據(jù)人民網(wǎng)消息，2014年8月25日，美國陸軍研制的“高超聲速武器”在阿拉斯加測試時發(fā)生嚴重故障，升空僅四秒后爆炸并墜落在測試基地內(nèi)。盡管如此，美軍將繼續(xù)推動“高超音速武器”的開發(fā)項目，以便實現(xiàn)在一小時內(nèi)打擊地球上的任何目標。

　　那么，高超聲速武器到底是什么？這個炫酷炸天的玩意兒，到底有多么牛逼哄哄呢？真的能一小時內(nèi)打擊地球上任意目標嗎？我國是否有進行這方面研究呢？

　　撰文/郭亮（中國科學院力學研究所）

　　高超聲速，技藝高超

　　所謂“高超聲速飛行器”，是指飛行速度超過5倍聲速的飛機、導彈、炮彈之類的有翼或無翼飛行器。

　　在英文中，高超聲速稱為“hypersonic”，這個詞是我國著名科學家錢學森先生在1945年首次提出的。同時，他還提出了用“第一級噴氣式飛機搭載第二級火箭的兩級式發(fā)射”的方式來實現(xiàn)高超聲速飛行的概念。直到20世紀80年代，還有許多國家遵循這個思路進行相關(guān)的研究工作。

　　簡單來說，這種飛行器從美國紐約飛到我國北京，還用不了2個小時。毋庸諱言，這么快的飛行器當然具有巨大的軍事價值，可以說是戰(zhàn)場上的“倚天劍”、“屠龍刀”，以它遙遙領(lǐng)先于其他大氣層飛行器的速度，無論是進行突防、偵察還是擴展戰(zhàn)場空間，都能輕松完成。

　　概括來說，高超聲速的優(yōu)勢有三個。

　　一是飛行速度快，2小時內(nèi)可以打擊全球任何目標。

　　二是探測難度大、突防能力強。由于通過時間短，防御雷達累積回波數(shù)量較少，不易被發(fā)現(xiàn)；即使被發(fā)現(xiàn)，地面防空武器系統(tǒng)也難以實現(xiàn)有效瞄準，因此突防概率極高。

　　三是射程遠、威力大。目前正在研究的高超聲速導彈，其射程都在幾百千米甚至幾千千米以上。根據(jù)動能公式可知，物體的動能與其速度的平方成正比，因此在進行高超聲速飛行時，它的動能非常之大。與傳統(tǒng)的亞聲速飛行器相比，在同樣質(zhì)量的情況下，其威力將增大很多。

　　阻礙超聲速飛行的“墻”——聲障

　　我們常用“馬赫數(shù)”（Ma）來描述飛行器的速度，它表示飛行器的飛行速度與當?shù)芈曀僦�比�?Ma（1馬赫）就表示飛行器以1倍聲速飛行，小于1Ma即為亞聲速飛行，高于1Ma則為超聲速飛行。

　　當飛行器的速度逐漸接近聲速后，聲波會疊合，積累在飛行器前端，產(chǎn)生激波，形成了一堵“看不見的墻”。這堵“墻”會使飛行器產(chǎn)生強烈的振蕩，不僅速度衰減，機翼下沉，機頭也會往下栽，這就是聲障。

　　為了突破激波的阻礙，飛行器除了要使用大推力的噴氣發(fā)動機以外，還必須采用專門設(shè)計的空氣動力外形。現(xiàn)在比較完善的方案，就是采用“后掠形機翼”或者“三角形機翼”，機翼也必須做得很薄。所以，我們看到一架飛機的外形，就可以判斷出它是超聲速還是亞超聲速。

　　高超聲速推進技術(shù)

　　在沖壓發(fā)動機的燃燒室中，氣流只能達到亞聲速。為了突破這個限制，人們設(shè)計了新一代的發(fā)動機，在它的燃燒室中流動的是超聲速的氣流。這樣的發(fā)動機，被稱為超燃沖壓發(fā)動機。

　　超燃沖壓發(fā)動機，即“超聲速燃燒沖壓發(fā)動機”(SupersonicCombustionRamjet，縮寫為Scramjet）的簡稱。它是一種進氣流速超過聲速的航空用沖壓發(fā)動機，屬于吸氣式噴氣發(fā)動機的一類。

　　高超聲速風洞

　　目前，對高超聲速飛行的研究、試驗和評估，主要依靠三種方法：計算模擬與仿真（CFD)、地面試驗和飛行試驗，三者缺一不可。

　　地面試驗的主要設(shè)備就是“高超聲速風洞”。

　　對于高超聲速飛行器來說，目前已有的常規(guī)地面風洞已經(jīng)不能完全滿足實驗要求了，必須要使用更先進的風洞才行。為此，激波風洞出現(xiàn)了。

　　激波是氣體、液體或者固體介質(zhì)中壓力、密度或溫度在波陣面上發(fā)生突躍變化的壓縮波，在超聲速流動、爆炸等過程中都會出現(xiàn)激波。至于激波管，簡單來說就是兩根管子，中間一個膜，串聯(lián)在一起。膜的一邊充高壓氣體，另一邊充低壓氣體，膜一破，高壓氣體壓縮低壓氣體，就會在低壓氣體里面產(chǎn)生一個運動的激波。這個激波可以將其掃過的氣體加速、加壓、升溫，而且能力非常強，利用這種激波管連接噴管，就做成了激波風洞。

　　我國的JF12激波風洞

　　中國科學院力學研究所的高溫氣體動力學國家重點實驗室，在2008年1月正式啟動了“復現(xiàn)高超聲速飛行條件激波風洞”項目，2012年該風洞研制成功并接受了驗收，命名為“JF12風洞”。風洞總長265米，總重量約1000噸。無論是試驗時間、復現(xiàn)飛行速度、試驗區(qū)尺寸等都處于國際領(lǐng)先水平，可以說是世界第一的高超聲速激波風洞。