摘要：九三阅兵大家都看了吧？9月3日上午，纪念中国人民抗日战争暨世界反法西斯战争胜利80周年大会在北京隆重举行，我身边的所有人都在讨论这次展出的各种“酷炫”的武器装备，直呼“军迷变军盲”！这次最受外界瞩目的装备当属首次亮相的DF-61洲际弹道导弹，据传其末端最大速度

九三阅兵大家都看了吧？9月3日上午，纪念中国人民抗日战争暨世界反法西斯战争胜利80周年大会在北京隆重举行，我身边的所有人都在讨论这次展出的各种“酷炫”的武器装备，直呼“军迷变军盲”！这次最受外界瞩目的装备当属首次亮相的DF-61洲际弹道导弹，据传其末端最大速度可以达到马赫25（注:传说奥特曼的飞行速度仅为马赫10），还有此前已经亮相过的DF-17高超声速导弹，高超飞行的能力让世界现存反导系统难以拦截，妥妥的“国之重器”！

图1 “DF-61”洲际弹道导弹和“DF-17”高超声速导弹

然而你可知道，飞行速度这么快的代价是什么？当人类驾驶有史以来最快飞机X-15试图冲刺马赫5以上的飞行速度，机腹结构被“某种力量”撕裂变形；当DF-61洲际弹道导弹以马赫20以上的末段速度冲向任务地点，弹头温度足以让金属软化；当“嫦娥飞船”返回舱以马赫30的速度穿越大气层返回地面，表面涂层烧蚀殆尽。究竟是什么让这些航天器和飞机在看不见的空气中遭遇“烧伤”甚至解体？你可能会以为，是摩擦。其实不然。真正的罪魁祸首，是一种隐藏在空气中的“隐形墙”——激波。

图2 “嫦娥六号”返回舱表面遭受严重烧蚀

图3 超声速风洞中拍摄到钝头体前面出现的“弓形激波”

什么是激波？

设想你正划着小船逆水前行，船头不断堆积水波，最终汇聚成一道浪墙。飞机在空中飞行也一样：当飞行速度接近甚至超过声音传播速度时，机体前方的空气来不及躲避，被压缩成一堵看不见的“空气墙”——这就是激波。美国宇航局通过现代摄影手段捕获到了两架超声速飞机飞行时产生的激波（颜色为后期添加），是不是很像湖中快艇产生的水波？

图4 NASA拍摄的两架超声速飞机产生的激波

它不是普通的风，也不是简单的压强波，而是一种“剧变现象”：在极薄的空间内，空气的压力、温度和密度突然跃升。前一刻空气还平静如水，下一刻便被压缩成灼热的高温高压气体。飞行马赫数越高，波后气体的温度、压强就越高（相关空气动力学原理图 5所示）。这股能量巨大得令人胆寒：它可以瞬间把金属烧红，甚至摧毁机体结构。难怪当航天器再入大气层时，必须披上一层厚厚的防热瓷砖。

图5 激波前后空气性质变化的示意图

激波为何如此可怕？

因为它“来得快，力道猛，范围广”。当飞行器以超音速飞行，激波就像紧贴机身的“烈焰刀锋”，速度越快，激波的破坏力越大，所到之处压强剧变、热量剧增。一旦处理不当，轻则表面炭化剥落，重则结构断裂、飞行器解体。

图 6为人类有史以来驾驶过的最快飞机X-15A-2，在1967年以马赫6.7的速度飞行时，由于加装的外部油箱改变了流场分布，使激波打到了垂尾上，致使局部热量陡增，最终导致结构严重烧蚀、飞机全面返厂翻修。激波的存在，对飞行器设计者来说，既是拦路虎，也是照妖镜——一切结构薄弱、布局不当之处，在它面前都无所遁形。

图6 X-15A-2飞机结构曾多次被激波破坏

人类如何对抗激波？

面对这道“看不见的墙”，工程师展开了一场场隐形的博弈。为了抵抗高温，他们研制了耐烧蚀材料、隔热涂层，将高速飞行器头部进行钝化处理；为了减小激波阻力，他们发明了减阻杆、逆向射流等技术将激波推离飞行器表面。他们反复优化翼型、强化结构，还在地面搭建了高超声速风洞复现激波，在风洞中“先见未来”，让激波为我所知。

图7 部分弹道导弹头部存在的减阻杆

图8 中国科学院力学研究所JF12高超声速风洞原理示意图[1]

但激波只是危险吗？这恰恰是故事的反转。

利用激波：从敌人到盟友

既然激波可以集中能量，那为何不用它“加个力”？1959年，英国学者Nonweiler[2]首次提出了“乘波体”概念，最常见的乘波体外形如图 9所示。通过特定的设计方法，飞行器能够“骑”在激波上飞行，巧妙利用了激波产生的高压气体增加升力，拉开了人类对激波开发利用的大幕。但此类构型往往极为扁平，内部较小的容积使工程应用非常困难。

图9 最常见的乘波体原理示意图

难道大升力和大容积注定无法同时满足？针对这一严峻的挑战，中国科学院力学研究所提出了高压捕获翼新型高超声速气动布局形式[3]，通过巧妙的大容积机体设计将激波引导至“捕获翼”下方，机体激波在捕获翼下方反射后产生的高压气体就能为飞行器所用，从而大幅提升飞行器的升力。经过风洞试验考核[4]，该构型在高超声速空气动力学性能方面的领先地位已经得到充分验证，未来或将在工程实践中取得更大突破。这些设计的核心理念正是“变废为宝”：让原本有害的激波，成为我们驯服高超声速世界的利器。

图10 高压捕获翼构型原理示意图[5]

图11 高压捕获翼构型风洞试验模型与纹影图[4]

尾声

激波，是人类在穿越音障、高速飞行中必须面对的空气“野兽”。但正是因为它强大、危险、难以驯服，我们才从恐惧中学会尊重，从失败中学会创造。从最初的烧蚀与解体，到后来的乘波飞行与高压增升，激波的故事，是一段从毁灭走向掌控的科学传奇。

就像驯龙一样，激波曾令我们惊惧，但也终将成为我们的翅膀。

参考文献

[1] 姜宗林. 高超声速高焓风洞试验技术研究进展[J]. 空气动力学学报, 2019, 37(3): 347-355

[2] NONWEILER T R F.Aerodynamic problems of manned space vehicles[J].Journal of the Royal Aeronautical Society,1959, 63(585):521-528.

[3] CUI K,LI G L,XIAO Y,et al.High-pressure capturing wing configurations[J].AIAA Journal,2017,55(6):1909-1919.

[4] LI G L,CUI K,XU Y Z,et al.Experimental investigation of a hypersonic I-shaped configuration with a waverider compression surface[J].Science China Physics, Mechanics& Astronomy, 2020,63(5):254721.

[5] 常思源,肖尧,李广利,等.翼反角对高压捕获翼构型高超气动特性的影响[J].航空学报,2023,44(08):127349.

来源：渝鲜生大事