「星空2號」:第二代高超聲速飛行器的啼聲

　　【文/觀察者網風聞 席亞洲】最近，《新聞聯播》節目報導了航天科技集團11院的「星空2號」乘波體飛行器試飛新聞。

　　這是我國首次公布高超聲速飛行器近距離拍攝的畫面。

　　星空2號發射圖片

　　一時間，網上出現兩種聲音。一種當然是我們熟悉的「厲害了，我的國」式的文章，恨不得把「星空2號」說成是我國所有高超聲速技術的集大成者。

　　另一種，則是「唱衰」——在一篇有代表性的文章中，聲稱「美國8年前就發射過X-51飛行器，名字就叫『乘波者』，所以中國在這方面遠遠落後美國」……

　　一篇被迅速刪除的「唱衰」文章，但其中觀點很有迷惑性

　　之前筆者寫了篇微信公號，批評了第一種觀點。

　　大致來說是這樣：「星空2號」只是我國諸多高超聲速試驗飛行器中，第一個被大尺度公開的罷了。它的許多性能是不如目前已經接近進入實用階段的飛行器的。而目，前我國也有大量與之類似的新型飛行器陸續要進行試驗。無視這些，把所有和「高超聲速」有關的概念都往「星空2號」上套，這很不實事求是。

　　當然，這不意味著「星空2號」就完全是一種「落後」的飛行器，雖然它的助推器系統是用成熟系統改進而來，但這個飛行器本身，還是有大量尚處在試驗階段的「黑科技」的。事實上，筆者認為，它應該是「第二代高超聲速飛行器」預研階段的試驗彈之一，後文我們再來說這些。

　　至於第二種「唱衰論」說法， 由於我國網絡管理部門的積極行動，目前已經只有在港臺的一些媒體上還能看到殘餘了。這種說法其實頗具迷惑性，但其實也不值一駁，因為它其實就是個文字遊戲。

　　「我國第一種乘波體」是落後了嗎？恰恰相反……

　　首先我們要知道，「星空2號」按照國際學術界一般使用的「乘波體」概念的話，可不能算是我國第一種「乘波體飛行器」。

　　按照一般概念，「乘波體」就是利用激波產生升力的飛行器。就所有的前緣都具有附體激波的超音速或高超音速的飛行器。通俗的講，乘波體飛行時其前緣平面與激波的上表面重合，就像騎在激波的波面上，依靠激波的壓力產生升力，所以叫乘波體(Waverider)。

　　當然，這個「乘波體」概念是有一點過於寬泛了，子彈、炮彈在特定飛行狀態下都可以算是「乘波體」了，意義不大。

　　XB-70轟炸機按照某種意義就可以算是乘波體飛行器

　　所以一般來說，只有在飛行器設計階段就考慮了主動設計激波模式，並利用它達到設計目的的飛行器，才能叫做乘波體。

　　在「維基百科」裡提到，按照這一概念，美國XB-70戰略轟炸機原型機就可以算是「乘波體」，因為它的機翼可以向下摺疊，捕捉三倍聲速飛行時產生的激波，來增加升力。

　　那麼，按照這個概念的話，太空梭和大部分採用「彈道拉起」技術的飛彈再入器，也都可以算是「乘波體」了，因為它們都在再入的時候利用激波產生了升力。

　　這麼說來，至少早在21世紀初，由西工大主持開發的「神龍」飛行器就已經算是「乘波體」了。而採用雙錐體彈頭設計的「東風-15B」飛彈的再入器，更毫無疑問，也是「乘波體」了。

