晨楓

削弱氣動(dòng)加熱的新思路

相比于把人送入太空，如何讓人從太空安全返回是更大的挑戰(zhàn)。一般航天器都采用彈道式再入加降落傘的方式，也就是說，像隕石一樣在重力作用下自由下落，然后到稠密大氣層內(nèi)一定高度時(shí)打開降落傘，用氣動(dòng)阻力減速，實(shí)現(xiàn)軟著陸。在自由下落過程中，氣動(dòng)加熱使航天器表面急劇升溫。從降低氣動(dòng)阻力以減少氣動(dòng)加熱的角度看，再入的航天器應(yīng)該采用尖銳的頭部。但理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明，再入過程中極高的速度使氣動(dòng)加熱的升溫速度太快，尖銳頭部對(duì)減小氣動(dòng)加熱的作用微乎其微，頭錐受到在時(shí)間和空間上高度集中的熱負(fù)荷，根本沒有時(shí)間散熱，將很快被燒毀。耐熱材料或隔熱、散熱、導(dǎo)熱技術(shù)只能略微推遲被燒毀的時(shí)間，但不能從根本上改變被燒毀的結(jié)局。1951年，美國NACA（NASA的前身）物理學(xué)家亨利·艾倫在研究中發(fā)現(xiàn)，高速的航天器前端對(duì)空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈壓縮，在前方大氣中形成一個(gè)傘狀的激波錐，激波前沿的空氣密度急劇升高，實(shí)際上像一堵堅(jiān)硬但移動(dòng)的墻一樣，航天器則在墻后的尾流中前行。由于和前方靜態(tài)空氣直接接觸的是激波錐而不是航天器本身，氣動(dòng)加熱主要由激波前沿和前方的靜態(tài)空氣之間的壓縮和摩擦產(chǎn)生，熱量也主要沿密度極高的激波鋒面內(nèi)部傳導(dǎo)和耗散。如果航天器表面和激波鋒面保持一定的距離，激波鋒面和航天器表面之間的邊界層實(shí)際上形成保護(hù)層，航天器本身承受的熱負(fù)荷就要小很多。因此，亨利·艾倫提出，航天器的頭部應(yīng)該是鈍形，在艏部推出一個(gè)寬大和強(qiáng)烈的激波，并使波鋒面遠(yuǎn)離航天器本體，就像平頭的駁船船首推開的波浪一樣，形成有效的熱保護(hù)。實(shí)際數(shù)據(jù)表明，航天飛機(jī)再入段初期，圓鈍的頭錐前方幾米外激波前沿的溫度可達(dá)攝氏5 300度，但航天飛機(jī)表面“僅僅”感受到1 260度左右，說明了激波隔熱的有效性。但這只解決了問題的一半，剩余的氣動(dòng)加熱問題依然嚴(yán)重，需要用燒蝕型散熱材料，用時(shí)間換溫升。

但航天飛機(jī)實(shí)際是另一個(gè)思路：用大氣層內(nèi)的滑翔降落解決軟著陸問題，但氣動(dòng)加熱的問題更加棘手。急劇降低高度和減速將導(dǎo)致嚴(yán)重的瞬時(shí)氣動(dòng)加熱，但速度和高度降不下來導(dǎo)致長時(shí)間滑翔則延長氣動(dòng)加熱時(shí)間，引起累積蓄熱問題。航天飛機(jī)再入后，不斷橫向滾轉(zhuǎn)至90度，用主動(dòng)喪失升力來降低高度，用增加迎角來降低速度。但橫滾有自然的轉(zhuǎn)彎傾向，所以航天飛機(jī)要時(shí)不時(shí)反向橫滾一下，用S形航跡來保持基準(zhǔn)航向。

但航天飛機(jī)的設(shè)計(jì)極富挑戰(zhàn)。航天飛機(jī)的水平著陸是無動(dòng)力的滑翔著陸。換句話說，航天飛機(jī)一旦脫離地球軌道、進(jìn)入大氣層，就是一錘子買賣，不可能復(fù)飛的，必須在指定地點(diǎn)降落下來。這要求航天飛機(jī)具有良好的升阻比，可以滑翔一定的距離，且在滑翔中具有良好的操控，尤其要有良好的著陸操控性能。換句話說，應(yīng)該采用具有較高升阻比的細(xì)長機(jī)翼。但是，航天飛機(jī)在返回大氣層之初，速度可以高達(dá)24馬赫，這樣的高超聲速要求采用阻力最小的升力體，也就是說，由扁平短拙、大后掠角的機(jī)體本身產(chǎn)生必要的升力，根本不用常規(guī)意義下的機(jī)翼。但折中都是有代價(jià)的，航天飛機(jī)的操縱特性據(jù)說和一塊飛行的磚頭差不多，而且返回時(shí)必須沿一條精細(xì)計(jì)算過的在瞬時(shí)氣動(dòng)加熱和累計(jì)氣動(dòng)加熱之間最小化的路徑下滑，以最大限度地降低熱負(fù)荷，使用要求非常高。

