目前，高超声速飞行方式正在由传统的 弹道式飞行向临近空间长时间机动飞行的方 向发展。临近空间高超声速飞行器的出现， 无论是作为未来的战略战术武器平台还是载 人空天运载平台，对国防安全和国民经济发 展都具有重要的战略意义，是二十一世纪航 空航天技术新的制高点，具有战略性、前瞻 性、标志性和带动性。
高超声速飞行器主要可分为两大类： 以助推火箭为动力的高超声速滑翔飞行器和 以吸气式发动机为动力的高超声速巡航飞行 器。近二十年来，中、美、俄等军事强国在 上述两类飞行器技术领域了持续不断的探 索，取得了一系列的突破性进展。美国开展 了 X-43、X-51 和 HTV-2 等多型飞行器的 试飞验证，其 LRHW“暗鹰”陆基导弹系统 即将部署；俄罗斯已经列装了“先锋”、“锆石” 和“匕首”等多款不同类型的高超声速导弹。 值得注意的是，近期在对乌克兰的特别军事 行动中， 俄军首次使用“匕首”高超声速导弹， 有效摧毁了军事目标，拉开了高超声速武器 进入实战的序幕。
图 1 美国 HTV-2
图 2 俄罗斯“匕首”(米格 -31 机载发射)
在初步解决有无问题后，高超声速飞行 技术未来发展主要集中在如下两个方向：首 先，为了增强平台效能，亟需进一步提升高 超声速飞行的航程和机动性能；此外，高超声速飞行器正由小尺寸、一次性的高超声速 飞行器向大尺寸、可重复使用的宽域飞行平 台(高超飞机、天地往返空天飞行器等) 方 向拓展， 美国初步计划在 2030 年左右部署高 超声速飞机。
图 3 美国波音高超声速飞机
对于上述两个方向，气动布局设计都是 需要攻克的关键技术之一。对于前者，其核 心就是要提高飞行器的升阻比和操稳特性。 在升阻比方面，乘波体优势显著，极具应用 前景。其典型设计过程为：给定基准流场(楔 形流场、锥形流场等) ，在流场激波面上任 意作一条曲线，从该曲线出发的所有流线出 发构成的流面作为乘波体下表面，以自由来 流平面作为上表面。该飞行器与原始生成体 外形完全不同，但其下方流场却与基准流场 对应部分完全相同，因而激波能够附着在飞 行器的前缘线上，阻止了下表面的高压气体 上溢，从而可获得极高的气动效率。LHD 高 超声速空气动力学课题组多年来一直致力于乘波布局的高升阻比优化方法和操稳设计理 论研究，并结合实际需求开展了持续的工程 化探索，为高升阻比乘波布局应用奠定了坚 实基础。
图 4 乘波体生成过程
对于第二个方向，即可重复使用宽域飞 行器，则面临更大的技术跨度。为了满足这 一需求，高超飞行要从以往的单点、单线、 钢丝飞行变为速度、高度上拓下沿的包线飞 行，气动布局需要兼顾亚 - 跨 - 超 - 高超 声速整个飞行速域进行匹配设计，而不同速 域条件下飞行器的最优布局特征往往相互矛 盾。例如，为了满足亚声速高升阻比和低速 着陆要求，传统飞行器往往呈现较小后掠角 和较大机翼面积等特征，而该特征会导致高 超声速条件阻力过大，能量损失快，无法长 时间巡航；战斗机往往利用鸭翼和前后缘襟 翼等部件提升低速升力，而在高超声速阶段 气动部件过多会导致全机波系复杂，相互干 扰， 不利于热防护。此外， 宽域飞行过程中， 飞行器的压心和焦点等操稳特性会剧烈变 化，带来配平损失大、可用升阻比降低甚至难以控制等问题， 对总体性能产生重要影响。 因此，如何在满足复杂工程约束的条件下， 获得能够更好协调各速域气动性能的外形， 在非常宽的空域和速域范围内拥有足够好的 升阻匹配和操稳匹配特性，是气动布局设计 亟需解决的关键问题。
我们团队在科学院的支持下，基于在高 超声速气动布局领域多年来的研究基础，开 展了宽域飞行器设计探索，提出了宽域乘波 翼身融合布局设计方法，该方法能够有效融 合高超声速乘波体压缩升力和低速边条涡升 力等高效的高低速气动设计原理， 从而在亚 - 跨 - 超 - 高超声速条件下都具备较好的气动 特性。采用该方法，我们设计了“鸣镝”宽 域飞行器，并通过全包线高精度 CFD 数值 模拟、典型状态风洞试验和部分科目试飞初 步证明， “鸣镝”宽域飞行器具备良好的宽 域升阻特性和操稳特性。在未来 1~2 年内， 我们将继续开展更高速的相关试验，对飞行 器的宽域机动飞行特性开展更完备的验证。
(a)自主返场着陆实验
(b)亚 - 跨 - 超声速自主飞行实验
图 5 “鸣镝”宽域飞行器部分科目试飞
“路漫漫其修远兮， 吾将上下而求索”。 宽域飞行之路才刚刚起步，面向未来国家对 宽域飞行的迫切和多样化任务需求，我们作 为科学院“国家队”、“国家人”的一份子， 将继续心系“国家事”、肩扛“国家责”， 传承力学所老一辈科学家的创新理念和开拓 精神，秉承钱学森工程科学指导思想，少走 弯路，开展更有价值的科学研究，做到从工 程中来到工程中去，争取为国家航空航天事 业做出更大贡献。
刘文，助理研究员，高 温气体动力学国家重点实验 室。研究领域：高超声速气 动布局设计、高超声速飞行 力学。