　　那麼「星空2號」又為何被稱為中國第一種「乘波體」飛行器呢？

　　筆者理解吧，這是研製「星空2號」的航天科技集團，給「乘波體」重新下了定義。

　　美國的太空梭和西工大「神龍」也一樣都運用了乘波體設計

　　在2017年發表於《空氣動力學報》的文章《基於激波裝配法的乘波體設計與分析》中，這麼說：

　　乘波體設計是當前國際上高超聲速飛行器氣動布局研究的重點和熱點之一。乘波體構型在設計狀態將激波附著於下表面前緣，阻止了氣流洩露，具有很高的升阻比。升阻比是反應高超聲速飛行器氣動特性非常重要的一個參數，升阻比很大程度上決定了高超聲速飛行器能夠實現哪一種飛行軌道。對於滑翔式和巡航式高超聲速飛行器的氣動設計，升阻比往往是非常重要的一個技術指標，因為升阻比直接關係到飛行器能夠達到的航程、橫向機動能力等關鍵戰技術指標。因此，乘波體往往被選擇為高超聲速飛行器氣動布局的基礎構型。

　　傳統設計的乘波體一般下底面內凹，以捕捉氣流

　　NASA的X-43A乘波體飛行器，乘波體因為下方壓力高， 所以很適合作為超燃衝壓發動機布置進氣道

　　本文定義生成激波流場的外形為「導波體」，與在流場中追蹤流線得到的外形「乘波體」相對應。傳統的乘波體設計方法均可以據此定義導波體，例如……導波體也可以認為是錐體的一種。基準流場對乘波體的性能有著根本性的影響，選擇導波體就是選擇基準流場，是乘波體設計過程的重要環節，也是保證乘波體滿足氣動、載荷等設計要求的基礎。

　　根據《科技日報》的報導，「作為十一院開展的創新研發項目，星空-2火箭飛行試驗任務是在集團公司的支持下，歷時三年，成功自主研製的國內首款乘波體氣動布局的高超聲速試驗飛行器。」

　　國內在乘波體飛行器方面研究其實不少，也有採用乘波體設計的高超飛行器實際案例

　　採用新設計方法設計的乘波體，容積率比此前的乘波體明顯增加

　　航天科技集團「激波裝配法」設計與傳統「激波捕捉法」的區別示意圖

　　從時間上來看，航天科技提出乘波體新設計概念的時間和星空2實驗任務開始的時間相當吻合。也就是說，在航天科技集團的概念中，運用了這種新的設計方法設計出來的乘波體，才是他們定義中的「乘波體」。

　　換言之，「星空2號」的所謂「中國第一種乘波體」實際上應該是「第一種按照航天科技集團11院提出的新設計方法，設計的第一種乘波體飛行器」……

　　按照這個標準，「星空2號」也完全可以說是「世界上第一種乘波體」了……

　　論文中提出的新一代乘波體設計示意圖，可見其外形更適合容納大尺寸的彈頭

　　或許是為了方便在宣傳的時候抓人眼球，在《科技日報》和中央電視臺的報導中，這就成了「中國第一種乘波體」。

　　航天科技集團氣動研究院是我國研究高超聲速飛行方面最具實力的單位之一，擁有大型高超聲速風洞等研究設施。之前筆者在寫微信公號文章的時候，光想起「彩虹」無人機是他們研製的，有點以偏概全了。

　　11院在高超聲速技術方面的研究也是國內第一集團的，圖為其擁有的FD-7高超聲速風洞

　　……如果11院哪天告訴你他們開發出了高超聲速變形戰鬥機，別驚訝……

　　這個「特種進氣道」是幹嘛的就不用我廢話了吧？

　　（以上3圖來源：中國航天空氣動力技術研究院官方網站）

　　運用這種新的設計方法，航天科技集團得以設計出比運用傳統理論設計的乘波體飛行器具有更大內部容積，升阻比更高，也就是說載荷、橫向機動能力、航程等重要指標都更強大的飛行器。

