百年前“莱特兄弟问题”，仍然卡着高超音速飞机起飞_风闻
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撰文 | 崔凯（中国空气动力学会科学传播和普及工作委员会主任）
近年来，高超音速飞机的研发在全球掀起热潮，各国争相投入巨资突破技术瓶颈。凭借超越5马赫（即5倍音速）的速度，这类飞机既能实现快速打击、精准侦察和突破防御体系的军事能力，也能满足高端商务旅行、灾后应急药物和食物输送、移植器官的远程输送等民用需求。
中国、美国和俄罗斯领跑高超音速飞机的技术竞赛，欧洲和日本也不甘落后。其研发正在推动材料、动力和气动设计的创新。
高超音速飞机是人类飞行技术的极限延展。然而，在诸般技术瓶颈当中，最棘手的问题竟然跟一百多年前莱特兄弟所面临的难题一样——如何让这架飞机离开地面飞起来？
高超音速飞机如何飞行？
首先，我们来了解一下高超音速飞机的飞行特点。
高超音速飞机的飞行剖面（飞行轨迹）在形状上与现有飞机大致相同，都会经历从跑道滑行起飞、加速爬升、巡航飞行、减速下降、着陆等几个主要过程。其中，巡航飞行阶段是指飞机以等高和等速进行平稳飞行的阶段，比如我们乘坐飞机时，当乘务员通知可以使用卫生间时，一般就意味着进入了这个阶段。
与现有飞机相比，高超音速飞机最主要的特点就是巡航飞行的速度和高度更大，其在巡航飞行阶段的飞行马赫数将在5以上（目前民航飞机的对应马赫数一般为0.8至0.9之间）；同时，其巡航段飞行高度一般在海拔26至30千米（目前民航飞机的巡航飞行高度一般海拔10千米左右）。
显然，为了达到更高的巡航飞行马赫数和飞行高度，高超音速飞机所需的加速飞行时间和距离都将会比现有飞机更长，这也意味着在加速爬升阶段将会消耗更多的燃料。
值得一提的是，飞机的速度一般使用马赫数作为度量单位，即1马赫代表1倍音速。然而，计算马赫数所使用的音速是指其飞行高度条件下的数值，这并不是一个常数，而是随着海拔高度的不同而变化，比如海平面高度的音速约为340米/秒，海拔30千米高度时，音速则下降为301米/秒，而达到海拔80千米高度时，则会进一步下降至约281米/秒。因此，在折算飞机的实际飞行速度时，必须考虑其飞行高度，否则会导致比较大的误差。
在整个飞行剖面中，高超音速飞机的飞行速度和高度变化范围很大。以速度为例，在起飞和降落阶段处于亚音速（一般为0.8马赫以下）速域；加速爬升和减速下降阶段会经历跨音速（一般为0.8至1.2马赫之间）和超音速（一般为1.2至5马赫之间）速域；而在巡航飞行阶段，又进入高超音速速域，即5马赫以上。
由于在不同的飞行速域范围内，空气流动特性的差别极大，这会进而导致飞机的升力特性、阻力特性、稳定特性等产生大范围的变化。因此，在如此复杂的条件下，如何设计一架能够在宽速域范围内都能保持良好特性的飞机，目前仍是一个正在研究的问题。迄今为止，还尚未有任何一架飞机能够真正从跑道水平起飞并加速至高超音速状态巡航飞行。
在整个飞行剖面的不同阶段，对飞机性能的主要需求也不相同。在起飞阶段，需要飞机能够在较低速度下产生尽量大的升力，进而克服自身重力离开地面飞向空中；在加速爬升阶段，一方面需要发动机能够提供尽量大的推力，另一方面也需要飞机自身的空气阻力尽量小一些，这样才能实现飞行速度和高度的迅速提升；在巡航飞行阶段，一方面需要飞机产生足够的升力，以平衡自身重力维持飞行高度，另一方面也需要其空气阻力尽量小一些，这样所需要的发动机推力也会小一些，可以减少燃料的消耗，实现更远距离的飞行。
“莱特兄弟问题”再次摆在眼前
虽然高超音速飞机在飞行剖面的不同阶段所需的性能不同，但最核心的问题仍然是如何让它从地面飞起来。说到这一问题，可能很多人会有疑惑，目前这么多飞机都能够飞起来，难道这还是一个难题吗？
不难理解，一架飞机只有升力大于其自身的重力，才能离开地面飞到空中。所以这就涉及两个因素，一是尽可能减少自身的重量，二是尽可能增大空气提供的升力。
