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，中國科學院力學研究所悄悄地發(fā)表了一條消息，范學軍團隊在超燃沖壓發(fā)動機地面試驗中實現(xiàn)了連續(xù)600秒的運行時間，打破了美國X-51研究機210秒的世界記錄。2016年，印度宣布實現(xiàn)了超燃沖壓推動的M6高超音速飛行，但發(fā)動機只工作了5秒鐘。不久前，科技部公布的第二節(jié)全國創(chuàng)新爭先獎名單里，北航的高超音速強預冷團隊獲獎，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。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　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動飛行問題，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，還具有可觀的機動能力。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　在2019年國慶70周年大慶的時候，中國高調(diào)展示了東風17高超音速導彈，這代表了當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，導彈用火箭發(fā)動機推進到近地高度后，改變姿態(tài)，轉(zhuǎn)入高超音速滑翔。與彈道導彈相比，HGV的飛行高度低，由于地球曲率的緣故，地面雷達的探測距離遠遠低于彈道導彈，預警機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)導彈預警是根據(jù)導彈發(fā)射時的巨大尾焰和初始軌跡來推斷彈道的，HGV在發(fā)射時依然有尾焰問題，但轉(zhuǎn)入滑翔后，可以通過機動能力完全擺脫簡單彈道，使得導彈的航跡無法預測。在探測到發(fā)射后立刻用星載雷達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，低軌道衛(wèi)星則需要密集星群和“動對動”無間隙接力跟蹤。紅外光電跟蹤不僅有類似的光學孔徑問題，還要面對復雜的地球表面熱環(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彈更高。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　正因為如此，HGV成為各國軍事科研的重點。中國不僅有東風17，還有東風26，也具有高超音速滑翔的能力。俄羅斯的“先鋒”是洲際HGV，達到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)計劃之后，現(xiàn)在總算開始有點頭緒了。但HGV的射程取決于助推段達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)彈道的助推段強擰變軌了，損失能量。比HGV更高層次的是高超音速巡航導彈。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　巡航導彈是一個容易引起歧義的稱呼，這其實是對所有在射程內(nèi)絕大部分距離上都是有動力飛行的導彈的總稱，掠地飛行的高亞音速巡航導彈只是巡航導彈的一種。大部分戰(zhàn)術(shù)導彈不稱為巡航導彈是因為火箭發(fā)動機只工作很短時間，射程內(nèi)主要部份都在滑翔飛行。這不僅對彈道導彈如此，空空導彈、空地導彈甚至反坦克導彈也如此。常見導彈中只有反艦導彈、陸攻巡航導彈是全程有動力飛行的。高超音速導彈采用超燃沖壓發(fā)動機后，也是全程有動力飛行，所以稱為高超音速巡航導彈（簡稱HCM）。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　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)動機。自帶氧化劑的火箭發(fā)動機在重量上比可以從空氣中吸取氧氣的噴氣發(fā)動機總是吃虧的。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。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　噴氣發(fā)動機更長的工作時間也意味著可以有更長的加速時間，可以用較低的初始能量達到同樣的最高速度，并在最高速度上維持更長的時間。噴氣發(fā)動機更大的能量也意味著容許更大的機動性，因為機動是要消耗能量的。與HGV只能做相對簡單的橫向機動不同，HCM可以做更加復雜的機動，甚至迂回攻擊。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　HCM的助推器只要加速到超燃沖壓的點火速度就可以了，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)射時熱特征，而超燃沖壓本身的熱特征遠遠小于火箭發(fā)動機，這意味著HCM實際上不可能由天基探測捕獲，進一步提高抗早期預警的能力。高超音速導彈本來就攔截困難，無預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。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　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，但卡在動力問題上。