“鸣镝”模拟图

前几天一档节目上，中科院力学所的鸣镝系列临近空间宽域飞行器的一系列试验被揭开了神秘的面纱。关于鸣镝系列飞行器，其实之前我们展出过他的方案，其中的鸣镝22可以以七倍声速飞8000公里，两小时内飞到任何一个地方。那么什么是宽域飞行器呢？他为什么可以飞这么快呢？首先我们要知道，这个速度快，是相对于飞机来说的，如果相对于洲际弹道导弹，他并不快，洲际弹道导弹的再入马赫数能轻松超过20，可以在几十分钟内飞到地球上几乎任何一个地方。是不是觉得鸣镝突然不香了？秋裤套毛裤，必定有缘故，没有导弹快还要发展他，他必定有过人之处。

弹道导弹的飞行轨迹是一条类似抛物线，作为武器而言，他的轨迹比较固定，相对容易预测，也就相对容易拦截，而如果作为交通工具的话，他全程的过载变化都会比较大。而且，家里有弹道导弹的同学应该知道，他是一个柱子一样的东西，我们管这种形状叫旋成体，旋成体本身依靠空气动力能产生的升力就非常小，弹道导弹还主要在大气层以外飞行，想借助空气动力都借不上，这样一来为了飞行，他就非常费燃料，费燃料也就算了。他还得同时携带氧化剂和燃烧剂，因为我刚才说了，他很长一截子都是飞在真空中的，没空气助燃，那样效率就更低了。所以，使用弹道导弹这种高速运载方式，有一定的局限性。

我们再看鸣镝系列的飞行器，长得就像个飞机，有机翼，这意味着他可以利用空气动力产生升力，没错，他主要飞行的地方，是大气层以内。飞行器对大气层可以说是又爱又恨，爱在他可以产生升力，提升飞行效率，恨在他还能产生阻力，而且速度越大，阻力越大，飞行器难以加速。空气对于飞行器的影响与动压有关，动压就是二分之一密度乘以速度的平方：

动压=0.5*ρ*v^2

动压越大，就越容易产生更大的升力，也越容易产生更大的阻力，所以你看，在升力一定的情况下，想要速度快，阻力小，只有委屈这个ρ，也就是密度减小了，刚好，高度越高，空气密度越小，在20公里到100公里这个高度，空气密度很小，阻力比较小，同时空气密度又没有小到产生不了足够多升力的地步，所以这个地方就很适合高速飞行，我们把这个地方叫做临近空间，有人驾驶飞行器在大气层以内的飞行马赫数记录——1967年由X15飞行器创造的M6.7，就是在这个地方飞的。所以在临近空间，鸣镝飞行器就可以相对容易的飞到马赫数7，同时还可以利用空气动力做一些机动动作，对于武器而言，突防会更容易一些，对于运载工具而言，他至少可以像飞机一样平飞嘛，不像是弹道导弹扔上去再下来，一会儿失重一会儿超重的。

知道了什么是临近空间，宽域又是怎么回事呢？这里涉及一个飞行器设计领域的常识，

那就是同一种气动布局和动力方案的组合，也就是说在飞机外形和发动机的工作模式不变的情况下，很难同时适应低速飞行和高速飞行，也很难同时适应低空飞行和高空飞行。所以每种飞机都有一个飞行包线，横轴是速度，纵轴是高度，这条线里面的速度高度状态可以飞，线外的飞不了。

所谓宽域，就是指这个包线范围很大，刚才提到过，有人驾驶飞行器在大气层以内的飞行马赫数记录是6.7，要知道，这个记录是1967年写下的。你是不是突然又觉得鸣镝不行了，也就是跟1967年的美国飞行器差不多嘛。

不然，要知道，当年创下纪录的这个X-15飞行器，是由轰炸机带着上天，在高空发射出去的，而且动力是火箭发动机，工作时间不超过三分钟，你想想，三分钟能干什么？三分钟过后他只能滑翔落回来了。鸣镝的设计目标是既可以自主起飞，也可以空中发射，航程还要达到8000公里，也就是说，低空高空都要飞，低速高速都要飞，还要飞得久，飞得远。

实现这个目标，其一要靠气动外形设计，让他能飞的速度高度范围更广，其二，要靠材料技术，因为长时间高速飞行带来的气动加热对飞行器结构材料是一个大挑战，更重要的动力系统，举个例子，当年SR71黑鸟飞机，它里面的J58发动机，就是一台变循环发动机，低速飞行的时候，他就是一个普通的涡喷，等到高速飞行的时候，他就可以改变发动机里面的气流路径，让他变成一台冲压发动机，适应更高速度的飞行。

目前，我国的超燃冲压发动机技术，就是专门适用于马赫数5以上高超声速的这种发动机，无论是旋转爆震啊，倾斜爆震啊还是脉冲爆震啊，都是走在前列的，能同时适应多种飞行状态的组合动力发动机这几年也多次成功实验，这些发动机我之前都讲过，感兴趣可以翻一翻。你就会把这些技术串起来，从而对我国的高超声速飞行器领域研究有一定认识了。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：苟胜 西安航空学院 副教授

审核：孟杨 北京航空航天大学飞行学 院副教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司

来源: 创作培育计划

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