中国团队设计出高超音速飞机——北京到纽约仅需2小时

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导 读

高超音速飞机(hypersonic aircraft) 指最小飞行速度大于5倍音速的飞机。高超音速飞机实现高超音速飞行，必须有相应的动力装置，解决高强度激波、表面温度、噪声和音爆等问题。

近期，中科院崔凯研究团队提出一种新型高超音速飞机设计方案，其速度可达到五倍音速——也就是每小时6000公里以上。音速是343米/秒，即1235km/h。由崔凯率领的研究人员在Physics, Mechanics and Astronom的论文中描述道：“如此高超音速飞行，从北京到纽约只要两小时。”但目前普通客机在这两个相距11,000公里的城市间单程飞行，就要耗时约14小时。

该团队在北京一个用于做高超音速武器模型的空气动力学测试的风洞中，进行了缩小的模型机测试，并将速度设置到七倍音速，即8600km/h左右，测试结果也出人意料的好。

由于这个飞机在像潜水轰炸机一样俯冲飞行的时候，在地面的投影就像一个大写的“I”一样，中国科学院力学研究所高温气体动力学重点实验室的团队将它命名为“I-plane”。

研究人员表示，其双层机翼设计是个亮点，在高超音速情况下，机翼会共同作用减小湍流和阻力同时提高载运能力。I-plane双层的机翼设计与第一次世界大战使用的双翼飞机类似。最早型的飞机大多数都是双翼飞机，但为追求更高的飞行速度和燃油效率，在20世纪三十年代这种形式的飞机逐渐被淘汰。

老式双翼飞机

直到如今，这种双层机翼设计又被用于I-plane中，其极低的机翼从机身中部伸出仿佛张开的双臂，同时，第三个扁平的，蝙蝠形的机翼一直延伸到飞机后部。研究人员表明双翼机型的设计能使飞机比现有的流线型三角机翼的高超音速飞机承受更大的有效载荷。在极高速度下，双层机翼能够共同作用减少湍流和阻力来增加飞机的总体升力。但是严格来说I-plane也不是严格意义上的双翼飞机，有研究人员评价说，原因是这个设计用来处理与普通的双翼设计不同的物理因素。在高超音速下飞行，空气动力学会变得反常，最大的阻力不再来源于前方的空气，而是飞机飞行时自身产生的波。

高超音速飞机产生的升力约是普通商用飞机的25%。一架典型的波音747飞机能够搭载200名乘客或是携带20吨货物，则一架和波音747一样大的I-plane能够搭乘50名乘客或是运载5吨的货物。而且，高超音速飞机的应用前景十分广阔，从鲜花到炸弹，游客到军事特种部队的载运都可以实现。

波音747

有研究人员评价说：“这是一个完全原创的设计，它将使高超音速科技领域向前迈出一大步。”

目前其实已经存在高超音速飞行器，比如美国的US Air Force’s X-51 乘波者和中国的WU-14高超音速飞行器，但是他们都只有小型轻量级有效载荷，比如运载一个紧凑型核弹头。这极大限制了其应用推广。并且目前世界范围内还不存在可载人的高超音速飞机，本次中国团队的设计方案尽管解决了空气动力学问题，距离其完全实现还有许多技术问题亟待解决，尤其是材料学方面。

其中一个致命的问题就是高超音速飞行器飞行将会产生大量的热，可能会超过1000摄氏度（1800华氏度），因此需要有效隔热或是散热。目前考虑的方案都还处于实验阶段，比如使用耐热材料或是安装液体冷却系统。

许多国家包括中美都在致力于研究高超音速飞机，一个高超音速飞行器能够帮助他们轻易地穿过另一个国家的导弹防御系统。五角大楼把高超音速武器看作潜在的“游戏规则改变者”，可能像隐身战机或智能炸弹那样给自身或对手提供极大的优势。高超音速导弹将极难被击落，可以机动避开对手的防御，在几乎或根本没有预警的情况下击中目标。美国海军上将警告说：“在高超音速导弹上中国占据了主导地位，美国已经落后了。”

外媒刊发的国产高超音速飞行器想像图

目前，美国Lockheed Martin公司也在开发高超音速侦察和打击飞机SR-72，并在2017年6月的时候宣布过其项目的最新进展。9月份，Aviation Week报道称，一架小型次级示范飞机已经在加利福尼亚州的美国空军基地着陆，可能是无人驾驶SR-72的早期试验。 但Lockheed方面拒绝对该事件发表评论。

此外，Lockheed还在研发高超音速客机。Lockheed设计的Quiet Supersonic Technology X-plane (QueSST)目标是速度达到1.4马赫（超过1,700km/h）和飞行高度超过55,000英尺（约17,000米）。如果设计实现了，那么该客机从北京到纽约只需不到七小时。根据美国媒体的报道， X-plane（也被称作Concorde之子），将在2020年试飞。Concorde指的是一种在1976年到2003年间使用过的涡轮喷气发动机驱动的超音速客机。它的飞行速度在搭载120名乘客的情况下还能达到音速的两倍（超过2,000km/h）。不过最终因为其成本高昂和当时航空事业的低迷，还是将其搁置了。

而中国近几年已经在戈壁沙漠上测试了很多种高超音速飞行器，有的甚至能达到10倍声速，还建立了世界上最快的风洞以模拟高超音速飞机在12km/s（43,200km/h）速度下的飞行。这样的速度下，一架中国的高超音速飞机14分钟内就能飞抵美国西海岸。

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