“星空2号”厉害在哪？就是这个“啤酒肚”

8月3日，中国航天空气动力技术研究院微信公众号发布消息，宣称当日完成了“国内第一乘波体”的飞行实验，在30000米以上的高空实现了M5.5-6的高超音速飞行，延续时间达400秒以上。消息传来，人们自然振奋不已。但在当前的“厉害了”vs“掐脖子”之争的影响下，人们不禁疑惑：“星空2号”到底是厉害了，还是不厉害？果不其然，马上有打脸党出来声称，美国在8年前就用X-51实现了M5的高超音速飞行，连X-51的名称都叫“乘波体”。

航空航天世界正在进入高超音速竞赛，第一枪是中国打响的，那就是2017年3月6日由美国航空航天学会（简称AIAA）、中国工程院主办、厦门大学承办召开的第21届国际航天飞机和高超音速系统与技术大会，会上中国大大方方地展示的大量理论研究和实验成果。

美国大吃一惊后，正在急起直追，曾任NASA局长、现在负责科技和研发的国防部副部长迈克·格里芬更是高超音速的狂热鼓吹者，他本人就拥有航空航天的博士学位。这家伙是个学位狂，1971年从约翰-霍普金斯大学物理系毕业后，1974年获得美国天主教大学的航空航天硕士，1977年获得马里兰大学的航空航天博士，1979年获得南加州大学的电气工程硕士，1983年获得约翰-霍普金斯大学应用物理硕士，1990年获得马里兰洛约拉大学MBA，1998年获得乔治·华盛顿大学土木工程硕士，要不是2005年被小布什任命为NASA局长，差点还要拿下约翰-霍普金斯大学的计算机硕士。不过这是题外话了。

不仅格里芬是高超音速狂，美国国会也发烧了，而且他们的目标明确：中国！俄罗斯只是拉上垫背的。格里芬发誓要使得美国重新领先，使得中国追赶。但这一切都太空洞，不解答眼下的关键问题：“星空2号”厉害吗？

特朗普任命迈克尔·格里芬担任国防部副部长，专门主管科研事务，这是五角大楼第一次设立专管科研的副部长，而他一上任就表示高超技术是“第一优先”

虽然在宣传上，俄罗斯更高调，但让美国真正感到担心的，可不是他们

航空技术突破音障后，一路高歌猛进，直到撞上热障。飞行速度和高度大体稳定在双三（三倍音速、三万米高度）就不再增加。另一方面，弹道导弹的速度和高度都要高得多，但基本上只能沿固定的抛物线弹道飞行，只有很有限的变轨能力。这也是弹道导弹防御的基础：只要探测和确定弹道导弹的初始轨道，就能精确计算整个弹道和目标，并由此精确计算发射时机、反导弹轨迹和拦截点。高超音速就是要填补双三和轨道飞行之间的空隙，兼有速度和机动飞行的优点。以美国HTV-2为例，释放速度M20，纵向射程近万公里，横向机动距离达到5400公里，使得传统的导弹预警和反导弹道计算失去意义。不过这是理论性能，HTV-2的两次试验都失败了。

由于空气摩擦生热，高超音速飞行注定只能在3万米以上的高空实现，不仅环境温度低，空气也稀薄。在通常的大气层内飞行条件下，空气分子间距忽略不计，空气动力行为好比波动。但在特别稀薄的高层大气力，空气分子的间距不再可忽略。在M5.5-6以上的高超音速飞行的强烈压缩下，空气的行为好比波粒二象性，大为复杂。另外，空气的热力学性质与空气动力学性质互相作用，所以有时候也一并考虑，称为空气热动力学。

高超音速空气热动力学条件在地面很难模拟，实飞实测又代价很大，所以长期停留在理论研究阶段，缺乏实际数据的对照和验证。乘波体在理论上早就提出了，但实际的工程实现很少。仅从这一点来说，“星空2号”就很厉害。

作为世界上最先进的高超声速激波复现风洞，中科院的JF-12风洞运行成本虽然在国际同类风洞中算是很低，但每次试验（100毫秒）的成本也远超过数十万人民币水平

在JF-12风洞中进行试验的乘波体模型，注意其腹部形状仍是较为传统的平坦型

飞行体速度超过音速后，都会形成激波。低超音速时，激波锋面后的空气流动还可以作为亚音速处理，这是超音速战斗机机翼、战术导弹弹翼的设计基础。高超音速后，不仅机翼、弹翼的阻力急剧提高，升温散热问题也解决不了，必须另外想办法。

