全世界所有高超声速飞机的方案都窄小扁平，但我们却设计成了这个奇怪的模样｜崔凯——科学讲坛

学术 2024-12-14 10:02 北京

或许有一天，

我们可以用几个小时

抵达世界上的任何地点。

崔凯 · 中国科学院力学研究所研究员

格致论道第116期 | 2024年10月19日北京

大家好，我是来自中国科学院力学研究所的崔凯。非常高兴能够来到格致论道，今天我要和大家分享与速度相关的故事。

1990年，当时我17岁，独自背着行囊从辽宁老家前往湖北武汉求学。那时乘坐的交通工具就是这种老式列车，也就是大家常说的绿皮车，它的速度比现在的高铁慢很多。我从辽宁去武汉上学得在北京中转，没记错的话，仅北京到武汉这一段路程当时就需要15个小时左右。而且那时火车经常晚点，我最长一次差不多坐了21个小时。下火车时，用现在的话说，整个人感觉都不好了，走路都轻飘飘的。

大学毕业后，我在广东深圳找到了第一份工作，距离家乡更远了。毕业后的第一个春节回家过年时，我毫不犹豫买了一张机票，尽管这张机票花了我一个多月工资，但当我仅用几个小时就从温暖的广东飞到严寒的东北时，我觉得这钱花得值，那也几乎是我人生中第一次感受到速度带来的便利。

后来我来到北京工作，经常要出国参加学术交流或学术访问，飞机基本上是我首选甚至是唯一的交通工具。去临近的日本或韩国还好，要是再远些，比如去欧洲、北美甚至南美，就仍需要十几个小时甚至几十个小时的飞行时间。长时间被封闭在狭小空间里，那种乘坐绿皮车般难受的感觉似乎又回来了。所以那时我就在想，能不能再快一点呢？

我想，包括在座的各位在内，世界上很多人都会和我有同样的想法。比如几十年前，英国和法国就曾经联合研制了一种新型的快速飞机，它叫协和式飞机，就是图上展示的这种。这种飞机的速度大概是现在普通飞机速度的两倍多，乘坐它从伦敦到纽约，可以把8个小时左右的飞行时间压缩到不到4个小时，给人们的出行带来了极大的便利。

遗憾的是，现在这种协和式飞机已经彻底停飞，我们再也看不到它翱翔在天空了。这是因为它出现了很多问题，比如说油耗问题、噪声问题，而其中很重要的一个问题就是它内部的空间太小。从这张图我们可以看到，一个正常的成年人如果站在飞机舱内中间位置，他的头部几乎就能触碰到舱顶了，更不用说两侧那更为狭小的空间了。

其实，我们对于速度的追求从未停歇。不妨设想一下，如果未来有一天，我们可以用几个小时的时间抵达世界上的任何地点，那将会是一种怎样的感受呢？我相信到那个时候，地球一定会变得更“小”，甚至真正变成一个地球村。而接下来我要讲到的这种新型飞行器，也就是大家口中所谓的“黑科技”——高超声速飞行器。

飞得快和装得多能够兼容吗？

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我先给大家解释一下什么是高超声速飞行器。这个概念是由我们中国科学院力学所的首任所长、同时也是力学所的创始人、更是我国航空航天事业的奠基人钱学森先生首次提出来的，现在已经得到了大家的广泛认可。

高超声速飞行器指的是飞行速度达到或者超过5倍声速，也就是5马赫以上的飞行器。换算下来，它一秒钟的飞行距离可以超过1500米，这可是现在普通飞机速度的6倍以上！

说到这里，我想大家可能会提出一个疑问：我们真的需要飞得那么快吗？那么快究竟有没有用呢？它能创造经济效益吗？

在2021年，世界上有一家颇有名气的咨询公司叫德勤，它受美国国家航空航天局的委托，开展了广泛且深入的市场调研，形成了一份名为《商业高超声速运输市场研究》的报告，就是图上这个封面展示的报告。

他们通过大规模的调研，最终得出这样一个结论：未来的高超声速运输市场有着非常良好的市场前景，也占据着非常大的市场份额。这类高超声速飞行器除了可以助力我们实现更快捷的旅行以外，还可以在诸多方面发挥核心且重要的作用。比如在打造快速供应链、处理疫情或是其他应急事件、推动未来快速电子商务等应用场景中都大有用处。

从这一点来看，我们可以毫不犹豫地得出结论：我们真的需要更快的速度，而这种快速会给我们带来更多的便利与价值——我们真的很需要让地球变得更“小”一些。

不过说到这儿，有句话叫“前景是美好的，现实是残酷的”。我们目前其实还面临着很多问题需要解决。

在这个领域里，我们还需要研究或者说研发更优质的新型动力系统。

我们需要研发既能高效承载，同时又能够耐受高温的新型材料和结构系统。

我们还要研发新型的制导和控制系统等。现在我们经常提的一个词是“新质生产力”，那对于高超声速飞行器而言，它无疑是一种未来的空天技术。在研发它的过程中，会带动很多其他学科、其他方向以及其他技术的研究。所以，它毫无疑问是一种新质生产力。而在所有这些问题当中，首要的问题是未来的高超声速飞机可能采用什么样的外形。

