5月30日，美國SpaceX公司成功發(fā)射了載人的“龍”飛船。在航天飛機(jī)停飛9年后，美國終于再次擁有了載人空間發(fā)射的能力。這不僅圓了馬斯克的夢，也給身陷囹圄的特朗普解了5分鐘的套。但是在太平洋的另一端，中國科學(xué)院力學(xué)研究所悄悄地發(fā)表了一條消息，范學(xué)軍團(tuán)隊(duì)在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了連續(xù)600秒的運(yùn)行時(shí)間，打破了美國X-51研究機(jī)210秒的世界記錄。2016年，印度宣布實(shí)現(xiàn)了超燃沖壓推動(dòng)的M6高超音速飛行，但發(fā)動(dòng)機(jī)只工作了5秒鐘。不久前，科技部公布的第二節(jié)全國創(chuàng)新爭先獎(jiǎng)名單里，北航的高超音速強(qiáng)預(yù)冷團(tuán)隊(duì)獲獎(jiǎng)，也引起了人們的極大關(guān)注。這兩樣突破性技術(shù)的意義非同小可。

2013年美國X-51A“乘波者”創(chuàng)造了以M5的速度連續(xù)工作210秒的世界記錄

　　高超音速是航空航天科技的最前沿。這也是介于大氣層內(nèi)的航空和大氣層外的航天之間的灰色但多彩的區(qū)域。大氣層內(nèi)的航空科技難以突破M3的熱障，大氣層外的航天科技難以解決高機(jī)動(dòng)飛行問題，介于兩者之間的高超音速飛行不僅可以M5-20的超高速飛行，還具有可觀的機(jī)動(dòng)能力。

　　在2019年國慶70周年大慶的時(shí)候，中國高調(diào)展示了東風(fēng)17高超音速導(dǎo)彈，這代表了當(dāng)前高超音速的最高水平，但這還是高超音速滑翔彈（簡稱HGV）。換句話說，導(dǎo)彈用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)到近地高度后，改變姿態(tài)，轉(zhuǎn)入高超音速滑翔。與彈道導(dǎo)彈相比，HGV的飛行高度低，由于地球曲率的緣故，地面雷達(dá)的探測距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于彈道導(dǎo)彈，預(yù)警機(jī)的巡航高度也不能根本解決問題。在軌道上的天基探測在理論上沒有視界局限，但傳統(tǒng)導(dǎo)彈預(yù)警是根據(jù)導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的巨大尾焰和初始軌跡來推斷彈道的，HGV在發(fā)射時(shí)依然有尾焰問題，但轉(zhuǎn)入滑翔后，可以通過機(jī)動(dòng)能力完全擺脫簡單彈道，使得導(dǎo)彈的航跡無法預(yù)測。在探測到發(fā)射后立刻用星載雷達(dá)全程跟蹤在理論上是可能的，但中軌道衛(wèi)星跟蹤需要巨大的星載雷達(dá)，低軌道衛(wèi)星則需要密集星群和“動(dòng)對動(dòng)”無間隙接力跟蹤。紅外光電跟蹤不僅有類似的光學(xué)孔徑問題，還要面對復(fù)雜的地球表面熱環(huán)境中檢測微弱的HGV熱特征的問題。在可預(yù)見的將來，天基探測還有難以克服的技術(shù)困難。沒有有效的跟蹤，就談不上有效的攔截，所以HGV的突防能力比速度更快但彈道呆板的彈道導(dǎo)彈更高。

　　正因?yàn)槿绱?，HGV成為各國軍事科研的重點(diǎn)。中國不僅有東風(fēng)17，還有東風(fēng)26，也具有高超音速滑翔的能力。俄羅斯的“先鋒”是洲際HGV，達(dá)到M27的極高速。美國落后了，在一大堆令人眼花繚亂的快車道研發(fā)計(jì)劃之后，現(xiàn)在總算開始有點(diǎn)頭緒了。但HGV的射程取決于助推段達(dá)到的高度或者大氣層內(nèi)的改平加速，前者增加了扎猛子返回到水平起滑的平滑過渡的難度，后者是把本質(zhì)彈道的助推段強(qiáng)擰變軌了，損失能量。比HGV更高層次的是高超音速巡航導(dǎo)彈。

