中國科學院力學研究所研究員崔凱在第28期inSite中解讀高超音速飛行器之美。以下為崔凱演講實錄：（根據(jù)演講整理，根據(jù)原意進行刪節(jié)，完整版請到現(xiàn)場解讀視頻欄目觀看）

大家好，非常感謝inSite平臺。我是中國科學院力學研究所的崔凱。我今天演講的題目是：高超音速飛行器的出現(xiàn)。

什么是高超音速？交通運輸?shù)陌l(fā)展始終伴隨著人類文明的發(fā)展。追求速度是我們的首要目標。在這個目標的推動下，人們從馬車、汽車時代發(fā)展到了現(xiàn)在的高鐵、飛機時代。目前，最快的交通工具是飛機，其速度大概在每小時900公里以上。

從北京飛往紐約大約需要13個小時。這個時間其實并不長，但是長途跋涉后我們會感到很累。我想很多人在飛行時都會有這樣的想法，我們能飛得更快嗎？如果是這樣，我們能飛多快？為了回答這兩個問題，我想先介紹一個概念，這也是今天演講的主題之一，高超音速。

（來源：Pixabay）

衡量飛機飛行速度有一個特殊的標準，那就是音速，我們稱之為馬赫數(shù)。馬赫這個詞是為了紀念奧地利科學家馬赫而命名的。馬赫數(shù)代表音速的一倍。如果按照馬赫數(shù)來衡量，現(xiàn)有飛機的速度大概在0.8到0.9馬赫之間。我們稱之為跨度。音速飛行對應的真實速度約為每小時900公里。

高超音速的概念是我國非常著名的科學家、我所首任所長錢學森在1946年提出的。高超音速是指達到或超過五倍音速的飛行。我們可以想象，如果乘坐這樣的飛機，以5馬赫的速度飛行，從北京到紐約只需要兩到三個小時，出行時間將會得到很大的壓縮。

我想很多人都會問這個問題，高超音速飛行器應該是什么樣子？它會與我們現(xiàn)有的飛機相似嗎？這是我近十年來的主要研究領(lǐng)域。我先介紹一下我們近十年來所做的一項工作。

圖片| 《科學中國》封面（來源：《科學中國》）

2018年，我和我的研究生將這篇文章作為封面發(fā)表在《科學中國》雜志上。這篇文章很短，不到三頁，但發(fā)表后卻受到了學術(shù)界和媒體的廣泛關(guān)注。多多關(guān)注。除我國外，包括美國、英國、歐洲、澳大利亞、俄羅斯等，近百家媒體對此進行了報道和轉(zhuǎn)載。

有一個反映社交分享的AM指數(shù)。我們的索引已達到212，目前在該雜志歷史上所有文章中排名第二。這本雜志隸屬于德國最著名的出版商Sprint。發(fā)表后，根據(jù)他們的統(tǒng)計，這篇文章2018年全年下載量超過6400次，在其物理領(lǐng)域所有期刊的所有文章中排名第一，從這個分布可以看出，超過75%的下載量來自于中國以外50個國家和地區(qū)。

圖|部分下載地址來源（來源：科學中國）

為什么這篇文章會受到大家的關(guān)注呢？因為在這篇文章中我們提出了未來高超音速飛行器的新設(shè)計方案。雖然只是一個概念規(guī)劃，但很快就引起了很多關(guān)注。我想我今天的演講主要是圍繞這個問題展開的。我們先從一個話題開始吧。

一架“好看”的飛機應該具備哪些特點？在演講的標題中，我用了“顏值”這樣一個比較流行的網(wǎng)絡(luò)術(shù)語，因為飛機和人有很強的可比性。比如，飛機的發(fā)動機相當于我們的心臟，飛機的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)相當于我們的骨骼，飛機燃料相當于我們的血液。當然，飛機的外觀就相當于人的外觀。

