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这是一篇旧文，近日在“头条号”上引发关注，阅读量突破3万，为此略作修改在此重发，以飨读者。年年岁岁花相似，岁岁年年人不同，相信您会有新的认识。

空天飞机想象图

相比于地面和水面，空气中的摩擦系数最小，因此，相比于车辆和船舶，飞机的运动速度最快。让飞机飞得更快，是航空人的不懈追求。飞机诞生时，时速不过几十千米，现在已经达到了几千千米，还在向着更高的速度迈进。当然，这个过程也不可能一帆风顺，其间已经经历了两次大的坎坷，注定还将经历第三次坎坷。

B-1轰炸机突破声障

第一道坎，声障，已经跨越

20世纪30年代末，螺旋桨飞机的飞行速度突破了700千米/时，但是人们要想进一步提高飞行速度却遇到了重重困难，突出表现在两个方面，一是任凭人们怎么加大油门，飞行速度就是止步不前；二是飞机时常陷入不稳定状态，难以操纵，甚至自发栽头导致飞行事故。当时，人们认为声速是飞机不可逾越的速度障碍，故称之为“声障”。

后来人们知道了这是飞行速度接近声速时，激波在作怪。关于激波，还得从声波说起。

就像朝水中投入石子会产生水波一样，物体对空气进行扰动也会产生声波，并且像水波一样，会以波的形式向外传播，逐渐衰减，最终消失在远方。当声波传播到人们的耳中，引起耳膜振动，人们就听到了声音。

扰动，在空气中是以声速向四面八方传播的。如果扰动源是静止的，或者扰动源是运动的，但是其运动速度小于声速，那么在传播中声波就会离扰动源越来越远，并最终消失。如果扰动源的运动速度等于声速，在传播中声波就会与扰动源同步前进。如果扰动源的运动速度大于声速，在传播中声波就会在扰动源的推动下，在其前进方向上形成堆积，如同水中快艇头部形成的楔形水波。当然，由于扰动源在空中运动，声波堆积所产生的是立体锥形波，不是平面楔形波。这种扰动源以超声速运动时所产生的锥形声波，就是激波。激波并不神秘，是气体在超声速流动时所产生的一种物理现象。激波前方是未受扰动的大气，其压力、温度和密度等都保持大气压力、大气温度和大气密度等。激波是一层致密的空气薄层，也是未受扰动与受扰动的大气的分界面。由于声波的堆积，激波后方的空气的压力、温度和密度等都急剧升高，产生突变，对飞机形成极大的激波阻力。同时激波的出现，也使得波后气流陷入紊乱，让飞行变得不稳定。

实际上，由于飞机机体表面的特殊形状，当飞机的飞行速度接近声速时，机体表面的局部区域已经率先达到声速或者超声速，出现了局部激波，同样阻碍飞行速度的提高。因此，声障不是出现在超声速飞行以后，而是出现在接近声速时。

要想进一步提高飞行速度，就必须减阻增推。一是减小激波阻力，当时的螺旋桨飞机普遍采用平直机翼或椭圆机翼，后掠翼的出现起到了推迟激波产生和减小激波阻力的双重作用。二是增大发动机推力，随着飞行速度的提高，活塞式发动机的输出功率是逐渐减小的，同时螺旋桨在自身旋转线速度接近声速时其推进效率也是急剧下降的，而喷气式发动机的推力是随着飞行速度的提高而增大的，很好地适应了飞机提速的需要。此外，机身面积律的发现也起到了很好的减阻效果。因此，20世纪40年代中、后期，随着气动技术和发动机技术的突破，人们通过采用后掠翼、机身面积率和喷气式发动机，解决了减阻增推的问题，突破了声障，实现了超声速飞行。

SR-71突破热障

第二道坎，热障，正在突破

20世纪60年代，当飞机的飞行速度突破了“双二”（飞行高度突破20000米，飞行速度突破两倍声速）之后，“双三”（飞行高度突破30000米，飞行速度突破三倍声速）成为了新的奋斗目标。

这时，人们遇到了一个新的障碍，热障。所谓热障，就是当飞机的飞行速度超过了一定界限时（一般认为大于2.5倍声速），因高速气流引起机体表面温度急剧升高，导致机体材料、结构强度减弱，刚度降低，使飞机外形受到破坏，甚至引发灾难性后果。

高速气流加热，主要有两种方式，一是压缩加热，类似于用打气管打气时管筒发热，激波具有更为强烈的压缩加热作用；二是摩擦加热，高速气流与飞机机体之间会产生剧烈的摩擦作用。二者综合作用，当大气温度为零下56摄氏度时，两倍声速飞行时的机体表面最高温度超过100摄氏度，三倍声速接近350摄氏度。铝合金的工作温度不超过150摄氏度，耐热铝合金的工作温度也不超过300摄氏度。显然，要实现“双三”飞行，就必须寻找新的耐热材料。美国的SR-71“双三”侦察机大量采用了昂贵的钛合金，钛合金的工作温度在400摄氏度以上，耐热钛合金可以达到650摄氏度。苏联的米格-25“双三”战斗机则不惜增加重量大量采用了不锈钢，不锈钢的工作温度可以超过800摄氏度。

