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高超音速

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X-43A試驗機於7馬赫速度之下的計算流體力學(CFD)模擬圖。

高超音速(hypersonic,亦稱极音速),空氣動力學名詞,意指速度較超音速還高出許多的狀態。在1970年代,這個詞通常指的是5馬赫(5倍音速)或更高的速度。高超音速流態(hypersonic regime)是超音速流態的分支。

超音速氣流與亞音速氣流性質迥異。當一飛行器加速到超音速,路徑中幾乎所有的空氣特性劇烈地改變。不過儘管有如此明顯的界線,對於「超音速」的定義仍有一些爭議。其中一個定義是整架飛行器各部份速度皆在1馬赫或之上。更技術性地定義指出:整架飛行器周遭的所有氣流速度皆是超音速才能稱作是超音速,這樣的情形對尋常設計的飛行器來說,通常是出現在1.2馬赫上下。0.8到1.2馬赫的範圍因此稱作跨音速

考慮到連超音速的簡單定義都有爭議,就不會對「定義高超音速是更加困難」這件事感到意外,因為成為「高超音速」並不會有任何氣流的物理性質改變。一般來說,在5馬赫附近,一些效應的組合整體來說變得重要。高超音速流態常定義為衝壓發動機(ramjet)無法產生淨推力的速度。這是一個模糊的定義,因為存在有一些改裝提議,使得噴射引擎在這樣的速度範圍仍可操作(參見超音速燃燒衝壓發動機(Scramjet))。

最初構想[编辑]

几乎所有现代军事武器都可以在已经尘埃落定70年的第二次世界大战中找到其始祖,高超声速武器也不例外——高超声速滑翔概念的最初源头甚至还要更早一些。

在两次世界大战期间,纳粹德国在佩内明德测试新型大炮,这其中就包括一系列大口径远程列车炮。当时德国对用次口径炮弹提高射程很感兴趣,于是就用列车炮进行试验,结果有了意外的发现。当从海拔较高的地点发射这种长杆炮弹时,它的射程会比在低海拔地点发射远得多。在排除高海拔地区空气稀薄、阻力小等因素影响后,发现射程仍要远出不少。于是,德国科学家们大胆推测,长杆炮弹在飞行中段具备一定的“攻角”(即炮弹几何中心线和炮弹飞行方向的角度),使其在高速飞行时具备较高的升阻比,因此在特定密度的大气中可以滑翔很远的距离。

这个原理激发了火箭专家桑格尔的灵感,他在1940年为了满足希特勒“跨过大西洋轰炸美国”的设想,设计了一种惊世骇俗的先进飞行器。这就是“银鸟”空天轰炸机,这架轰炸机采用火箭发射升空,在达到极高的速度后,以特定角度撞向大气层,在大气层中滑翔,就像巨炮所发射的那些炮弹一样。這就有如在大氣上衝浪,如果速度、角度合适,那么飞机会被几次反弹抛出大气层,然后再重新落入大气层。在飞到美国上空后就投掷炸弹轰炸目标,然后继续飞行,着陆在日本控制的太平洋岛屿上。

1948年,有一个人在研究了缴获的德国技术资料后,提出了一个新设想。他就是当时还是美国陆军上校的钱学森。他的方案与桑格尔不同,认为只要有足够先进的热防护技术,就能让飞行器在特定的高度层以高超声速持续滑翔飞行。除了热防护,这种飞行方式也需要飞行器具有更好的高速升阻比特性。他所提出的弹道,被人们称为“钱学森弹道”(也叫“助推-滑翔”弹道),按照他的理论计算,采用这种方式可以将弹道导弹的射程提高一倍。

參考文獻[编辑]

  • Anderson, John. Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics Second Edition. AIAA Education Series. 2006. ISBN 1-56347-780-7. 

http://www.guancha.cn/XiYaZhou/2015_06_16_323520.shtml

外部鏈接[编辑]