超高音速飞行器简介

这段时间来，我国超高音速飞行器的新闻时常刷屏，从df-17到最近被外媒炒作的“在轨超高音速导弹”，每次出现都惊艳全场。再加上美国这些年来实验的X-43，X-51a乘波者，，这些种类繁多的超高音速飞行器着实令人眼花缭乱。它们之间是什么关系？为什么被称为超高音速飞行器？我国在这方面发展水平如何。让我们来简单梳理一下。

超高音速的定义是达到或者超过5倍音速。从这个定义上来讲，只要达到这个速度的飞行器，都可以成为超高音速飞行器。从这个角度，我们可以对现有的超高音速飞行器进行一个很不专业的分类。

1.      常规弹道导弹

是的，弹道导弹也可以称为超高音速飞行器，毕竟这些导弹的中端或者末端速度也达到了5马赫。追溯到最早的应用于实战的德国V-2导弹，其最高速度也可达到5700km/h，完全可以称为超高音速飞行器（飞行器这个概念是可以囊括导弹类武器的），而现在主流的洲际弹道导弹，末端速度更是可以超过20马赫，因此称之为超高音速飞行器毫不为过。

我国在弹道导弹上的研究，是很稳妥的前三名水平。不管从射程，精确度还是末端分导式多弹头，和美俄完全没有代差。弹道导弹有路基和海基两种，路基方面，我们仅次于俄罗斯，在射程和推力上略微不足（差距很小），美国主要是不重视路基弹道导弹，因此并没有固体燃料的洲际导弹，部署能力较弱，不如中俄。海基上，我们则较为明显的逊色于美国，因为我们的巨浪-2对标的是路基的df-31，因此射程上只有7400km，和美国的三叉戟2的12000km差距较大。不过既然路基的df-41已经服役亮相，按照我军一贯的风格，对标的巨浪-3估计已经准备好了，届时的射程也一定可以超过10000km。

弹道导弹虽然速度快，但显然不是媒体所宣传的“超高音速飞行器”，大家更关心的，并不是在大气层外的飞行速度，而是大气层内的飞行速度，毕竟在太空中显然要接近或超过第一宇宙速度，提超音速这个概念就很没意思。

2.      临界空间弹道导弹

东风17并不是常规的弹道导弹，因为它的射程里，有很大部分是在大气层内，因此才需要这种扁扁的造型，便于在高速滑翔时骑在激波的波面上，因此也被称为乘波体导弹。提到乘波体导弹发展的初衷，就需要介绍一下常规弹道导弹和巡航导弹的区别。

常规弹道导弹使用火箭发动机，和运载火箭毫无本质的区别，df-5其实就是长征2号的姊妹版。这类导弹运行轨迹就是一端很好预测的抛物线，火箭燃料用完了就开始自由落体，因此才有了拦截的可能性。另外当导弹进入到大气层外以后，就很容易被敌方发现，这也是常规弹道导弹的弱点。

巡航导弹则是使用喷气发动机，比如美国的战斧，本质上是一个无人机，因此可以在大气层内自由变轨飞行，几乎不可能预测轨迹，但巡航导弹都是亚音速，如果能被发现，也很容易击落。

乘波体导弹便是结合了二者的优点，首先使用火箭发动机将弹头送入到大气层的临界空间（东风17就是用乘波体弹头装在了东风16的火箭发动机上），没有出大气层，也就难以被发现，但速度因为借力火箭发动机，在5-9马赫之间。这时弹头脱离，开始滑翔，按照需求，也有一定的变轨能力。这就相当于一款超高音速的巡航导弹，不仅轨迹难以预测，即便发现了，因为速度过快，也很难拦截，这也是东风17的可怕之处。

不过乘波体导弹是在大气层内飞行，因此阻力很大，这也导致了乘波体的飞行距离很难像常规洲际弹道导弹一样，动不动飞上万千米，像东风17，射程是2500km，妥妥的中导。

关于东风17，很多人会提出到桑格尔弹道或者钱学森弹道，这里可以简单介绍一下。桑格尔是德国科学家。二战的时候，弹道导弹射程很近，v-2只有300多km的射程，这主要是火箭发动机技术的不足，因此桑格尔提出了一种特殊的弹道来延长导弹的射程（为了从德国打到美国）。这种弹道便是桑格尔弹道，利用在大气层边缘打水漂的工作原理（大气层和真空的密度差异），延长射程。这种弹道需要导弹相对于大气层呈现特定入射角度，切入大气层的角度将影响弹跳的方向。我们可以看到下面这张图，如果不进行弹跳，导弹在很近的距离就落地了，打水漂相当于延长了导弹的高空中的时间，为导弹往前飞行争取了更多的时间。

桑格尔弹道的缺点就是，每次弹跳，导弹的轨迹会发生剧烈的变化，对导弹的精度影响很大。因此在如今，火箭发动机动力足够强劲的基础上，弹道导弹几乎没有用桑格尔弹道的。

钱学森弹道则是，在导弹第一次重返大气层之后，便在临界空间开始滑翔，仍然是乘着激波，因为不会弹跳，精度也就大大提高。这也是乘波体导弹的一种理想方案。当然，如果选在在上升期不冲出大气层，直接开始在临界空间滑翔，自然更好，这样也就减少导弹暴露位置的机会。东风17推测使用后者方案。

