高超音速飞行器除了速度优势外，还具有轨迹复杂的特点，令拦截更加困难。</p><p style="text-indent: 2em; margin-bottom: 1em">可以毫不夸张地说，超高音速飞行器一旦研制成功，它带给世界的冲击丝毫不会亚于当年的核武器，也标志着一个国家具备了穿透弹道导弹防御系统的能力。因此，高超音速飞行器的战略意义极为重大。(张雪松)</p><br />