　　也正是因為這個原因，「星空2號」可以說是中國開始發展第二代高超聲速滑翔器的標誌。

　　是的，你沒看錯，在美俄正在努力開發高超聲速飛行器的時候，中國不僅即將把這種東西投入實用，而且通過公布「星空2號」的方式，宣布已經開始研製「第二代」了。

　　「星空2號」上測試的「第二代高超聲速飛行器」技術有哪些？

　　我們知道，此前外媒報導中提到的，中國WU-14（也有稱DF-ZF）飛行器採用大型助推火箭發射。結合此前「光華獎」的報獎文件，它的飛行速度可以達到「洲際速域」，也就是20馬赫左右。根據西方報導，這種飛行器具有很強的橫向機動能力，這表明它很可能已經運用了乘波體設計原理。

　　結合關於重新定義「乘波體」的論文算例看，WU-14的彈體是傳統的「扁平」設計，這也和目前大部分乘波體設計類似，其內部容積率有限是比較嚴重的缺點，對於飛彈來說，就是只能容納「狹長」形狀的戰鬥部，不利於提高威力。

　　但如果運用了新的計算方法，航天科技集團將有能力研製具備同樣、或者更高飛行性能，但同時橫截面積更大，容積更大，可以容納更大載荷的飛行器了。

　　這對於飛彈來說，就非常重要了。

　　國際上，「靜不穩定」高超聲速乘波體飛行器的設計基本是指這種……

　　用途是進入火星大氣層什麼的，基本上它和「星空2號」沒什麼技術上的相似之處

　　這樣說來，運用新的設計原理設計的乘波體氣動外形，這應該是「第二代高超聲速滑翔器」的第一條技術標準。

　　此外，「星空2號」上測試的一些技術也是屬於「第二代」高超聲速飛行器，例如「高超聲速靜不穩定飛行於彈道控制」——高超聲速，靜不穩定……這兩個詞組合在一起就很厲害了。

　　大家都知道，由於現在高超聲速飛行控制非常困難，氣動舵面容易燒蝕或失效，而使用主動力控制又因為控制時間、控制力有限等因素，也很難做到全程始終進行不停的控制，而「靜不穩定」飛行器的主要特點就是需要全程時刻對飛行姿態進行調整，才能保證正常飛行。所以，目前為止的高超聲速滑翔器一般都採用靜穩定設計。

　　「星空2號」採用靜不穩定設計，這意味著：

　　第一，「星空2號」已經有了在高超聲速飛行條件下能不間斷對飛行器姿態進行調整的技術手段。

　　第二，「星空2號」的研製團隊對於高超聲速飛行條件下的控制率等因素有十分深刻的認識，而且已經有十分豐富的實踐經驗。

　　目前位置，大部分高超聲速乘波體（傳統概念）飛行器的設計，都採用了靜穩定設計。

　　此外，在《科技日報》的報導中，還提到「該試飛器集成了疏導式熱防護熱系統……」。

　　這裡面，「疏導式熱防護」，也是一項新技術，該技術實際上就是把飛行器蒙皮變成一個熱交換器，通過在前緣溫度較高部位的蒙皮當中埋入導熱率高的材料，將熱量疏導到溫度較低的尾部，從而降低溫度較高的飛行器前緣的溫度。

　　疏導式熱防護示意圖

　　順便，在《光華耀九州》系列文章寫作中，筆者疑惑了很久的「多排翼舵」設計，在11院官網上找到了示意圖

　　這項技術看起來不難，但實踐當中，如何選擇導熱材料，使之與蒙皮本身的材料膨脹率基本一致，避免高溫下出現結構破壞；同時導熱材料又要具有足夠高的導熱率，來實現熱傳導，這些都是技術上的難題。

　　從航天空氣動力技術研究院的官方網站可以看到，至少在2012年，該院已經開始進行疏導式熱防護技術的研究。而網絡上更是可以搜索到2014年前後該院人員發表的，進行相關試驗的論文。

