全球第一！中国独创高超音速气动布局：解决两个重大难点问题

12月10日，中科院科学文化科普的公众号上放出了一个重磅消息，中科院力学研究所的研究员崔凯领导的团队测试了一种全新的高超音速气动布局，解决了一个高超音速飞行器一直以来无法解决的高速飞行器载荷过小的问题，开创性的使用一种HCW翼型解决了这种罕见的难题！

超音速飞行器载荷问题到底有多难：简直就是无解难题

高超音速飞行器是目前全球各国飞行器研究中的顶尖领域，原因也非常简单，要是作为武器来使用，速度可达5马赫+，如果是滑翔高超音速武器，速度可能会达到15马赫+，在这种速度条件下，数千公里路程，二十多分钟抵达，留给敌方的反应时间极为短暂！

另一个是高超音速武器的机动性，因为在高超音速条件下机动，对方的拦截弹完全无法再机动后修正路线拦截，因为速度太快，甚至超过拦截弹的速度，根本就来不及反应，只能任凭高超音速导弹命中目标。

要是将高超音速飞行器作为作战飞行器或者远程运输用途，那么洲际飞行将在一小时抵达，远程投送能力实在是太强悍！所以作为未来飞行器的发展方向，各国都在高超音速飞行器上投入巨资研究，其中最重要的方向就是选择一种高超音速飞行器的气动布局！

高超音速飞行器：一直以来就是鱼和熊掌不可兼得

高超音速为什么要研究气动布局？除了更好的适应高超音速飞行外，最重大的任务就是找到一种气动布局可以兼顾高超音速飞行，同时还能很高的荷载比例，但是一直以来都找不到符合这种要求的布局！

相信大家都知道，高速飞行器的布局是又尖又长，比如大家最熟悉的高速飞行器有两种，一种是民用的协和客机，另一种是军用的“黑鸟”SR-7超音速侦察机：

协和客机：最高速度2.2马赫，最大起飞重量是185吨，最大载人数量为120人，要是普通的客机，比如波音737-800的最高速度为的最大起飞重量为79吨，但它的载客数量却高达175人+！

黑鸟侦察机：最高速度3.32马赫，最大起飞重量78吨，最大载荷5.8吨（黑鸟是侦察机，没有具体载荷，是以D-21无人侦察机数据作为载荷），相比之下，最大起飞重量为79吨的轰-6K的最大载弹量为15吨！

这样对比大家就有个非常直观的认识，同样级别甚至低于超音速飞行器重量一个级别的飞行器载荷也要更高，而且这还只是超音速飞行，如果达到高超音速飞行，这个荷载比例还要更低！原因也很简单，因为适合高超音速飞行的飞行器展弦比要求很低！

展弦比的意义是机翼翼展的平方除以机翼面积，越小表示表示这是一种翼展很小，很细长的机型，适合高速飞行，比如SR-71的展弦比仅为1.94！相对的越大表示翼展很大，机身长度比例不高的机型，比如波音737-800的展弦比为9.45，另一种极端的全球鹰的展弦比更是高达25！

展弦比越小意味着升阻比也越小，就是同样速度下产生的升力更小，这个数字也就意味着机型的载荷携带能力更小。如果提高展弦比，载荷会逐步增加，但高速能力会越来越差！有一种技术可以兼顾大展弦比高载荷与小展弦比高速的气动布局，就是大家都知道的可变后掠翼，比如美军的F-14和前苏联的SU-24，这是战斗机，还有美军的B-1B“枪骑兵”和前苏联的图-160“海盗旗”也是变后掠翼。

不过这种技术现在已经不流行了，因为变后掠翼结构实在太复杂，而且变后掠翼也只适合超音速，更高速度的高超音速就没辙了！因为高超音速飞行的条件可比超音速恶劣多了，比如高超音速激波冲击下产生的高温；还有一个就是激波波阻引发的机翼强度问题，这俩都是拦路虎，所以在高超音速下，既要满足速度又要满足大载荷要求的气动布局，必须要重新开始找方向了！

HCW翼型布局：中国独创高超音速气动布局

全世界科学家都在想破脑袋解决这个鱼和熊掌兼得的问题，这回中国科学家首先找到方向了！12月10日发表在中科院官方公号上的文章《全世界所有高超声速飞机的方案都窄小扁平，但我们却设计成了这个奇怪的模样》，作者是中国科学院力学研究所研究员崔凯，就描述了一种相当优秀的气动布局，在高超音速下实现大载荷飞行的一种方式！

这种布局的方式非常奇怪，在高超音速飞行器的尾部顶上增加了一个机翼，看起来就像戴了一顶帽子，很多了解高超音速气动布局的网友就懵了，这到底是怎么回事？因为按正常的空气动力学效应来理解，这种飞行器会产生严重的低头力矩，因为尾部升力很大，但机头前半部分却因为没有升力中心导致头重脚轻！

HCW翼型布局的功能：原来是怎么回事

顺着这种翼型的布局，种花家查到了一种被称为HCW（High-pressure capturing wing：高压捕获翼构型）的高超音速气动布局，特别是崔凯研究员在2013年以及2020年发表的关于HCW翼型的论文，终于搞清楚了其气动布局的原理：