机翼（对导弹来说就是弹翼）只是产生升力的最常见的手段，另一种做法是直接由机体（或者弹体）产生升力，这就是升力体。一些导弹在平飞时仰着头，弹体在迎风阻力增加的同时，也在动压下产生直接升力，这样的导弹设计就采用了升力体的原理。这也是压缩升力的雏形。

更加完整的压缩升力更进一步。升力体对空气的压缩造成横向流动，被垂下的翼尖“兜住”，显著强化了升力的产生，好比从下面对着一张平坦的纸吹气还是对着脱底的纸盒子吹气一样的差别。XB-70“北欧战神”轰炸机是第一个采用压缩升力原理的飞机，但这并不彻底，机翼还产生较大的升力，压缩升力只是补充。

XB-70轰炸机的机翼外段向下折叠，用于利用压缩升力

压缩升力适合双三以上的高速飞行。事实上，速度太低了，压缩升力反而不工作，这也是XB-70只采用不彻底的压缩升力的原因之一，轰炸机是要从零到双三之间全范围工作的。但速度提高到M6以上的话，老问题回来了，下垂的翼尖成为阻力和气动升温集中的热点，结构和散热都成为问题。这就是乘波体上场的时候了。

激波是飞行器对空气高度压缩的结果，可以看作空气中随飞行器移动、无形但致密的锋面，理论上密度达到无穷大。换句话说，“坐”在激波锋面上和“坐”在地面上等效，这就是“乘波”的意思。坚硬致密的激波还吸收了与空气摩擦生热的主体，航天器再入时巨大的火球实际上是在激波锋面上形成的，而不是在航天器本体，航天器躲在锋面背后，实际上相对“凉快”。

美国空军其实对乘波体也算情有独钟，图为1996年进行试验的LoFLYTE乘波体风洞模型，在该模型上得到的技术被运用到了X-43A乘波体试验机上

X-43A飞行器的激波示意图

但只有在设计时有意利用激波产生升力和实现有效的气动控制的飞行器才是有意义的乘波体。从这个意义上来说，旋成体（主要为圆锥及各种变体，带或不带刀形尾翼）能通过迎角或者再入角产生激波升力，但只有有限的气动控制和机动能力，要算入乘波体是很勉强的。

简单激波是上下对称的锥形，但这是只考虑二维的情况。在三维空间里，对于尖锐的简单圆锥来说，实际激波是规整的圆锥形，速度越高，圆锥越尖锐。由于圆锥绕轴线一圈在各个方向上的性质是相同的，这样的三维问题可以简化成二维问题，所以旋成体技术相对简单、成熟，已经得到大量应用。具有末端制导的多种“东风”、俄罗斯“匕首”和美国陆军还在试验中的AHW导弹都采用旋成体技术。

乘波体为了达到更大的升阻比，通常为扁平形状，可以像改锥一样具有平直的前缘，或者像梭镖一样，平面形状大体为三角形。

采用“梭镖体”设计的HTV-2，极为扁平

HTV-2这样的飞行器，内部容积率非常低

“改锥体”由简单平面构成，前缘锋利，各个平面的激波分析依然较简单，面与面之间的交接、转折处复杂点，只能在各种简化、近似的基础上，用试验数据修正了。“改锥体”是早期乘波体的主要形状，上表面平坦，下表面前倾。在理想情况下，下表面正好“坐”在下激波的锋面上，好像飞机的地效一样。下表面与下激波锋面之间的压力高，这里也是发动机进气口的理想位置。美国X-43、X-51、美澳合作的早期HiFIRE都是“改锥体”或者某种变型。

“梭镖体”实际上形状很复杂。俯视为三角形，侧视是锋利的刀刃向前的刀形，但从前后方向看，上表面向上隆起，下表面可能是扁平、凹起或者向下隆起，取决于不同的空气热动力学设计水平。

下表面扁平的设计最简单，但飞行器内有效容积很小，难以搭载有效负荷，实用价值受到限制。下表面凹起而形成缺口向下的月牙形的话，可以利用一点压缩升力，大大降低了飞行器下表面与下激波锋面精密匹配的要求，不过有效容积更小。有效容积和设计难度都最大的是向下隆起，通常在两侧还有一圈尖锐的刃边，不仅要求在三维空间里对乘波体下表面和下激波锋面精密匹配，还要求刃边能与侧面的激波锋面密封，达到压缩升力的效果。

早年间在升力体研究的时候大家都想着要给它装个“大肚子”，图为诺斯罗普M2-F1试验机