先看重量，尽管目前很多飞机的设计都采用了大量的减重设计，比如尽量研发或选择一些质量轻、强度好的新材料，或者对结构设计方案进行优化设计，以尽量减少材料的使用量等等。对于高超音速飞机，这些工作也是必不可少的，但有一些重量是无法减轻的，具体包括如下几个主要因素：
一是发动机。现有飞机的发动机最多只能覆盖到超音速状态，一般在2马赫左右，如果速度再高，则没有办法产生足够的推力。对于高超音速发动机而言，发动机必须在更宽的速域条件下工作，因此必须采用新型的动力系统。从目前的研究进展来看，新型发动机会比现在航空发动机的重量大不少。
二是防隔热。在高超音速飞行条件下，飞机自身和周围的空气强烈作用，会导致飞机表面温度升高，一般会达到数百度，局部位置甚至会达到一千度以上，因此需要增加一些特殊的材料，一方面保护飞机自身不被烧坏，另一方面也要进行温度隔绝，保证机舱内部处于合适的温度环境，这也会导致重量增加。
三是燃料。飞机在飞行过程中要不断消耗燃料，因此在起飞时必须加注足够的燃料。现有飞机起飞时，燃料重量占整机重量的比例一般不超过30%，而高超音速飞机的这个比例更高，一般会达到50%以上，这将进一步导致高超音速飞机的起飞重量增加，使其起飞重量会比其落地重量大一倍以上。
综上几个方面，在同样尺寸下，高超音速飞机在起飞时刻的重量一般都会比现有飞机重量大很多。显然其对升力的需求也会大幅高于现有飞机。
令人沮丧的是，对于目前的高超音速飞机而言，升力的问题更加难以解决。飞机的升力主要由机翼产生，影响机翼升力大小的因素概括起来，主要包括这几个：翼型，也就是机翼剖面的形状；翼展，也就是机翼的长度；后掠角，也就是机翼向后倾斜的角度。此外，还有一些其他的因素，比如扭转角、装配角等等，这里不一一细说。
飞机在离开地面起飞时的速度比较低，一般在每小时两三百千米左右，如果换算为马赫数表示，一般在0.2至0.3之间，这一速域属于低亚音速。在此速域内的机翼性能，人们已经研究得比较清楚了。一般来说，采用合理钝头的翼型，很小的后掠角或者不用后掠角能够产生比较大的升力。不过，这仅仅是对于起飞状态而言，实用中的机翼设计不仅需要考虑起飞，更要考虑巡航飞行等其他阶段的性能。
然而，随着飞行速度的提高，所需的最优机翼形状将会不断变化，到了超音速状态，最佳的机翼形状变成了头部尖尖和大后掠角的薄三角翼形状，机翼的翼展也相应减小，这种变化从现有飞机和曾经出现的“协和式”超音速客机的对比就可以很明显地看出来。这就会导致矛盾出现，协和式飞机所采用的三角形机翼在超音速飞行时可以减小阻力，但在低速起降阶段产生升力的能力却低了很多。
虽然协和式飞机也采用了一些优化设计措施使其低速升力特性有所改善，但仍不能从根本上解决这个问题。因此最后的选择只能是“升力不够，推力来凑”，即使用大推力的涡轮喷气发动机，并在起飞时利用“加力”模式，加大发动机的推力来补偿升力的不足。采用这种解决方案有两个先决条件，一是发动机足够成熟，能提供的推力足够大；二是需要承担更多的燃料消耗，因为发动机采用“加力”工作模式时，其燃料消耗会大幅增加。
相比于协和式飞机而言，高超音速飞机面临的起飞问题更加严峻。首先，前面提到过，高超音速飞机的起飞重量一般会更重一些；其次，如果高超音速飞机继承类似于协和式飞机的设计理念，其机翼的翼展会变得更小，后掠角会更大，这样，在起飞时能够提供的升力就进一步减小；第三，依据目前的认识，能够用于未来高超音速飞机的发动机系统能够产生的推力也不容乐观。
如果把历史的车轮向后倒退一下，一百多年前，莱特兄弟发明世界上第一架飞机的时候，他们所要解决的最主要问题就是：如何让这架飞机离开地面飞起来？一百多年后，当我们面对高超音速飞机的时候，“莱特兄弟问题”再次摆在我们眼前，或许这就是历史的轮回吧。
如何破解“莱特兄弟问题”？
从目前来看，“莱特兄弟问题”仍未得到很好的解决，而作为权宜之计，也只能采用一些手段对其进行规避。