X-51雖然達到210秒，但這是高度優(yōu)化的實驗條件，而且工作時間太短，離實用化還有巨大的距離。在美國“先放一放”的時候，中國悄悄趕上來了，而且一下子在兩個關(guān)鍵技術(shù)上取得突破。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　在各種已知的航空動力中，火箭發(fā)動機的工作時間太短，常規(guī)渦輪類噴氣發(fā)動機難以突破M2.5以上的速度，常規(guī)的亞燃沖壓也很難突破M4，因為阻力的增加已經(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)動機，屬于噴氣發(fā)動機，但沒有常規(guī)渦輪類噴氣發(fā)動機的渦輪機械。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。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　與亞燃沖壓相比，超燃沖壓的進氣壓縮、燃燒和形成推力都是在超音速條件下進行的。與亞燃沖壓需要把進氣降低到亞音速、然后把燃氣加速到超音速相比，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。范學軍團隊的主要貢獻在于熱端部件主動冷卻技術(shù)。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　以燃燒為原動力的發(fā)動機通常都有某種冷卻。汽車發(fā)動機基本上采用液冷，循環(huán)的冷卻液從發(fā)動機帶走熱量，然后把熱量通過散熱器向空氣中散發(fā)；噴氣發(fā)動機主要依靠空氣流動和燃氣噴出帶走熱量。但主動冷卻在發(fā)動機熱端部件（對超燃沖壓來說，就是燃燒室和噴嘴）表面下遍布毛細管，通入碳氫燃料，在流動中帶走熱量，降低表面溫度。碳氫燃料吸熱升溫后，實際溫度超過點燃溫度，但由于無氧環(huán)境而只是升溫，并不燃燒。但碳氫燃料注入燃燒室的時候，一方面自然地降壓氣化，另一方面與進氣中的氧混合并自然燃燒，比通常的點燃更加高效可靠。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　碳氫燃料是燃油的高級形式，進一步的話可容易地轉(zhuǎn)變?yōu)橐簹�，吸熱和燃燒效率更高。但液氫的制備和儲存比碳氫燃料要復雜，常溫常壓下的穩(wěn)定性也不如碳氫燃料。范學軍團隊用的是成本更低、穩(wěn)定性更好的碳氫燃料。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　主動冷卻的道理不復雜，優(yōu)點也明顯，但惡魔就在細節(jié)之中。碳氫燃料在毛細管里的流動需要考慮淤塞問題。毛細管的分布更是有大講究，過于細密沒有必要，過于粗疏則達不到目的。更大的問題是，在流動網(wǎng)絡(luò)里，優(yōu)勢流動（preferential flow）使得流動的分布偏離預想的均勻，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，必須通過精細的管徑、彎頭設(shè)計來平衡流量分布，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候，用繞流彌補，但使得優(yōu)勢流動的問題進一步復雜化。毛細管內(nèi)的流動還需要避免流體加熱氣化后導致氣阻的問題。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　范學軍團隊不僅解決了大量理論和設(shè)計問題，還在懷柔建造了大型測試裝置，解決了工程問題，使得研究成果達到很高的技術(shù)成熟程度。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　根據(jù)力學所的介紹，范學軍在普林斯頓獲得博士后，成為力學所研究員、博導，擔任某部委運載技術(shù)專業(yè)組專家、國家重大專項燃料組專家與某重大專題技術(shù)首席。他在國內(nèi)率先開展主動冷卻發(fā)動機技術(shù)研究，在力學所懷柔基地建成首套主動冷卻技術(shù)綜合試驗平臺，技術(shù)上處于國際領(lǐng)先水平。他領(lǐng)導研制成功了我國首臺主動冷卻燃燒室并通過長時間試驗考核。近年來，共發(fā)表國內(nèi)外雜志論文50多篇、會議論文與國防技術(shù)報告100多篇，發(fā)明專利申請30多項、已授權(quán)近20項。2006年，榮獲國防科技二等獎；領(lǐng)導的技術(shù)研究團隊榮獲了國家重大專項2011年度優(yōu)秀研究團隊獎，個人獲得2013年度先進個人二等獎；同時獲得首屆“沖壓發(fā)動機及其組合循環(huán)發(fā)動機科學研究興舟獎”；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，北航的高超音速強預冷團隊是另一個。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　主動冷卻技術(shù)提高發(fā)動機熱端部件的耐熱能力，進氣強預冷可以進一步提高。不久前，英國的SABRE發(fā)動機實現(xiàn)了強預冷，可在0.01秒內(nèi)將1000度的進氣冷卻到零下150度。這是很了不起的成就。北航團隊的具體技術(shù)和應(yīng)用沒有公布，但也是同樣性質(zhì)的。