對于一架飛機來說，它的外觀主要體現(xiàn)在它的性能上。首先我想用一個簡單的受力分析來看看什么是好看的飛機。

無論一架飛機多么復雜，飛得多高或多快，它在空中只受到四種基本力。首先，必須有重力。為了平衡這種重力，防止飛機墜落，空氣會為其產(chǎn)生氣動升力。在產(chǎn)生升力的同時，也會產(chǎn)生阻礙飛行的阻力。為了克服這種阻力，發(fā)動機就會提供推力，使飛機能夠在空中平衡飛行。

有了這樣的基本概念之后，你會發(fā)現(xiàn)整個飛機的升力和阻力是和它的形狀有直接關(guān)系的?？梢婏w機的形狀在設(shè)計中占有多么重要的地位?；谶@樣的基本受力分析，一架好看的飛機應該具備哪些基本特征呢？

首先，飛機的用途是遠距離載人或貨物，因此必須保證一定的載重量，即高的運量。載人載貨后，其重量會大大增加。為了平衡自身重量，它必須有很高的升力。力量；另外，我們也希望阻力小一些，這樣我們就能飛得更快，使用更多的燃料；在空氣動力學中，經(jīng)常使用升阻比的值，即氣動升力與阻力的比值。飛機的升阻比越大。就飛得更遠吧所以，一架高顏值的飛機都會具備三個高的特點：高體積、高升力、高升阻比。

飛機越薄，飛得越快？我想簡單回顧一下整個飛機發(fā)展的歷史，看看飛機的外觀是如何通過“改頭換面”一步步改進的。

圖片|萊特兄弟的第一架飛機（來源：Pixabay）

1903年，美國萊特兄弟發(fā)明了世界上第一架飛機。當時，現(xiàn)代空氣動力學理論尚未完全建立，因此他們的設(shè)計往往偏向于直觀概念，但他們也認識到飛機的重要性。升力主要由機翼產(chǎn)生。機翼越長、面積越大，升力就越大。然而，如果機翼做得太長，它就會彎曲甚至折斷。因此，他們有一個巧妙的方法，將有限長度的機翼分成很多層，既可以保證強度，又可以大大增加升力。

圖| An-2 雙翼飛機（來源：Pixabay）

實際歷史上，大多數(shù)時候都出現(xiàn)過六層甚至七層機翼，雙翼飛機仍然偶爾可見。它們的生命力非常頑強，從早期到現(xiàn)在已經(jīng)有一百多年的歷史了。

比如前蘇聯(lián)的安2飛機，已經(jīng)生產(chǎn)了40多年的歷史。由于機翼面積較大，這種飛機在低速飛行時升力非常大，因此所需的跑道長度也比較長。體積小，An-2飛機只需要180米左右的跑道長度即可起飛和降落，但它也有一個問題。一旦速度提高，這種雙層機翼就會帶來氣動阻力的顯著增加，因此不再適合更快的速度。高空飛行。

20世紀30年代，單翼飛機開始慢慢取代早期的雙翼飛機，至今在飛機外觀上仍是主流設(shè)計。

自1970年代以來，以波音707為代表，一直到目前的空客380，包括波音787等，飛行速度幾乎沒有提高，基本保持在0.8至0.9馬赫之間，但載重量卻大幅增加。改進，因為空氣動力學家花費了大量的精力來優(yōu)化機翼的形狀，并使用更輕的材料來生產(chǎn)具有更大升力和更低阻力的機翼。與40年前相比，現(xiàn)在它的負載能力要高得多。大概可以提高四到五倍。

盡管這種飛行器已經(jīng)非常成熟，但人們卻從未放棄過對速度的追求。自20世紀50年代以來，人們開始探索超音速飛行。受限于當時的發(fā)動機條件，當時的超音速飛行一般定位在兩到三倍音速之間。

1975年，英法合作推出了協(xié)和式飛機，前蘇聯(lián)也推出了Tu-144飛機。這兩架飛機現(xiàn)在都已經(jīng)退役了，但是我們可以從它的整個外觀來推斷出當時的情況。