　巡航導(dǎo)彈是一個(gè)容易引起歧義的稱呼，這其實(shí)是對所有在射程內(nèi)絕大部分距離上都是有動(dòng)力飛行的導(dǎo)彈的總稱，掠地飛行的高亞音速巡航導(dǎo)彈只是巡航導(dǎo)彈的一種。大部分戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈不稱為巡航導(dǎo)彈是因?yàn)榛鸺l(fā)動(dòng)機(jī)只工作很短時(shí)間，射程內(nèi)主要部份都在滑翔飛行。這不僅對彈道導(dǎo)彈如此，空空導(dǎo)彈、空地導(dǎo)彈甚至反坦克導(dǎo)彈也如此。常見導(dǎo)彈中只有反艦導(dǎo)彈、陸攻巡航導(dǎo)彈是全程有動(dòng)力飛行的。高超音速導(dǎo)彈采用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)后，也是全程有動(dòng)力飛行，所以稱為高超音速巡航導(dǎo)彈（簡稱HCM）。

　　與HGV相比，HCM的射程更大，彈道更難探測。HGV的能量全部來自于助推級的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。自帶氧化劑的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在重量上比可以從空氣中吸取氧氣的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)總是吃虧的。以煤油-液氧火箭為例，理想燃燒的空燃比為15：1。也就是說，每一公斤航空煤油需要15公斤氧氣才能完全燃燒。用液氧可以節(jié)約體積，但重量還是一樣的。如果氧氣可以來自空氣，在理論上，這15公斤的液氧重量就全部可以轉(zhuǎn)用于煤油，射程的增加不言而喻。

　　噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)更長的工作時(shí)間也意味著可以有更長的加速時(shí)間，可以用較低的初始能量達(dá)到同樣的最高速度，并在最高速度上維持更長的時(shí)間。噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)更大的能量也意味著容許更大的機(jī)動(dòng)性，因?yàn)闄C(jī)動(dòng)是要消耗能量的。與HGV只能做相對簡單的橫向機(jī)動(dòng)不同，HCM可以做更加復(fù)雜的機(jī)動(dòng)，甚至迂回攻擊。

　　HCM的助推器只要加速到超燃沖壓的點(diǎn)火速度就可以了，因此對助推器的要求大大降低，有助于降低助推器的體積和重量。較小的助推器意味著較小的發(fā)射時(shí)熱特征，而超燃沖壓本身的熱特征遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，這意味著HCM實(shí)際上不可能由天基探測捕獲，進(jìn)一步提高抗早期預(yù)警的能力。高超音速導(dǎo)彈本來就攔截困難，無預(yù)警攔截就幾乎不可能了。如果說HGV還有可能知道大禍即將臨頭，HCM就是死都不知道怎么死的了。

與彈道導(dǎo)彈相比， HGV的彈道要飄忽得多

但HCM的彈道更加低平，更難探測，也可達(dá)到更高的射程和機(jī)動(dòng)性

　　HCM是終極高超音速武器。美國曾經(jīng)想一步到位，直接發(fā)展HCM，但卡在動(dòng)力問題上。X-51雖然達(dá)到210秒，但這是高度優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件，而且工作時(shí)間太短，離實(shí)用化還有巨大的距離。在美國“先放一放”的時(shí)候，中國悄悄趕上來了，而且一下子在兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)上取得突破。

　　在各種已知的航空動(dòng)力中，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工作時(shí)間太短，常規(guī)渦輪類噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)難以突破M2.5以上的速度，常規(guī)的亞燃沖壓也很難突破M4，因?yàn)樽枇Φ脑黾右呀?jīng)快于推力的增加了。只有超燃沖壓能用于HCM。這也是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，屬于噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，但沒有常規(guī)渦輪類噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)械。超燃沖壓在外觀上就是一截空心筒子，但這空心筒子大有講究。