第一种手段是“拆”，已有成功飞行的高超音速飞行器，特别是水平返回的飞行器几乎都采用了这条途径。既然从“地面水平起飞”的问题解决不了，那么就退一步，把“地面”和“水平”两个条件拆开来，并分别实现。具体来说，就是采用地面起飞，但不是水平起飞，或者实现水平起飞，但不是地面起飞。
非水平的地面起飞就是地面垂直发射，这种发射方式相对常见，最典型的实例就是美国上世纪八十年代投入使用的航天飞机系统。该系统发射时包括轨道器、液体燃料储箱和固体助推火箭三个部分，在飞行器上升过程中，相继把耗尽的固体助推火箭和液体燃料储箱丢弃，只剩下轨道器。当在轨任务完成后，其会从海拔几百千米的大气层外滑翔返回地球，并在跑道水平降落，其在返回过程中最大飞行马赫数超过25。
空中发射可以实现水平发射，即将高超音速飞机挂在更大的运载飞机上。运载飞机携带高超音速飞机从地面起飞，达到一定的飞行高度和速度时，在空中将高超音速飞机投放（类似于轰炸机投弹一样），之后高超音速飞机再利用自身的动力实现高速飞行。投放时飞机已经具有一定的高度和较高的速度（一般在0.7马赫以上），飞机的升力可以增加不少（升力的大小和飞行速度的平方呈正比）。此外，采用这样的发射方式，高超音速飞机可以省却起飞和一部分加速过程的燃料，这些节约的燃料就能扩展高超音速飞行的航程。
空中发射方式的典型实例，就是上世纪六十年代美国研制的X-15高超音速飞机。该飞机曾经完成了199次成功飞行，其最大飞行马赫数超过6.7，最大飞行高度达到约海拔108千米，并且绝大多数飞行都成功完成了水平降落和返场。
虽然空中发射是一种相对比较成熟的方式，但限于运载飞机的挂载质量和挂载尺寸的约束，采用这种方式发射的高超音速飞机规模相对有限，航程一般也都比较小。
规避“莱特兄弟问题”的第二种手段是“助”，不过这种方式目前只在各类想法和方案中出现，尚没有真正成功实现。比如上世纪八十年代英国宇航公司曾提出一个名为“霍托尔（HOTOL）”的水平起飞和水平降落空天飞机计划，其发射方式设想就是将一架重量为230吨的飞行器倾斜着架设在一辆大型滑车上，地面操纵人员用激光波束指令指导的方式控制滑车，高速滑行大约2300米，并达到540千米每小时的速度，这样霍托尔就能得到足够的升力离开地面。不过，经过几轮评估之后，发现其计算数据存在较多的错误。因此，这一项目提出仅仅几年后，就再也没有下文了。
显然，无论是采用“拆”，还是采用“助”的方式，都是采用一些辅助措施实现高超音速飞机的发射，而不是真正的“起飞”，因此并没有从根本上解决“莱特兄弟问题”，也就是说，仍无法令高超音速飞机像一般飞机那样自由地从常规跑道起飞。
回想一百多年前，莱特兄弟解决这一问题采用了多管齐下的方式，比如在结构方面尽量减小飞机的重量，在外形方面增加机翼的面积（使用两层机翼）等。从目前高超音速飞机的研究情况看，主要的思路仍局限于减小飞机的尺寸和重量，比如赫尔墨斯公司的高超音速飞机定位于公务机，这样其尺寸和起飞质量都比较小。即便如此，这条途径是否能够真正成功，尚有待检验。
即便小型高超音速飞机能够实现水平起飞，对于未来更大装载的飞机，如何从跑道直接起飞并实现高超音速巡航仍会困扰我们。对此，只有期待一些颠覆性的突破出现吧。
参考资料
[1] https://ntrs.nasa.gov/citations/20210014711
[2] https://www.globalaviator.co/technology/the-reaction-engines-limited-lapcat-configuration-a2/
[3] https://www.adroitmarketresearch.com/industry-reports/hypersonic-market
[4] 潘锐，赵力群，国外高超声速飞机发展分析，航空科学技术，2023，34 (11)
[5] 李宪开，王霄，柳军等，水平起降高超声速飞机气动布局技术研究，航空科学技术，2020， 31（11）
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