“嫦娥”5號(hào)則是采用彈道式再入和大氣層內(nèi)滑翔式再入之間的全新方式。這是在大氣層邊緣像打水漂一樣用彈跳的方式滑翔再入。換句話說，在接近大氣層的時(shí)候，用較小的角度進(jìn)入，在大氣層外緣“下沉”過程中，利用大氣層和近地空間的空氣密度差，產(chǎn)生強(qiáng)大的氣動(dòng)升力，讓航天器彈跳出大氣層。地球引力將使航天器再次回落，產(chǎn)生又一次彈跳。在此過程中，速度逐漸降低，直到不再有足夠動(dòng)能形成新的彈跳，而自由下落，返回地球。這樣做的好處是，每一次擦過大氣層邊緣的時(shí)候，氣動(dòng)加熱的時(shí)間較短，返回寒冷的近地空間期間正好散熱，這樣可以大大降低返回期間氣動(dòng)加熱積累的問題。在動(dòng)能不足以繼續(xù)彈跳時(shí)，可以近似為航天器從大氣層邊緣開始自由下落，這樣的初始位能也較直接從外太空返回為低，同樣有助于降低返回段熱負(fù)荷問題。

應(yīng)該注意的是，航天器在大氣層邊緣彈跳飛行時(shí)，升力的來源將不是常規(guī)的機(jī)翼，而是激波。返回時(shí)的高速足以產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的激波錐，這相當(dāng)于一圈堅(jiān)硬如鐵的盾牌。有意思的是，這道盾牌在壓縮前方空氣時(shí)，不僅吸收氣動(dòng)加熱，還產(chǎn)生壓縮升力，好比滑水板在水面高速劃過時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)浮力一樣?？刂坪教炱鞯淖藨B(tài)可以有效地改變激波的形狀和迎角，進(jìn)而改變升力的大小，控制反彈的力度；甚至可以產(chǎn)生側(cè)向的升力，改變航向。隨著動(dòng)能在每一次彈跳中的消耗，航天器的迎角應(yīng)該有所增加，以補(bǔ)償升力的損失。最后速度降低到不足以維持強(qiáng)大激波錐的時(shí)候，也是該返回地球的時(shí)候了。

關(guān)于桑格爾彈道和錢學(xué)森彈道

1933年，德國火箭科學(xué)家尤金·桑格爾提出火箭助推-大氣層邊緣跳躍飛行的概念。也就是說，火箭將載荷推出大氣層之后，然后用類似“嫦娥”5號(hào)返回段彈跳軌跡的方式延長射程。桑格爾計(jì)算出，從德國發(fā)射導(dǎo)彈的話，需要三次跳躍就可達(dá)到美國東海岸。桑格爾彈道的特點(diǎn)是利用近地空間幾乎真空的低阻力延長射程，但問題在于反彈的升力機(jī)制并不明確，彈道控制問題更是空白，即使最后實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)彈也將豪無精度可言。

1948年錢學(xué)森在美國火箭年會(huì)上提出火箭助推-再入大氣層滑翔機(jī)動(dòng)飛行的概念。與桑格爾彈道不同的是，錢學(xué)森彈道是指進(jìn)入大氣層后，飛行器完全依靠大氣層內(nèi)的氣動(dòng)滑翔維持進(jìn)一步飛行，實(shí)現(xiàn)更大的射程。這樣的好處是保持了常規(guī)氣動(dòng)飛行器的氣動(dòng)控制和命中精度。在精確制導(dǎo)時(shí)代，利用這樣的復(fù)合彈道更可以以彈道導(dǎo)彈為運(yùn)載工具，把常規(guī)的反艦導(dǎo)彈運(yùn)送到目標(biāo)區(qū)，將其釋放，然后轉(zhuǎn)入常規(guī)的導(dǎo)彈攻擊。彈道導(dǎo)彈的高速可以大大縮小目標(biāo)的逃逸窗口，常規(guī)導(dǎo)彈則保證機(jī)動(dòng)追擊和精確命中。這種攻擊方式對(duì)于航空母艦、兩棲攻擊艦、補(bǔ)給艦、艦隊(duì)油船等行動(dòng)相對(duì)笨拙的大型艦船特別有效，甚至在理論上還可以空空導(dǎo)彈為有效載荷，用于攻擊預(yù)警機(jī)、加油機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、電子戰(zhàn)飛機(jī)等大型高亞聲速飛機(jī)。相比之下，常規(guī)的超遠(yuǎn)程飛航式導(dǎo)彈的飛行時(shí)間太長，有很大的逃逸窗口或者攔截窗口，戰(zhàn)術(shù)價(jià)值不高。錢學(xué)森彈道的難點(diǎn)在于再入初期，這一段高超聲速、高熱負(fù)荷的飛行大大超過常規(guī)導(dǎo)彈的工作范圍，彈道導(dǎo)彈不可能在再入前釋放常規(guī)導(dǎo)彈，在再入后也必須充分減速才能釋放常規(guī)導(dǎo)彈，大大降低了錢學(xué)森彈道的優(yōu)越性。

