中国公开高超音速客机气动外形设计，创新又奇特的方案引领潮流

近日，中国的科研团队在高超音速客机领域取得了重大突破，公开了一款6马赫的高超音速客机缩比方案的设计，其独特的创意令人瞩目，未来有望将“两小时飞抵地球任何一点”从科幻变为现实。这款新型的高超音速小型客机的气动外形由中国科学院力学研究所研究员崔凯带领团队历经十几年的时间研发而成。

在2021年的首飞试验中，在火箭的推进下，缩比原型机的时速达到了惊人的6.56马赫。从而为这一曾经被认为不可能实现的设计提供了初步验证。那么，中国的科研团队是如何突破技术壁垒的呢？从该机的气动外形可以看出来，这款高超音速小型客机采用了一种非传统的构型，在机体的上方适当的位置安装了一个或几个立板，然后在立板之上再配置一个特殊形状的翼面，他们称之为“捕获翼”。从外观看上去，就好像在机体上方增设了一把半椭圆形的大伞。我个人认为把它叫做伞形翼可能更形象一些。

当然，这个伞形翼与过去曾经在低速飞机上出现过的伞形翼，在气动原理和性能上是完全不同的。中科院力学所崔凯团队之所以将其称之为“捕获翼”，是基于这样的原理：在超音速和高超音速飞行时，机头部位将形成很强的激波，这个激波会增大阻力、减小升力、降低飞行器的升阻比，使经济性变差。因此，研究人员把激波之后的气流称为“垃圾”一样的气流，有害无利。目前，处理的方式有两种。一是减少这团“垃圾”般气流的影响，大部分高速飞机的设计思路就是这么做的，不过它所带来的代价也很大。另一种思路就把这部分气流利用起来。目前的一些乘波飞行器方案便采用了这样的设计思路。只不过它们产生的激波升力比较有限。而崔凯团队所提出的化废为宝的方案，产生的经济效益可就高多了。那他们是怎么做到的呢？按照我的理解给大家说一下。

在高超音速飞行器的机体上方设置一个特殊设计的伞形翼，就能利用激波得到附加的升力，从而使飞行器的超音速巡航升阻比大幅度提高。其技术的关键在于，必须让机头顶端发出的激波，集中作用于伞形翼的前缘下表面。由于气流经过激波时受到压缩，其压强、密度等会突跃式地升高，使机翼下表面的压力骤然增大。而它的上表面却没有相应的压力与之平衡，于是就产生了额外的升力。这一新增加的升力被称为“压缩升力”或“激波升力”，其值大约可达到总升力的30%左右。激波升力形成时，并不伴随着相应的附加阻力，所以，在一定的马赫数范围内，飞机的升阻特性可有明显改善，使超音速和高超音速巡航时的经济性得以提升。

从另一个角度看，如果采用该项新技术，高超音速飞行器可造得更轻、更小。就理论上而言，激波面与机翼下表面之间相交后，围出来的面积越大，形成的“压缩升力”就越大。崔凯团队设计的伞形翼，采用半椭圆翼外形，看上去就像是在某个马赫数情况下，将圆锥激波切了一刀，由此而形成的二次曲线，正好满足将激波引导至伞形翼前缘下方的要求。因此其气动效率是非常高的。他们提出的高超音速客机缩比方案在以6.56马赫飞行时的升阻比竟然能够达到惊人的4.6，这是一个非常了不起的成就。

要知道，具备超音速巡航能力的隐身战机不但要求发动机不开加力时的推力和推重比足够大，其全机升阻比也需要达到4.5至5左右。而其超音速巡航速度不过在马赫数1.4至1.8之间。可见，采用伞形翼的高超音速客机一旦研制成功，其高超音速巡航能力将是划时代的，其经济性非常优秀。不过，在取得如此大的成绩时，也应看到，要想实现这一目标，还有很长的路要走。这款高超音速小型客机的方案目前只是完成了气动外形的风洞吹风和火箭推进飞行实验，后续的工作还很多，气动设计是飞行器设计的第一步，要想把最初阶段的设想变成现实，还需要解决因高超音速飞行而带来的热障等一系列问题，并在结构、材料、飞行控制、态势感知、动力装置、防热降温等方面取得技术突破，才能变成现实。

我们相信，既然已在高超音速客机的气动外形设计方面取得了突破，再结合我国在旋转爆震发动机、斜爆震发动机、超燃冲压发动机、混合动力装置、新型复合材料、耐高温涂料等领域所取得的最新成果。未来中国研发高超音速客机的事业一定会顺利推进。我国科研人员在高超音速客机领域的这一突破，展示了强大的科研实力与创新精神，在全球航空航天发展历程中写下了浓墨重彩的一笔，未来也必将对全球空天运输、军事战略等产生深刻且持续的影响，让我们拭目以待更多精彩的发展与突破。