在飞行器设计领域，有一句俗语叫“飞行器设计，气动先行”。这是因为对于一架飞机也好，甚至像导弹等飞行器也好，在开始设计的第一步，就必须要确定它的外形。只有外形确定了，我们才能在此基础上开展其他学科的研发、设计以及优化等一系列工作。

所以，当我们面对这样一项新的技术时，要提到的第一个问题就是：高超声速飞机可能会是什么样的外形。这个问题在过去的20年甚至更早的时候，就已经有很多国家开展了相应的研究。

▲左下：美国波音公司设想方案

右上：美国Hermeus公司设想方案

右下：欧洲设想方案

左上：美国金星航天公司的设想方案

这里展示了其中的一部分外形设计，甚至有一部分飞行器已经快要准备真正的飞行试验了。但是，这些外形基本上是继承了我刚才提到的协和式飞机的基本设计理念。可以看到，它的机体相对比较狭小，外形也相对比较扁平。那么这样的设计思路可行吗？

其实类似的路我们在十几年前也走过，就像图上所展示的那样，当时我们也做了大量的数值仿真，它的性能表现也还不错。

但是很快我们就察觉到，如果按照这种思路继续做下去，它的内部空间，也就是容积实际上是非常小的，也许勉强只能装下几个人或者少量的东西。当时我就在想，即便把它做出来了，它可能也只是少数富豪用来炫耀的工具，永远没办法像我们所设想的那样，让普通人能够到处去旅行、到处去看看。

于是，我就萌生了改变它的想法，最开始我想着做优化工作，在它原本的基础上不断地修改外形。大概经过了将近一年时间的工作后我发现，如果把它的形状变得更胖、更鼓一些，另一个重要的指标——升力和阻力的比值，就会大幅度下降，而这个比值和飞行的航程是直接相关的。用一句比较直白的话来讲就是，按照这种思路做下去，如果想装得多，它就飞不远；反过来，要是想飞得远，它就装不了多少东西。

那么接下来我们就得弄明白，为什么会出现这样一个矛盾呢？我用这两张图来做一下比较，图中的A和B是两架飞行器的示意图，很明显，A比B要胖一些，也高一些，所以A的装载自然就会多一些。

下面的两张图展示的是它们头部电脑模拟的结果，图中不同的颜色代表着气流的压力：颜色越偏绿表示压力越高，越偏蓝则表示压力越低。通过对A和B进行比较我们能够发现，在更胖的A的头部上方有一团浓密的绿色气流，也就是高压气流，它会使劲地压着这个飞行器，使得飞行器的升力减小，同时阻力增加，进而导致它们的升力和阻力的比值大幅减小。这就是“飞得远”和“装得多”产生矛盾的主要原因。

所以，已有的飞行器为什么都要做得扁一些呢？就是因为把飞行器做成像B那样，就能让这团气流尽可能少地产生。这团气流就像“垃圾”一样，一直在干扰着我们飞行器性能的发挥。

加一个机翼，把“垃圾”用起来

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这个问题着实困扰了我好长一段时间。后来在2011年，也就是13年前，我突然有了这样一个想法：对于这团像“垃圾”一样的气流，其实有两种处理方式。第一种就是减少这团“垃圾”般的气流，现有的思路便是这样做的，不过它所带来的代价我是难以接受的，因为这样做会导致飞行器的容积损失太多。

既然如此，我们能否换一种思路呢？能不能把这部分气流利用起来呢？于是，我就进行了初步的尝试。这里面涉及的原理我不过多地去阐述了，我只是想告诉大家这样一个结论：最终得到的结果比我们预先设想的还要好。

▲高压捕获翼三维原理图

我在飞行器的上方合理位置增加了一个新的翼面，它就可以捕获原来那团像“垃圾”一样的气流。这样一来，便可以让飞行器的升力效率大幅提高，进而缓解刚才所提到的“飞得远”和“装得多”之间的矛盾。

不过到此为止，这还仅仅只是一个想法罢了。要知道，所有的事情要从想法转变成现实，一定要经历一个漫长且艰辛的过程。

我们这一做就是13年的时间。后来，我们养成了一个习惯，每年会把自己认为比较有纪念意义或者比较有代表性的工作，用一张图画下来，慢慢地就形成了这样一个历程图。

现在回想起来，其实最初的5年是最艰难痛苦的。因为那个时候，当你提出一个新的想法，你听到的周围传来的几乎全都是质疑的声音。好在我们选择了坚持，因为我始终坚信一点，那就是所有的创新性工作一定是在质疑声中成长起来的。