　　成熟的動力系統和試飛過程

　　相比之下，「星空2號」的動力系統和試飛過程，就沒有那麼先進，都是用現成的成熟技術了。

　　新聞裡面提到，該火箭採用「航天科工四院」的成熟火箭助推器。「航天科工四院」就是航天科工集團運載技術研究院。結合相關報導中出現的包裝、發射筒外形，可以推斷該飛行器使用的火箭助推器就是原航天科工9院（現科工4院9所）所研製的BP-12A飛彈的火箭助推器部分。

　　BP-12A飛彈是一種從B-611戰術飛彈基礎上發展起來的飛彈，而B-611戰術飛彈，則是一款為了符合MTCR條約要求而開發的短程地地戰術飛彈。從技術傳承角度看，它有著紅旗-2和東風-11的部分血緣。

　　不過當然了，經過了三代發展，BP-12A已經是一款價格低廉，性能不錯的成熟固體燃料火箭——用於進行高超聲速飛行試驗順理成章。

　　BP-12A飛彈

　　「星空2號」使用的就是BP-12A飛彈作為助推器，所以也直接使用它的發射箱

　　新聞中關於這一點也有一句話：「依託航天科工四院火箭助推系統，將之投送到預定高度，並分離自主飛行，實現臨近空間高超聲速滑翔飛行」。

　　我們可以推斷，「星空2號」的試驗過程應該是：垂直起飛，在上升到高空後，通過主發動機的燃氣舵控制，轉彎壓低彈道並繼續加速。在臨近空間高度，達到6馬赫最大速度。

　　BP-12A已經出口到了卡達……

　　新聞中提到，該試驗飛行器解決了「低空高動壓高超聲速拋罩」問題，這裡所說的「低空」是相比離開大氣層外再拋棄整流罩的運載火箭拋罩而言，「星空2號」的飛行試驗高度為3萬米。

　　中央電視臺報導稱，「星空2號」試驗飛行器的最大飛行速度為6馬赫，自主飛行時間400秒，也就是說，其試飛距離大約為667公裡。

　　可以說，與「星空2號」飛行器滑翔器部分所運用的新一代乘波體氣動外形設計、疏導式熱防護、靜不穩定控制等先進技術相比，採用燃氣舵控制，面向外貿市場的BP-12A飛彈作為動力系統，確實是「公開的就是落後的」產品了。

　　不過這不意味著中國沒有更先進的，適合高超聲速飛行試驗的火箭——只不過出於成本和新產品試驗中降低不必要風險的考慮，才選用了成熟的BP-12A。

　　「星空2號」不如HIFiRE先進嗎？

　　集成了這麼多「黑科技」，那麼「星空2號」和國外同類試驗飛行器相比如何呢？

　　我們來看看與它性質相似，美國空軍出資，由NASA和澳大利亞聯合研發製造的「HiFIRE」為例吧，像WU-14、AHW這類使用大型火箭的飛行器與這類小型試驗飛行器不大一樣，缺乏可比性。

　　按照前面那篇「唱衰」文章的說法， HIFiRE飛行速度可達8馬赫，而且也是「乘波體」，所以當然是比你先進多了！美國還有超燃衝壓的X-51飛行器，名字就叫「乘波者」，當然也是先進咯。

　　HIFiRE高超聲速試射計劃圖

　　那我們就來說說：

　　HiFIRE火箭是美國空軍研究實驗室和澳大利亞國防科學與技術集團、波音、BAE公司聯合進行的試驗。

　　按計劃，該試驗飛行器將測試9個不同構型的高超聲速飛行器的試驗。這其中，2017年進行的HyShot V（HIFiRE4）試驗飛行器看起來已經有點高超聲速乘波體的樣子，它的最大飛行速度達到了8馬赫。根據NASA的描述，該飛行器的試驗過程是，首先用火箭將其送入太空，然後在再入大氣層過程中測試控制機動。