在乘波体导弹方面，中国可以说是世界领跑者，毕竟东风17是全球唯一服役的乘波体导弹，美俄虽然一直也在研究，但始终没有服役的武器，当然，也可能和美俄在中导研发上的受限有关，这就不得而知了。

1.      高超音速巡航飞行器

乘波体导弹性能优异，但仍然需要火箭发动机，火箭发动机都是一次性的，成本很高，而且发射场地也很受限。如果巡航导弹本身，就能实现高超音速飞行，自然是最好的选择。而且使用吸气发动机的巡航导弹，不需要携带氧化剂（吸空气就行了），只需要携带燃料，因此质量比火箭小很多，可以直接由飞机携带，简单易行，廉价实惠，实在是高超音速武器发展的最佳路径，一般大家感兴趣的，也都是指这类使用吸气发动机的飞行器。大气层内的吸气式高超音速飞行器的核心在于超燃冲压发动机的研发，在此之前，需要先介绍一下发动机的分类。

这里只介绍一下吸气式发动机，顾名思义，吸气发动机都是需要吸入空气（氧化剂）来与自带的燃料反应产生推力，这点与火箭喷气发动机有根本不同（不需要吸入空气，自带氧化剂）。

活塞发动机就是一个常见的活塞气缸，活塞内的压缩气体带动曲轴运动，进而带动螺旋桨运动，所以本质上和汽车发动机没什么区别，烧的也是汽油，二战以及二战前的飞机基本上都是这种发动机。

燃气涡轮发动机是目前吸气发动机的主流，核心都是一个涡喷发动机，原理上也不复杂，就是通过压气机，将流入的空气进行压缩，然后在燃烧室喷入航空燃油进行反应，最后排出高压气体提供动力，所以叫喷气式发动机。所以燃气涡轮发动机核心在于压缩空气，提高氧化效率，不同的燃气涡轮发动机，也是作用在不同场合，比如涡扇降低了涡轮前温度，所以效率高，更适合低速飞行，涡喷发动机更适合高速飞行，例如2-3马赫就很适合涡喷发动机。涡轴是用于直升机的，涡桨也是用于低速飞行的飞机，现在能看到的带螺旋桨的运输机或者水上飞机大多是采用涡桨。

冲压发动机的工作原理甚至比燃气涡轮发动机更简单，因为最适合冲压发动机的工作环境就是超音速和高超音速。在超音速的情况下，进气口的空气已经被自然压缩，因此不需要发动机额外压缩空气。所以可以把冲压发动机理解为没有压气机的涡喷发动机。不过一般的冲压发动机，超音速的空气进入燃烧室之后，空气流速也已经减速到亚音速（但仍然是高压状态），这时再喷入燃料进行燃烧，喷出，形成动力。因此2-5马赫区间内，一般的冲压发动机足可胜任。如果想让速度更进一步，则需要超燃冲压发动机（超音速燃烧冲压发动机），顾名思义，超燃冲压发动机燃烧室内的空气是超音速状态，也就是说，超燃需要让空气和燃料在超音速的情况下反应，这无疑相当于在飓风中点火柴，难度可想而知，目前的高超音速巡航飞行器，比如美国的X-43，X-51a，便是采用这种发动机。同时，对比超燃冲压发动机的特点，低速下的冲压发动机也被成为亚音速冲压发动机。

冲压发动机的高速性能优异，但缺点也很明显。这款发动机的工作需求是超音速的空气进入进气口，因此在低速下冲压发动机是无法工作的，更不可能让飞行器从0开始加速。因此，装载冲压发动机的飞行器，必须配合其他发动机，先保证其达到一定的高速后，再开始使用冲压发动机。这也是为什么，目前的高超音速飞行器，都是挂在在其他飞机下面，达到一定速度后再释放飞行的原因。

目前，我国的巡航超高音速飞行器并没有被官方报道，但据悉，我国在超燃冲压发动机方面的研究成果喜人，已经可以运行600秒[1]。而美国的X-51a目前的记录是3分30秒。[2]当然，这两则报道时间跨度有7年，但鉴于美国后来并没有新的后续报道，大概是在发动机上遇到了瓶颈。因此，我们还是可以很自信的认为，中国在超燃冲压发动机方面，属于世界顶尖水平。

超燃冲压发动机之所以引人注目，除了军事用途以外，也因为，这也是一款未来民用很有前途的发动机。火箭发动机的成本远高于吸气式发动机，如果想在未来实现超音速客机甚至是高超音速客机，一定会往冲压发动机乃至超燃冲压发动机方向发展。至于冲压发动机在低速方面的乏力，应该也会通过和涡扇，涡喷发动机的结合来解决，最终可能实现不同速度下发挥不同特点的变循环发动机。

本文禁止转载或摘编