　　與亞燃沖壓相比，超燃沖壓的進(jìn)氣壓縮、燃燒和形成推力都是在超音速條件下進(jìn)行的。與亞燃沖壓需要把進(jìn)氣降低到亞音速、然后把燃?xì)饧铀俚匠羲傧啾?，大大降低了阻力。但在超音速條件下，不僅燃燒難以穩(wěn)定，還有高溫問題，很容易超過結(jié)構(gòu)材料的耐溫極限。范學(xué)軍團(tuán)隊(duì)的主要貢獻(xiàn)在于熱端部件主動(dòng)冷卻技術(shù)。

　　以燃燒為原動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)通常都有某種冷卻。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)基本上采用液冷，循環(huán)的冷卻液從發(fā)動(dòng)機(jī)帶走熱量，然后把熱量通過散熱器向空氣中散發(fā)；噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)主要依靠空氣流動(dòng)和燃?xì)鈬姵鰩ё邿崃?。但主?dòng)冷卻在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件（對超燃沖壓來說，就是燃燒室和噴嘴）表面下遍布毛細(xì)管，通入碳?xì)淙剂?，在流?dòng)中帶走熱量，降低表面溫度。碳?xì)淙剂衔鼰嵘郎睾螅瑢?shí)際溫度超過點(diǎn)燃溫度，但由于無氧環(huán)境而只是升溫，并不燃燒。但碳?xì)淙剂献⑷肴紵业臅r(shí)候，一方面自然地降壓氣化，另一方面與進(jìn)氣中的氧混合并自然燃燒，比通常的點(diǎn)燃更加高效可靠。

　　碳?xì)淙剂鲜侨加偷母呒壭问?，進(jìn)一步的話可容易地轉(zhuǎn)變?yōu)橐簹洌鼰岷腿紵矢?。但液氫的制備和?chǔ)存比碳?xì)淙剂弦獜?fù)雜，常溫常壓下的穩(wěn)定性也不如碳?xì)淙剂?。范學(xué)軍團(tuán)隊(duì)用的是成本更低、穩(wěn)定性更好的碳?xì)淙剂稀?/p>

　　主動(dòng)冷卻的道理不復(fù)雜，優(yōu)點(diǎn)也明顯，但惡魔就在細(xì)節(jié)之中。碳?xì)淙剂显诿?xì)管里的流動(dòng)需要考慮淤塞問題。毛細(xì)管的分布更是有大講究，過于細(xì)密沒有必要，過于粗疏則達(dá)不到目的。更大的問題是，在流動(dòng)網(wǎng)絡(luò)里，優(yōu)勢流動(dòng)（preferential flow）使得流動(dòng)的分布偏離預(yù)想的均勻，一束看起來差不多的管路里，路徑“順”的流量可能高于需求，路徑“不順”的則可能流量不足，必須通過精細(xì)的管徑、彎頭設(shè)計(jì)來平衡流量分布，確保均勻吸熱。路徑之間中途互聯(lián)可以在部份路徑淤塞的時(shí)候，用繞流彌補(bǔ)，但使得優(yōu)勢流動(dòng)的問題進(jìn)一步復(fù)雜化。毛細(xì)管內(nèi)的流動(dòng)還需要避免流體加熱氣化后導(dǎo)致氣阻的問題。

　　范學(xué)軍團(tuán)隊(duì)不僅解決了大量理論和設(shè)計(jì)問題，還在懷柔建造了大型測試裝置，解決了工程問題，使得研究成果達(dá)到很高的技術(shù)成熟程度。