就这样，十几年坚持做下来，我们慢慢地从最开始的理论分析，逐步进展到后来的风洞试验，再到后来的上天试验等等这些环节。

2017年，我们做了一件很重要的事。在3月份的时候，我跟我的研究生以及团队里的年轻人说，我想要把这个指标做到世界顶尖水平。他们当时都认为我简直是疯了，但我却说，我们用一个月的时间试一试吧。

那一个月的时间里，我们的生活就只剩下三件事——讨论、修改、计算。我们的作息完全被打乱了，只有在电脑进行计算的时候我们才可以趁机休息一会儿，只要电脑一停止计算，我们就要接着讨论。

俗话说得好，“苍天不负有心人”，到那个月的月底，我们成功实现了既定的目标。

然后我们写了一篇篇幅不长，仅有三页纸的小文章。但没想到一经发表，有很多媒体还有领域内的专家都对这篇文章表现出了浓厚的兴趣，它的访问量非常大。这些关注对我来讲有着特殊的意义，让我更加坚信未来这种飞行器真正能够飞到天上，而且它可是由我们中国人首先提出来的。

于是，我们开始着手做更多的工作，慢慢地开启了地面试验。要知道，地面试验其实耗费的资金已经不少了，每进行一个试验都得砸进去几十万人民币。这就是其中一些地面试验所用到的模型。

但是，地面试验所能达到的目标毕竟是有限的，毕竟有些情况是地面环境永远无法模拟出来的。

上天验证

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在我们的工作进展到第10个年头的时候。也就是差不多2020年的时候，我们萌生出一个想法——想要到天上去做一次试验。

这是我们所设想的飞行试验的弹道，它看上去就像一个大大的弧线，又像是一把巨大的弯刀，会在天上绕转一圈。

在整个飞行的过程中我们能够采集到一些相关的数据，并且还可以搭载相应的设备，完成一些其他方面的测试工作。

这就是我们整个飞行系统的三维图以及对应的拆解图。它看上去就已经很复杂，但事实上，它远比我们看上去的还要复杂得多。

而且大家也都知道，从2020年开始，因为疫情的关系，我们的工作经常会被迫停滞不前，那真是一个非常痛苦的过程。现在回过头去想想，好在过程虽然很痛苦，但最终结果还是让人挺欣慰、挺快乐的。

2021年的8月31日，经过整整16个月的精心筹备，我们终于在酒泉卫星发射中心把这个试验开展起来了。当看到那枚小小的飞行器飞向天空的那一瞬间，那种心情、那种获得感，还有那种油然而生的成就感，真的是难以言表。

整个飞行过程的持续时间大概不到20分钟，也就十几分钟的样子，但是在这短短的时间里，我们采集到了大量的试验数据。我们花费了大概2到3年的时间，也才仅仅分析了其中一部分，还有一些数据直到现在还在继续分析处理当中。毕竟这些数据实在是太宝贵了。

值得一提的是，我们几乎实现了整个模型的完整回收。

在发射当天，我想要抒发一下自己内心的感情，写了这首小诗。

圆月弯刀斩秋风，

满天朝霞映袍红。

成城断金砥砺进，

功不唐捐天有情。

这里描绘的是飞行轨迹，以及开展飞行试验的那个季节和美好的环境。在长达16个月的筹备时间，最多的时候有将近100个人参与进来。我们深知只有大家众志成城，团结一心，才能发挥出巨大的力量，其利断金，也唯有如此，我们才能在这条艰难的道路上砥砺前行。我也想借此表达对国家的感谢，感谢我们身处这样一个好时代，同时也感谢上苍对我们的眷顾。

也给大家展示一些照片，这是我们在基地待的那一个月时间里留下的。虽说条件挺艰苦的，但有时候我们也需要放松一下自己，在忙碌的工作中寻找一些乐趣。

这是一张很早的图，在2017年3月份的时候，我们忙了整整一个月之后，大家想要放松一下。我的研究生们跟我说：“崔老师，我们想要设想一下未来这种飞机可能是什么样子。”我说：“你们尽管去想，我来指导。”随后，我们花费了大概两三个月的时间完成了这样一张图。他们特意把它设计制作得看上去很像“黑科技”的样子。其实，现在我们的最新版本已经跟它大相径庭了。所以我觉得，虽然它在将来大概率不会是飞机真实的样子，但我想这很值得纪念。

在我的故事即将步入尾声的时候，我还要提醒大家，对于这样一种“黑科技”，我们真的还有很多问题需要去直面并解决，像是动力方面的问题、材料方面的问题、结构方面的问题等等。而在这众多的问题之中，我们仅仅只是完成了其中一小部分工作，仅仅迈出了一小步而已。不过，我坚信这些工作对于我们自身而言，将会是意义非凡的一大步。

我们做这些工作，是希望能够飞得更高、更快、更远。正如我刚才所讲的那样，其实这个领域的研究就是我们未来的新质生产力。所以，我们会一直沿着这条路走下去，始终坚守在路上，因为我们的目标一直就是要面向未来的空天前沿技术，助力我们新质生产力不断向前发展。

谢谢大家！

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