圖| Tu-144 飛機（來源：Pixabay）

一旦飛機開始超音速飛行，超音速氣流作用在飛機上時就會出現(xiàn)一種比較獨特的氣動現(xiàn)象，稱為沖擊波。沖擊波的出現(xiàn)會導致飛機的阻力突然大幅增加。為了應對這種情況，必須改變形狀以減少沖擊波的阻力。因此，超音速飛機的外形與當今常見的跨音速飛機有很大不同。

超音速飛機通常具有細長的機身、尖頭和大后掠角三角翼。這種外形設(shè)計非常適合超音速飛行，但在低速時，尤其是低速飛行時，其性能會較差。起飛和著陸期間。

為了彌補這個問題，當時人們所做的就是在起飛和降落時盡可能增大發(fā)動機的推力，用部分推力來克服起飛和降落時升力的不足。但這樣的話，首先會導致油耗和成本。噪音的增加也導致起飛和降落時的噪音明顯增加。事實上，這是協(xié)和式飛機解體的一個主要因素。

扁平化機身的設(shè)計是無奈之舉。近幾年來十幾年，隨著發(fā)動機技術(shù)的飛速進步，高超音速飛行器也慢慢開始走進人們的視野。這是波音公司去年在2018年提出的高超音速飛機的照片外觀。

圖|波音公司的高超音速飛機（來源：波音公司）

這是美國赫爾墨斯公司今年5月推出的高超音速飛行器的外觀。也許未來實際飛行的飛機會與它們有所不同，但我們可以從中學習到它們的一些設(shè)計理念。

圖|美國赫爾墨斯公司的高超音速飛行器（來源：赫爾墨斯公司）

可以看出，它們的外觀與今天的超音速飛機沒有太大區(qū)別。它們都采用了修長的機身、比較扁平的機身和比較大的后掠翼形狀。這種方法可以在一定程度上保證。它具有更好的空氣動力學性能，但必須犧牲大量體積要求。為了應對這個問題，這兩架飛機實際上被定位為高端公務機，搭載大約十到二十名乘客。也許只有互聯(lián)網(wǎng)巨頭和石油大亨才能買得起，但我們普通人買不起。

那么為什么飛機一定要做成扁平的呢？

在高超聲速平衡狀態(tài)下，我利用計算機模擬得到了飛機周圍氣流壓力分布圖以及飛機表面壓力分布的計算結(jié)果。圖中越紅的部分表示壓力越高，越藍的部分表示壓力越低。我們可以簡單地將飛機分為上表面和下表面，看看升力是如何產(chǎn)生的。

圖|飛機表面壓力分布仿真圖（來源：崔凱）

飛行時，飛機下表面與氣流之間存在一定角度。這個角度稱為壓縮角。在這個角度下，作用在下表面的高壓氣流將對飛行器產(chǎn)生向上的壓力，從而產(chǎn)生升力的主要分量。上表面分為三個部分。它的整個壓縮角從頭部開始慢慢減小。很明顯，當壓縮角大時，壓力就高，這個壓力又垂直向下作用在飛機上。這時，飛機的部分升力就會被抵消。隨著后面的壓縮角不斷減小，顏色變得越來越深、越來越藍，它的升力就會越來越大。

可以看到，背面的兩個壓縮角向下折疊后，其體積會被大大犧牲。為了獲得更好的空氣動力性能，必須將其制成更扁平的形狀。因此，從這張圖中可以清楚地看出，升力、阻力和體積之間存在著非常強烈的矛盾關(guān)系。如今，將高超音速飛行器設(shè)計成相對扁平的外形，某種程度上是一種無奈的選擇。

高壓捕獲翼能夠使機翼升力效率提高數(shù)倍的問題，其實困擾了我很長時間。我一直在思考是否有可能通過一種跳出現(xiàn)有設(shè)計理念的新模式來改進它。幸運的是，幾年后它可能會得到改善。我以前發(fā)現(xiàn)過這樣的想法，我稱之為高壓捕獲翼。