　　根據(jù)力學(xué)所的介紹，范學(xué)軍在普林斯頓獲得博士后，成為力學(xué)所研究員、博導(dǎo)，擔(dān)任某部委運(yùn)載技術(shù)專業(yè)組專家、國家重大專項(xiàng)燃料組專家與某重大專題技術(shù)首席。他在國內(nèi)率先開展主動(dòng)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)研究，在力學(xué)所懷柔基地建成首套主動(dòng)冷卻技術(shù)綜合試驗(yàn)平臺(tái)，技術(shù)上處于國際領(lǐng)先水平。他領(lǐng)導(dǎo)研制成功了我國首臺(tái)主動(dòng)冷卻燃燒室并通過長時(shí)間試驗(yàn)考核。近年來，共發(fā)表國內(nèi)外雜志論文50多篇、會(huì)議論文與國防技術(shù)報(bào)告100多篇，發(fā)明專利申請30多項(xiàng)、已授權(quán)近20項(xiàng)。2006年，榮獲國防科技二等獎(jiǎng)；領(lǐng)導(dǎo)的技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)榮獲了國家重大專項(xiàng)2011年度優(yōu)秀研究團(tuán)隊(duì)獎(jiǎng)，個(gè)人獲得2013年度先進(jìn)個(gè)人二等獎(jiǎng)；同時(shí)獲得首屆“沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)及其組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)科學(xué)研究興舟獎(jiǎng)”；2016年獲得國務(wù)院“政府特殊津貼”；2017年被聘為中科院特聘研究員。但這不是中國高超音速科研大軍里唯一的尖子隊(duì)，北航的高超音速強(qiáng)預(yù)冷團(tuán)隊(duì)是另一個(gè)。

　　主動(dòng)冷卻技術(shù)提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的耐熱能力，進(jìn)氣強(qiáng)預(yù)冷可以進(jìn)一步提高。不久前，英國的SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)預(yù)冷，可在0.01秒內(nèi)將1000度的進(jìn)氣冷卻到零下150度。這是很了不起的成就。北航團(tuán)隊(duì)的具體技術(shù)和應(yīng)用沒有公布，但也是同樣性質(zhì)的。

　　強(qiáng)預(yù)冷不僅大幅度提高發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的耐高溫極限，還急劇縮小了進(jìn)氣體積，提高了進(jìn)氣密度。這使得在同樣的進(jìn)氣口體積流量下，壓氣機(jī)的體積流量大幅度降低；或者在同樣的壓氣機(jī)體積流量下，大幅度提高氣流中的氧含量。前者可以等效為提高了進(jìn)氣口流速的上限，使得同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)可以在更高的速度下工作；后者對空氣稀薄的極高空特別重要，可以使得噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以在更高的高空穩(wěn)定工作，降低空氣摩擦阻力，否則就需要使用重量大、成本高、工作時(shí)間短的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)了。SABRE正是這樣的。

　SABRE的工作原理，像層層盤起來的蚊香一樣的預(yù)冷器是關(guān)鍵技術(shù)。橙色=冷卻劑的流動(dòng)方向，紅色=空氣進(jìn)氣方向，藍(lán)色=空氣出氣方向

　SABRE熱力學(xué)循環(huán)簡圖，藍(lán)色=空氣路線，紫色= 氫路線，綠色=氦回路，紅色=燃?xì)饴肪€

　　SABRE的全稱是Synergetic Air Breathing Rocket Engine，大意為伴生吸氣火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。這是一種用于水平起飛、單級入軌航天飛機(jī)的新概念混合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，用強(qiáng)預(yù)冷使得從空氣中吸取氧的工作狀態(tài)可以一直維持到M5和超高空，然后轉(zhuǎn)入火箭動(dòng)力，進(jìn)入空間飛行。

　　具體來說，進(jìn)氣在預(yù)冷器（PC）里強(qiáng)預(yù)冷后，通過壓氣機(jī)（AC）達(dá)到高壓，一部分進(jìn)入燃燒室（CC），與預(yù)燃后熾熱的貧氧富氫燃?xì)饣旌先紵?，通過噴嘴（Nozzle）產(chǎn)生推力；大部分空氣進(jìn)入預(yù)燃室（PB），與氫氣混合燃燒后，加熱氦氣。氦氣受熱膨脹后，推動(dòng)氦氣渦輪（HeT）驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)。做功降溫后但依然有很高溫度的氦氣通過換熱器（HX4）使得液氫受熱氣化，形成高壓，推動(dòng)氫氣渦輪（HT1）驅(qū)動(dòng)液氫泵（LHP）從液氫儲(chǔ)罐（LHT）里抽取液氫。降壓后的氫氣還有足夠壓力，繼續(xù)推動(dòng)另一臺(tái)氫氣渦輪（HT2），驅(qū)動(dòng)氦氣制冷壓縮機(jī)（HeC），用于預(yù)冷器，就像電冰箱里的氟利昂壓縮機(jī)提供制冷劑一樣。事實(shí)上，氦在這里就相當(dāng)于氟利昂。

