“鳴鏑”模擬圖

前幾天一檔節目上，中科院力學所的鳴鏑系列臨近空間寬域飛行器的一系列試驗被揭開了神秘的面紗。關於鳴鏑系列飛行器，其實之前我們展出過他的方案，其中的鳴鏑22可以以七倍聲速飛8000公里，兩小時內飛到任何一個地方。那麼什麼是寬域飛行器呢？他為什麼可以飛這麼快呢？首先我們要知道，這個速度快，是相對於飛機來說的，如果相對於洲際彈道導彈，他並不快，洲際彈道導彈的再入馬赫數能輕鬆超過20，可以在幾十分鐘內飛到地球上幾乎任何一個地方。是不是覺得鳴鏑突然不香了？秋褲套毛褲，必定有緣故，沒有導彈快還要發展他，他必定有過人之處。

彈道導彈的飛行軌跡是一條類似拋物線，作為武器而言，他的軌跡比較固定，相對容易預測，也就相對容易攔截，而如果作為交通工具的話，他全程的過載變化都會比較大。而且，家裡有彈道導彈的同學應該知道，他是一個柱子一樣的東西，我們管這種形狀叫旋成體，旋成體本身依靠空氣動力能產生的升力就非常小，彈道導彈還主要在大氣層以外飛行，想藉助空氣動力都借不上，這樣一來為了飛行，他就非常費燃料，費燃料也就算了。他還得同時攜帶氧化劑和燃燒劑，因為我剛才說了，他很長一截子都是飛在真空中的，沒空氣助燃，那樣效率就更低了。所以，使用彈道導彈這種高速運載方式，有一定的局限性。

我們再看鳴鏑系列的飛行器，長得就像個飛機，有機翼，這意味著他可以利用空氣動力產生升力，沒錯，他主要飛行的地方，是大氣層以內。飛行器對大氣層可以說是又愛又恨，愛在他可以產生升力，提升飛行效率，恨在他還能產生阻力，而且速度越大，阻力越大，飛行器難以加速。空氣對於飛行器的影響與動壓有關，動壓就是二分之一密度乘以速度的平方：

動壓=0.5*ρ*v^2

動壓越大，就越容易產生更大的升力，也越容易產生更大的阻力，所以你看，在升力一定的情況下，想要速度快，阻力小，只有委屈這個ρ，也就是密度減小了，剛好，高度越高，空氣密度越小，在20公里到100公里這個高度，空氣密度很小，阻力比較小，同時空氣密度又沒有小到產生不了足夠多升力的地步，所以這個地方就很適合高速飛行，我們把這個地方叫做臨近空間，有人駕駛飛行器在大氣層以內的飛行馬赫數記錄——1967年由X15飛行器創造的M6.7，就是在這個地方飛的。所以在臨近空間，鳴鏑飛行器就可以相對容易的飛到馬赫數7，同時還可以利用空氣動力做一些機動動作，對於武器而言，突防會更容易一些，對於運載工具而言，他至少可以像飛機一樣平飛嘛，不像是彈道導彈扔上去再下來，一會兒失重一會兒超重的。

知道了什麼是臨近空間，寬域又是怎麼回事呢？這裡涉及一個飛行器設計領域的常識，

那就是同一種氣動佈局和動力方案的組合，也就是說在飛機外形和發動機的工作模式不變的情況下，很難同時適應低速飛行和高速飛行，也很難同時適應低空飛行和高空飛行。所以每種飛機都有一個飛行包線，橫軸是速度，縱軸是高度，這條線裡面的速度高度狀態可以飛，線外的飛不了。

所謂寬域，就是指這個包線範圍很大，剛才提到過，有人駕駛飛行器在大氣層以內的飛行馬赫數記錄是6.7，要知道，這個記錄是1967年寫下的。你是不是突然又覺得鳴镝不行了，也就是跟1967年的美國飛行器差不多嘛。

不然，要知道，當年創下紀錄的這個X-15飛行器，是由轟炸機帶著上天，在高空發射出去的，而且動力是火箭發動機，工作時間不超過三分鐘，你想想，三分鐘能幹什麼？三分鐘過後他只能滑翔落回來了。鳴鏑的設計目標是既可以自主起飛，也可以空中發射，航程還要達到8000公里，也就是說，低空高空都要飛，低速高速都要飛，還要飛得久，飛得遠。

實現這個目標，其一要靠氣動外形設計，讓他能飛的速度高度範圍更廣，其二，要靠材料技術，因為長時間高速飛行帶來的氣動加熱對飛行器結構材料是一個大挑戰，更重要的動力系統，舉個例子，當年SR71黑鳥飛機，它裡面的J58發動機，就是一台變循環發動機，低速飛行的時候，他就是一個普通的渦噴，等到高速飛行的時候，他就可以改變發動機裡面的氣流路徑，讓他變成一台衝壓發動機，適應更高速度的飛行。

目前，我國的超燃衝壓發動機技術，就是專門適用於馬赫數5以上高超聲速的這種發動機，無論是旋轉爆震啊，傾斜爆震啊還是脈衝爆震啊，都是走在前列的，能同時適應多種飛行狀態的組合動力發動機這幾年也多次成功實驗，這些發動機我之前都講過，感興趣可以翻一翻。你就會把這些技術串起來，從而對我國的高超聲速飛行器領域研究有一定認識了。

本文為科普中國·創作培育計劃扶持作品

作者：苟勝 西安航空學院 副教授

審核：孟楊 北京航空航太大學飛行學 院副教授

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