但是，把桑格爾彈道和錢學(xué)森彈道相結(jié)合，不僅可以大大延長射程，還有助于有效轉(zhuǎn)接到大氣層內(nèi)常規(guī)導(dǎo)彈的工作條件。桑格爾彈道在最終自由下落時(shí)，速度和高度大大降低，使得釋放適當(dāng)改裝的常規(guī)導(dǎo)彈成為可能。在洲際導(dǎo)彈的射程早已達(dá)到全球的情況下，大大延長射程依然是有重大意義的，這可以大大減小導(dǎo)彈的尺寸和重量，不僅降低成本，也有助于機(jī)動(dòng)發(fā)射。更重要的是，這有助于把彈道導(dǎo)彈戰(zhàn)術(shù)化。不難想象，中程彈道導(dǎo)彈以常規(guī)反艦導(dǎo)彈或者空空導(dǎo)彈為載荷的話，采用桑格爾-錢學(xué)森彈道之后，可以在幾千千米的范圍上對(duì)敵人的艦艇和飛機(jī)造成巨大的威脅。當(dāng)然，在這樣的距離上發(fā)現(xiàn)目標(biāo)和指揮控制依然是巨大的挑戰(zhàn)，但具有足夠長的矛無論如何也是在這樣的距離上形成有效打擊能力的關(guān)鍵一步。

另外，隨著反彈道導(dǎo)彈技術(shù)的進(jìn)步，彈道導(dǎo)彈突防的成功關(guān)鍵在于變軌。在外層空間變軌需要大量拋射火箭燃?xì)?，成本和難度較高，變軌幅度也有限。桑格爾-錢學(xué)森彈道更容易實(shí)現(xiàn)變軌，代價(jià)是速度有所降低，但機(jī)動(dòng)的高超聲速飛行依然是反導(dǎo)攔截的巨大難題。由于彈道導(dǎo)彈沿固定的拋物線彈道飛行，導(dǎo)彈起飛后不久，就能判斷整個(gè)飛行軌跡和命中目標(biāo)。這也是反導(dǎo)攔截的基礎(chǔ)。反導(dǎo)導(dǎo)彈向來襲導(dǎo)彈預(yù)計(jì)彈道沿途中最有利的攔截點(diǎn)發(fā)射，位置守株待兔，只需要有限的機(jī)動(dòng)能力以補(bǔ)償彈道計(jì)算的誤差。但如果目標(biāo)是高超聲速機(jī)動(dòng)飛行的話，守株待兔就不管用了，需要對(duì)目標(biāo)有較大的能量差才能保證有效攔截，主要是在攔截終點(diǎn)要有比目標(biāo)更高的速度和更大的機(jī)動(dòng)性。由于高超聲速導(dǎo)彈的預(yù)警時(shí)間本來就有限，反導(dǎo)系統(tǒng)要具有相當(dāng)大的射程才能有效保護(hù)己方目標(biāo)，但這對(duì)反導(dǎo)導(dǎo)彈的加速、射程、機(jī)動(dòng)性、終端速度的要求進(jìn)一步提高，攔截難度實(shí)際上超過了速度更高但固定彈道的純彈道導(dǎo)彈。

更長遠(yuǎn)來說，如果再入的導(dǎo)彈裝備了適合超高空和高超聲速飛行的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的話，桑格爾彈道的射程就只受彈載燃料的限制了，這將是真正的全球打擊系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

軍事技術(shù)往往是引導(dǎo)技術(shù)革命的先鋒，桑格爾肯定沒想到，自己遠(yuǎn)程導(dǎo)彈的設(shè)想為幾十年后“嫦娥”探測器的返回方式提供了新的思路。