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　強預冷不僅大幅度提高發(fā)動機熱端部件的耐高溫極限，還急劇縮小了進氣體積，提高了進氣密度。這使得在同樣的進氣口體積流量下，壓氣機的體積流量大幅度降低；或者在同樣的壓氣機體積流量下，大幅度提高氣流中的氧含量。前者可以等效為提高了進氣口流速的上限，使得同樣的發(fā)動機技術(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)動機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、工作時間短的火箭發(fā)動機了。SABRE正是這樣的。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　SABRE的全稱是Synergetic Air Breathing Rocket Engine，大意為伴生吸氣火箭發(fā)動機。這是一種用于水平起飛、單級入軌航天飛機的新概念混合動力發(fā)動機，用強預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)入火箭動力，進入空間飛行。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　具體來說，進氣在預冷器（PC）里強預冷后，通過壓氣機（AC）達到高壓，一部分進入燃燒室（CC），與預燃后熾熱的貧氧富氫燃氣混合燃燒，通過噴嘴（Nozzle）產(chǎn)生推力；大部分空氣進入預燃室（PB），與氫氣混合燃燒后，加熱氦氣。氦氣受熱膨脹后，推動氦氣渦輪（HeT）驅(qū)動壓氣機。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，推動氫氣渦輪（HT1）驅(qū)動液氫泵（LHP）從液氫儲罐（LHT）里抽取液氫。降壓后的氫氣還有足夠壓力，繼續(xù)推動另一臺氫氣渦輪（HT2），驅(qū)動氦氣制冷壓縮機（HeC），用于預冷器，就像電冰箱里的氟利昂壓縮機提供制冷劑一樣。事實上，氦在這里就相當于氟利昂。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　SABRE的熱力學循環(huán)相當復雜，但也很精巧。SABRE的設(shè)計原意不是用于超燃沖壓的，使用吸氣火箭發(fā)動機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力飛行提供盡可能高的起始速度和高度。但是適當簡化后，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入預冷器和熱端冷卻系統(tǒng)，加熱氣化產(chǎn)生高壓，推動的渦輪直接驅(qū)動燃料泵。這樣，連預燃室都可以取消了。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　主動冷卻和強預冷都屬于超燃沖壓發(fā)動機的熱管理技術(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議上，就暗示了超燃沖壓技術(shù)已經(jīng)達到相當高的技術(shù)成熟程度�，F(xiàn)在熱管理技術(shù)也達到了很高的技術(shù)成熟程度，沒有公開的只是帶先進熱管理的完整的超燃沖壓發(fā)動機的高超音速飛行試驗。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　超燃沖壓實用化的意義是怎么強調(diào)也不過份的。國慶70大慶上只公開了東風17的外觀，射程沒有公布，據(jù)估計，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。即使計入更重的超燃沖壓發(fā)動機和輔助系統(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，達到9000-12500公里的射程。如果說東風17還只是“嘉手納快遞”的話，“超級東風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。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　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到底是進行了沒有，成功與否，外界只有猜測。但在不遠的一天又有哪個地方悄悄申報了一個創(chuàng)新獎，或者在哪一個重大慶典上猛然推出全新的HCM，人們也不必太驚訝。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)

　　在太平洋的另一邊，美國在3月19日試驗成功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17采用的更先進的乘波體。另一方面，美國負責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候，特別提到美國在熱管理方面的缺門，使得本來射程達到3000公里的高超音速導彈的射程降低到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。先進熱管理技術(shù)進一步拉大了中國的領(lǐng)先距離。cWV新江南網(wǎng)|江南區(qū)域知名綜合門戶網(wǎng)