圖|高壓捕獲翼原理（來源：崔凱）

這兩張圖也是電腦模擬效果圖。當上表面凸起時，上方就會產(chǎn)生高壓氣流。如果加上一個薄翼，我稱之為高壓捕獲翼。這部分高壓氣流可以被捕獲以產(chǎn)生一些額外的升力。因為它的作用是捕獲上表面的高壓部分，所以我稱其為高壓捕獲翼。

在過去的幾年里，通過大量的理論分析，包括計算機模擬，我們已經(jīng)證明，使用這種高壓捕獲翼可以比現(xiàn)有的常規(guī)機翼提高數(shù)倍甚至十幾倍的升力效率。因此，在過去的一段時間里，我們一直在為之努力。前期工作主要是計算機數(shù)值模擬。 2016年，我們決定進行原理風洞試驗，并用模型驗證高壓捕獲翼的設(shè)計原理和設(shè)計方法。

本次實驗在亞洲最大的風洞群——中國空氣動力研究發(fā)展中心綿陽一米直徑高超音速風洞中進行。實驗方法是將模型固定在風洞中，然后用高速氣流吹過它，利用模型與氣流之間的相對運動來模擬飛機的實際飛行。

在氣流經(jīng)過的這幾十秒的時間里，我們可以測量它在不同姿態(tài)下的升力和阻力，也可以利用高科技的流場顯示設(shè)備來觀察氣流是如何在飛機中流動的。

這是俯仰姿態(tài)下流場顯示裝置給出的氣流的實際流動結(jié)構(gòu)。以上是我們通過計算機模擬得到的結(jié)果。我們可以看到他們的意見非常一致。正是這種原理實驗讓我們非常有信心地知道它的原理是有效的。

這是一個逐漸演變的過程。接下來的幾年，我們從這樣一個圓錐體開始，慢慢的加了一個翼，然后把翼做得更大，然后優(yōu)化，最后形成了文章中的一個形狀，也進行了吹氣實驗2017年。

根據(jù)我們目前找到的文獻結(jié)果，在這么大體積的情況下，現(xiàn)有的升力和升阻比還沒有可以超過它的，我們的指標遠遠領(lǐng)先于現(xiàn)有配置的指標，或者說在某種程度上，我們已經(jīng)成為了世界上最好的，當然還要繼續(xù)努力。

基于此，我?guī)е业难芯可胂罅宋磥淼母叱羲亠w行器可能是什么樣子，所以我們做了這樣一個渲染圖。

圖|高超音速飛機效果圖（來源：崔凱）

也許未來的高超音速飛行器會是這個樣子，也許不會是這個樣子，但我們畢竟在努力。我非常希望未來的高超音速飛行器是這樣的，因為這是中國人自己提出的全新設(shè)計。計劃，但即使沒有，也沒關(guān)系，因為重要的是我們?yōu)橹^，因為我們一直相信高超音速飛行會讓我們飛得更快、更高、更遠。謝謝大家！ -完-現(xiàn)場解讀是DeepTech推出的針對青年科學家的劇場式演講欄目。內(nèi)容聚焦“硬核”科學的實際應用價值，追求從“科學”到“技術(shù)”再到“產(chǎn)業(yè)”的實現(xiàn)過程。自開播以來，已邀請超過40位青年科學家共同探討各類熱點話題，節(jié)目在多個視頻平臺獲得了數(shù)百萬次觀看。未來一段時間，我們將定期分享現(xiàn)場解讀科學家的演講，共同為新知識發(fā)聲，創(chuàng)造未來洞察。在新浪微博、今日頭條、抖音、愛奇藝、優(yōu)酷、騰訊視頻、嗶哩嗶哩和一點資訊上找到@interpretationinSite，并保持好奇心，與我們一起探索世界