　　SABRE的熱力學(xué)循環(huán)相當(dāng)復(fù)雜，但也很精巧。SABRE的設(shè)計(jì)原意不是用于超燃沖壓的，使用吸氣火箭發(fā)動(dòng)機(jī)正好回避了超燃沖壓的難題，大氣層內(nèi)的高超音速飛行也只是過渡階段，只是為大氣層外的火箭動(dòng)力飛行提供盡可能高的起始速度和高度。但是適當(dāng)簡化后，SABRE的思路也可以用于超燃沖壓。比如說，取消氦回路，燃料泵出來的燃料直接進(jìn)入預(yù)冷器和熱端冷卻系統(tǒng)，加熱氣化產(chǎn)生高壓，推動(dòng)的渦輪直接驅(qū)動(dòng)燃料泵。這樣，連預(yù)燃室都可以取消了。

　　主動(dòng)冷卻和強(qiáng)預(yù)冷都屬于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理技術(shù)。人們經(jīng)常關(guān)注于超燃沖壓的燃燒穩(wěn)定性問題，這確實(shí)是巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，就像可控爆炸一樣艱難，但熱管理是同樣巨大的難題。中國在2017年里程碑式的廈門國際會(huì)議上，就暗示了超燃沖壓技術(shù)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)高的技術(shù)成熟程度?，F(xiàn)在熱管理技術(shù)也達(dá)到了很高的技術(shù)成熟程度，沒有公開的只是帶先進(jìn)熱管理的完整的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的高超音速飛行試驗(yàn)。

　　超燃沖壓實(shí)用化的意義是怎么強(qiáng)調(diào)也不過份的。國慶70大慶上只公開了東風(fēng)17的外觀，射程沒有公布，據(jù)估計(jì)，在1800-2500公里范圍。采用超燃沖壓、從HGV改為HCM的話，只需要較小的助推火箭就可以起飛，大量氧化劑占用的重量可轉(zhuǎn)為燃料，極大地增加射程。即使計(jì)入更重的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和輔助系統(tǒng)，射程的增加也是可想而知的。即使不可能增加15倍的射程，而只能增加5倍，也能在大體相同的全系統(tǒng)尺寸和重量情況下，達(dá)到9000-12500公里的射程。如果說東風(fēng)17還只是“嘉手納快遞”的話，“超級東風(fēng)17”就不只是關(guān)島快遞了，而是“夏威夷快遞”、“洛杉磯快遞”了，軍事意義不言而喻。

東風(fēng)17很厲害了，但如果這是HCM，那就不只是“嘉手納快遞”，甚至不只是“關(guān)島快遞”，而是“夏威夷快遞”、“洛杉磯快遞“

　　中國的具有軍工意義的高技術(shù)研發(fā)具有保密傳統(tǒng)，完整的帶熱管理的超燃沖壓試驗(yàn)到底是進(jìn)行了沒有，成功與否，外界只有猜測。但在不遠(yuǎn)的一天又有哪個(gè)地方悄悄申報(bào)了一個(gè)創(chuàng)新獎(jiǎng)，或者在哪一個(gè)重大慶典上猛然推出全新的HCM，人們也不必太驚訝。

　　在太平洋的另一邊，美國在3月19日試驗(yàn)成功C-HGB，這是三軍通用的HGV，但還在采用第一代的雙錐體（也稱旋成體），而不是東風(fēng)17采用的更先進(jìn)的乘波體。另一方面，美國負(fù)責(zé)國防科研的國防部副部長格里芬在談到高超音速研究的時(shí)候，特別提到美國在熱管理方面的缺門，使得本來射程達(dá)到3000公里的高超音速導(dǎo)彈的射程降低到1000公里。如果說中國離HCM還差臨門一腳，美國則還沒有過中場。高超音速是少有的中國占決定性領(lǐng)先地位的軍工科技，這恰好也是對未來戰(zhàn)爭至關(guān)重要的核心軍工科技。先進(jìn)熱管理技術(shù)進(jìn)一步拉大了中國的領(lǐng)先距離。