第一个是气动焦点的问题，这种没有复杂气动翼面的飞行器，气动焦点与飞行器重心前后距离相差不大，也就是飞行器的的重心在机翼的气动中心附近，飞行器静平衡。

第二个是飞行器如何增加升力，这种该飞行器有一个纺锤形的机身，在机翼下方会突然缩小，大致呈现纺锤形，两头尖中间大。

其升力来源为来自机头位置的“气动耦合”，亚音速时流过机体上表面的气流会在机体表面引导下快速流向机翼下表面，形成一个抬升效应，这是亚音速时的增升作用；

超音速时，流过机体表面的气流会形成激波，会在精心设置的机翼位置被反射，这道反射的激波再次在机体表面被反射向后方的机翼，再从尾部反射直至穿过机身和机翼之间的狭缝，形成一个先收缩后扩张的内流道，在机翼的下表面形成一个高压区，大幅度增加升力。

这种使用了HCW机翼的高超音速飞行器，其升力可大幅提升达 30%以上, 升阻比提升一般可达 20%以上，在高超音速飞行器上，这个数据直接就是逆天级，简单一点描述，原本一颗高超音速滑翔弹头，原本为500千克的重量，30%就是650千克，各位肯定会如此理解，但事实上增加的这点载荷确实很重要，但作为高超音速武器领域，升阻比增加绝不是这样使用的！

而是作为更高的机动性以及更远的滑翔距离，比如可以横向机动更远的距离，同时还能再更高的纵向高度差上机动，拦截难度更高，滑翔距离更远，原本无法打击的目标也将纳入打击范围，当然应用在载人或者洲际运输上就是增加货物或者距离，可以达到更低的成本。

激波增升：升力过剩的问题

了解高超音速激波的朋友可能会有一个疑问，这种HCW翼型有一个非常严重的问题，就是速度越高升力也越高，因为机体下表面也会产生激波增升，这也是乘波体的原理，而HCW还兜住了那些上表面的激波用来增升，这飞行器是不是就升力失控了？

答案还真是这样，升力确实会随着速度增加而加大，但并不会失控，而是反而会让飞行器飞向更高的的高度，比如30千米+，甚至40千米+，因为高度越高，空气阻力也越小，同样的燃料可以飞行更远的距离，这种缺点立马就变成了一个优点！

关于HCW高压捕获翼构型，能搜索到的第一份研究资料是中国科学家完成的，崔凯、李广利等人在2013年发表了关于高速飞行器高压捕获翼气动布局概念研究的文章，也就是中国目前处在这种高升阻比的高超音速气动布局研究的最前沿。

从2013年崔凯的研究从理论计算到风洞模拟，再到2021年的上探空火箭实地测试，取得了大量的研究成果，特别是2021年将模型安装在探空火箭发射后取得的数据，崔凯研究员带领团队足足花了3年的时间来分析，一直到现在，还有部分数据在继续分析处理中！

经过这次实地的飞行分析，下一次的模型将会给出一个更优秀的气动布局方案，同时也将为不久的未来缩比模型安装发动机测试，最终这种久经考验的全尺寸飞行器将会装上高超音速发动机飞向临近空间，跨越洲际，甚至可以作为二级入轨的空天飞机母机！

高超音速飞行器：还需要一种高超音速发动机

前面介绍了高超音速飞行的气动布局，飞行器当然不只有气动布局，还有动力来源。想要实现高超音速飞行，螺旋桨动力肯定是不行的，连喷气式发动机都没法适应高超音速，火箭发动机倒是可以，但既要带燃料，又要带氧化剂的发动机，在大气层内飞行不是很浪费吗？

因此一定要有一种能够在高超音速条件下为飞行器提供动力的发动机，一般来说，大概有几种模式的动力是可以满足高超音速飞行的：

冲压发动机或者与冲压发动机结合的组合式发动机；用火箭发动机衍生或者使用大气作为氧化剂的火箭发动机；爆震发动机或者以爆震发动机衍生的组合发动机；

冲压发动机应该是大家最熟悉的，分为亚燃冲压与超燃冲压两大类，性能都很优秀，但是有两个问题很难解决，一个是无法零速度启动，还有一个是亚燃向冲压转换时存在一个推力陷阱。

有一种涡喷发动机加上引射火箭与冲压发动机结合的方式，能解决这个问题，首先是涡喷发动机加速到超音速，点燃亚燃冲压发动机，速度提高到4马赫+的推力陷阱时启动引射火箭平稳过渡到5马赫+，再点燃超燃冲压发动机，完美解决零速度启动以及亚燃与超燃过渡的问题。

ATR空气涡轮火箭是一种使用火箭动力推动涡轮吸气，然后再使用吸气后的燃烧室增推，这种模式能大幅度增加火箭的比冲，这种动力方式简单，不过最高马赫数还是受限，除非切换到超燃冲压模式；

另一种火箭衍生的发动机是类似于英国佩刀式预冷式组合循环发动机，这种发动机很有趣，使用火箭涡轮泵推动吸气涡轮，将吸入的空气预冷并压缩，送入火箭发动机作为氧化剂，以火箭发动机模式工作，但使用的氧化剂为空气，只需携带少量氧化剂，并且在高度达到无法吸入空气作为氧化剂时还能切换成成火箭模式，是空天飞机单级入轨的理想动力。

还有一类是爆震发动机，这类发动机分成PDE（脉冲爆震）、RDE（旋转爆震）和ODE（斜爆震）三大类，最接近实用化的是ODE，特别是和涡轮以及冲压发动机结合后，这类爆震发动机相当有发展前途，不过最高速度还是有限，想要更高速度，ODE比较合适，这种发动机能适应14马赫+以上的速度，简直就是神器！只是问题是难度实在太高，目前中国进度最高，但也只是在风洞阶段。

目前国内在推动的、成熟度比较高的应该是超燃冲压发动机和预冷式组合循环发动机，还有旋转爆震类发动机，各位有兴趣的话以后可以多出这类题材，就是比较搞脑子，看起来费劲，大家可以留言，看看以后要不要多出些这类文章。