　　該飛行器的設計任務是：探索高空高超聲速飛行的控制率。

　　2017年，HIFiRE 4號飛行器達到了8倍聲速

　　從其外形可以看出，它依然是下表面內凹的傳統設計，按照「航天科技標準」，它不能算「乘波體」……

　　HIFiRE的控制上，採用直接力控制，使用線性作動器，通過噴射氮氣來控制偏航，試驗時間僅有5秒

　　顯然，它的技術水平是比不上大氣層內起滑，並且已經採用「靜不穩定控制技術」的「星空2號」的——HIFiRE 4還在「探索」高超聲速飛行器的控制率，而「星空2號」已經能夠成熟運用靜不穩定控制。因為技術成熟度較低，所以它的試驗窗口只有5秒。與「星空2號」的400秒相比……

　　如果用飛機來打比方，HIFiRE 4在技術成熟度上相當於當年測試矢量推力技術的X-31，而「星空2號」，相當於已經安裝了成熟矢量推力系統的YF-22……大家自己琢磨這裡面有多少差距。

　　不過，我們也不能小看了美國在高超聲速技術領域的水平，至少按照美國制定的實驗計劃，技術水平超越「星空2號」的HIFiRE試驗也是有的。

　　這就是，原定2016年要進行HIFiRE 8試驗，要測試一種採用超燃衝壓技術的乘波體飛行器。該試驗的目標，是在實現8馬赫速度下使用超燃衝壓發動機推進的水平飛行。

　　原計劃2016年就要試驗，但現在已經拖到2019年（還可能繼續拖）的HIFiRE8試驗飛行器，它的測試時間提高到30秒，有很大的提高……

　　不過，目前這個試驗進度已經趕不上了。

　　按照調整過的計劃，將在2019年進行試驗，不過，其測試時間也只有不到1分鐘。

　　不過，超燃衝壓發動機，中國也已經進行過試驗，根據2016年「馮如獎」，2017年「光華獎」的相關評獎文件，我國已經有不止一種超燃衝壓發動機試驗機\彈進行過超燃衝壓飛行試驗。中國的超燃衝壓發動機，採用普通航空煤油作為燃料，從實用化角度來說，已經比採用含氫燃料的美國超燃衝壓發動機更接近實用了。

　　超燃衝壓發動機呢……此前報導過的「凌雲」可就是……

　　由此推斷，超燃衝壓發動機何時與類似「星空2號」的試驗體結合，進行類似HIFiRE 8的試驗，只是時間問題而已（由於中國進行相關研究的單位很多，且保密程度較高，目前其實說不準這樣的試驗是不是已經進行過了）。

　　由於「星空2號」的技術水平遠高於HiFIRE 4，而中國的超燃衝壓發動機也不比美國同類試驗產品技術落後。那麼可以肯定的說，裝上超燃衝壓發動機的「星空3號」（假如用這個名字的話）飛行器的相關性能參數，肯定比HIFiRE 8要高，而且更接近於實用化。

　　總體而言，通過上面這些分析，我們可以得到一個令人震驚——其實說實話在高超聲速技術領域我覺得這個結論不怎麼「震驚」——的結論：

　　「星空2號」表明中國已經接近完成第一代實用化高超聲速滑翔飛行器，正在為研製第二代高超聲速飛行器進行準備。

　　「星空2號」，是為第二代高超聲速滑翔器進行相關技術驗證的低成本試驗平臺之一。

　　那麼第二代高超聲速飛彈啥樣呢？美國當年畫的「快鷹」雖然外形可能和現實相去甚遠，但至少概念上還是有接近的——超燃衝壓動力的高超聲速乘波體飛彈（按照寬泛的概念，沒有彈翼，超音速飛行，就可以算是乘波體了）

　　其實。「星空2號」的公開，也是我國對自身高超聲速技術的一種炫耀性展示，對於美國相關專業的研究人員來說，不難GET到這個信號。

　　畢竟，作為一種戰略性新技術，公開本身就是威懾——尤其是當你大大咧咧展示出來的成熟技術，其實在別人那邊，還剛剛開始進行理論探討的時候……