近年来，随着临近空间的开拓，高超声速（飞行速度超过5倍声速）飞行成为必然，机体材料与结构再次面临严峻的挑战。仍然以大气温度零下56摄氏度为例，4倍声速时机体表面最高温度可以超过400摄氏度，6倍声速时可以达到1300摄氏度，9倍声速时将突破3000摄氏度。受陨石降落启发，一次性使用的航天器可以采用敷设防热瓦，通过表面烧蚀的办法解决航天器的内部防热问题。但是，飞机不行，飞机需要重复使用，不能每次都重新敷设防热瓦。而且对于高超声速飞行器，不仅需要解决机体表面和机体结构的防热问题，还需要解决机载系统的防热问题，以维持机载系统正常工作的环境温度。目前的思路是多管齐下，研发新型耐热材料+设计新型防热结构+高效综合热管理。其中，新型防热结构综合采用耐热、隔热、散热等技术途径解决结构的热稳定性问题，类似于空心涡轮叶片，通过改进材料提高叶片的耐高温性能，通过表面气膜起到隔热作用，通过内部冷却气流通道起到散热作用。综合热管理则将整个飞机作为一个大系统，统筹考虑冷热需求与冷源、热源问题，实现有限资源的充分利用，如可将机内燃油作为冷源，用于冷却降温，同时也提高了燃油的初始温度，有利于燃油的充分燃烧。此外，在找到更好的解决办法之前，必要时也可以在一些关键部位局部敷设防热瓦。总而言之，高超声速飞行器的热防护问题，目前还需要进行一些新的探索。

飞船返回舱进入黑障区

第三道坎，黑障，即将来临

黑障，目前出现在航天飞行中。最常见的就是宇宙飞船的返回舱，当其以很高的速度再入大气层返回地球时，在一定的高度范围（大致在距离地面35至80千米）会因出现强烈激波，使返回舱表面与周围气体呈燃烧状态，形成一个高达几千摄氏度的高温区，高温区内的气体和返回舱表面材料的分子被分解和电离，形成一个等离子区，吸收和反射电磁波，造成无线电通信和地面观测的短时衰减或中断。这种现象被称为黑障。

黑障区的范围与大气密度，再入体的形状、材料、再入速度，以及无线电信号的频率和功率等因素有关。依据资料，在300千米以上高度，由于空气稀薄，不会出现黑障。在120千米高度，20倍声速左右出现黑障。在80千米高度，10倍声速左右出现黑障。在40千米高度，接近7倍声速时可能出现黑障。随着返回舱的减速，在35千米高度左右，黑障现象消失。

SR-72高超声速飞机

随着高超声速飞机的出现，飞机也将面临黑障问题。高超声速飞机源于美国的“国家空天飞机计划”。1986年，美国的航天飞机计划还在进行中，就又启动了“国家空天飞机计划”。二者的共同点在于都是为了研制可重复使用的航天运载工具，不同点在于前者利用火箭升空、滑翔降落，主要用于近地轨道；后者采用超燃冲压组合动力实现水平起降、单级入轨。1995年，“国家空天飞机计划”中途下马。尽管如此，该计划还是牵引出了一大批后续发展计划，推动了高超声速飞机的发展。目前，最为引人关注的当属美国洛克希德·马丁公司的SR-72高超声速侦察机发展计划。该机采用涡轮/超燃冲压组合动力，先由涡轮动力加速至3倍声速，启动超燃冲压动力加速至6倍声速，实现高超声速飞行。原计划2020年首飞，2030年前后服役，目前项目进展滞后。2017年，美国空军调整了发展思路，采取“爬-走-跑”的渐进式发展路径，首先采用火箭/超燃冲压组合动力实现验证飞行，之后采用现货产品实现涡轮/超燃冲压组合动力验证飞行，最后在2035年以后实现高速涡轮/超燃冲压组合动力验证飞行。可以预见，高超声速飞机的发展还将经历曲折。但是，需求是客观存在的。在军事上，高超声速飞机一旦投入使用，现有防空系统将面临瘫痪。新世纪之初，美军提出了“一小时打遍全球”的军事能力发展目标，要实现这一目标，打击武器的飞行速度至少要在10倍声速以上。未来，要实现高超声速飞行器的单级入轨，飞行速度至少要在25倍声速以上。凡此种种，都指向了一个问题：高超声速飞机终将面临黑障问题。何时到来，取决于其发展步伐。

相比较而言，航天器返回时，只是从大气层中穿过，短时间的黑障现象对其飞行并无大碍。但是对于主要在大气层内飞行的临近空间高超声速飞行器，其影响则要大得多。除了通信与观测问题之外，导航是更大的问题。相比于常规飞机，高超声速飞机具有更高的飞行速度和更大的转弯半径，更能体现差之毫厘、失之千里，也就更加难以忍受导航信息的短时中断。解决黑障问题，目前的基本思路是多管齐下、区别对待。对于导航问题，主要采用天文导航、惯性导航等自主导航方式，以降低对外部导航信息的依赖。对于通信问题，主要通过提高信号频率、功率以及将天线安装在等离子鞘薄弱位置等，减弱其影响。同时探索通过外形设计和喷洒某种材料消除或减弱等离子鞘。要彻底解决黑障问题，还有待创新性技术的出现。

总结以上分析，三道坎，尽管现象不同，但根源都在速度。超声速飞行时，速度引发激波，激波产生阻力，出现了“声障”。同时激波引发压缩加热，速度越高，加热作用越强，从而在更高速时相继出现“热障”和“黑障”。障碍在提速中产生，提速必须克服面临的障碍，正是在克服这些障碍的过程中，飞机实现了不断提速。目前，飞机正向着实现更高的高超声速飞行的目标不断努力。

【作者简介】李清，航空工业发展研究中心研究员，航空工业集团公司特级技术专家，从事航空产品发展战略与装备体系研究。

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