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中国科学院力学研究所研究员崔凯在第28期inSite中解读高超音速飞行器之美。以下为崔凯演讲实录：（根据演讲整理，根据原意进行删节，完整版请到现场解读视频栏目观看）

大家好，非常感谢inSite平台。我是中国科学院力学研究所的崔凯。我今天演讲的题目是：高超音速飞行器的出现。

什么是高超音速？交通运输的发展始终伴随着人类文明的发展。追求速度是我们的首要目标。在这个目标的推动下，人们从马车、汽车时代发展到了现在的高铁、飞机时代。目前，最快的交通工具是飞机，其速度大概在每小时900公里以上。

从北京飞往纽约大约需要13个小时。这个时间其实并不长，但是长途跋涉后我们会感到很累。我想很多人在飞行时都会有这样的想法，我们能飞得更快吗？如果是这样，我们能飞多快？为了回答这两个问题，我想先介绍一个概念，这也是今天演讲的主题之一，高超音速。

（来源：Pixabay）

衡量飞机飞行速度有一个特殊的标准，那就是音速，我们称之为马赫数。马赫这个词是为了纪念奥地利科学家马赫而命名的。马赫数代表音速的一倍。如果按照马赫数来衡量，现有飞机的速度大概在0.8到0.9马赫之间。我们称之为跨度。音速飞行对应的真实速度约为每小时900公里。

高超音速的概念是我国非常著名的科学家、我所首任所长钱学森在1946年提出的。高超音速是指达到或超过五倍音速的飞行。我们可以想象，如果乘坐这样的飞机，以5马赫的速度飞行，从北京到纽约只需要两到三个小时，出行时间将会得到很大的压缩。

我想很多人都会问这个问题，高超音速飞行器应该是什么样子？它会与我们现有的飞机相似吗？这是我近十年来的主要研究领域。我先介绍一下我们近十年来所做的一项工作。

图片| 《科学中国》封面（来源：《科学中国》）

2018年，我和我的研究生将这篇文章作为封面发表在《科学中国》杂志上。这篇文章很短，不到三页，但发表后却受到了学术界和媒体的广泛关注。多多关注。除我国外，包括美国、英国、欧洲、澳大利亚、俄罗斯等，近百家媒体对此进行了报道和转载。

有一个反映社交分享的AM指数。我们的索引已达到212，目前在该杂志历史上所有文章中排名第二。这本杂志隶属于德国最著名的出版商Sprint。发表后，根据他们的统计，这篇文章2018年全年下载量超过6400次，在其物理领域所有期刊的所有文章中排名第一，从这个分布可以看出，超过75%的下载量来自于中国以外50个国家和地区。

图|部分下载地址来源（来源：科学中国）

为什么这篇文章会受到大家的关注呢？因为在这篇文章中我们提出了未来高超音速飞行器的新设计方案。虽然只是一个概念规划，但很快就引起了很多关注。我想我今天的演讲主要是围绕这个问题展开的。我们先从一个话题开始吧。

一架“好看”的飞机应该具备哪些特点？在演讲的标题中，我用了“颜值”这样一个比较流行的网络术语，因为飞机和人有很强的可比性。比如，飞机的发动机相当于我们的心脏，飞机的结构系统相当于我们的骨骼，飞机燃料相当于我们的血液。当然，飞机的外观就相当于人的外观。

对于一架飞机来说，它的外观主要体现在它的性能上。首先我想用一个简单的受力分析来看看什么是好看的飞机。

无论一架飞机多么复杂，飞得多高或多快，它在空中只受到四种基本力。首先，必须有重力。为了平衡这种重力，防止飞机坠落，空气会为其产生气动升力。在产生升力的同时，也会产生阻碍飞行的阻力。为了克服这种阻力，发动机就会提供推力，使飞机能够在空中平衡飞行。

有了这样的基本概念之后，你会发现整个飞机的升力和阻力是和它的形状有直接关系的。可见飞机的形状在设计中占有多么重要的地位。基于这样的基本受力分析，一架好看的飞机应该具备哪些基本特征呢？

首先，飞机的用途是远距离载人或货物，因此必须保证一定的载重量，即高的运量。载人载货后，其重量会大大增加。为了平衡自身重量，它必须有很高的升力。力量；另外，我们也希望阻力小一些，这样我们就能飞得更快，使用更多的燃料；在空气动力学中，经常使用升阻比的值，即气动升力与阻力的比值。飞机的升阻比越大。就飞得更远吧所以，一架高颜值的飞机都会具备三个高的特点：高体积、高升力、高升阻比。

飞机越薄，飞得越快？我想简单回顾一下整个飞机发展的历史，看看飞机的外观是如何通过“改头换面”一步步改进的。

图片|莱特兄弟的第一架飞机（来源：Pixabay）

1903年，美国莱特兄弟发明了世界上第一架飞机。当时，现代空气动力学理论尚未完全建立，因此他们的设计往往偏向于直观概念，但他们也认识到飞机的重要性。升力主要由机翼产生。机翼越长、面积越大，升力就越大。然而，如果机翼做得太长，它就会弯曲甚至折断。因此，他们有一个巧妙的方法，将有限长度的机翼分成很多层，既可以保证强度，又可以大大增加升力。

图| An-2 双翼飞机（来源：Pixabay）

实际历史上，大多数时候都出现过六层甚至七层机翼，双翼飞机仍然偶尔可见。它们的生命力非常顽强，从早期到现在已经有一百多年的历史了。

比如前苏联的安2飞机，已经生产了40多年的历史。由于机翼面积较大，这种飞机在低速飞行时升力非常大，因此所需的跑道长度也比较长。体积小，An-2飞机只需要180米左右的跑道长度即可起飞和降落，但它也有一个问题。一旦速度提高，这种双层机翼就会带来气动阻力的显着增加，因此不再适合更快的速度。高空飞行。

20世纪30年代，单翼飞机开始慢慢取代早期的双翼飞机，至今在飞机外观上仍是主流设计。

自1970年代以来，以波音707为代表，一直到目前的空客380，包括波音787等，飞行速度几乎没有提高，基本保持在0.8至0.9马赫之间，但载重量却大幅增加。改进，因为空气动力学家花费了大量的精力来优化机翼的形状，并使用更轻的材料来生产具有更大升力和更低阻力的机翼。与40年前相比，现在它的负载能力要高得多。大概可以提高四到五倍。

尽管这种飞行器已经非常成熟，但人们却从未放弃过对速度的追求。自20世纪50年代以来，人们开始探索超音速飞行。受限于当时的发动机条件，当时的超音速飞行一般定位在两到三倍音速之间。

1975年，英法合作推出了协和式飞机，前苏联也推出了Tu-144飞机。这两架飞机现在都已经退役了，但是我们可以从它的整个外观来推断出当时的情况。

图| Tu-144 飞机（来源：Pixabay）

一旦飞机开始超音速飞行，超音速气流作用在飞机上时就会出现一种比较独特的气动现象，称为冲击波。冲击波的出现会导致飞机的阻力突然大幅增加。为了应对这种情况，必须改变形状以减少冲击波的阻力。因此，超音速飞机的外形与当今常见的跨音速飞机有很大不同。

超音速飞机通常具有细长的机身、尖头和大后掠角三角翼。这种外形设计非常适合超音速飞行，但在低速时，尤其是低速飞行时，其性能会较差。起飞和着陆期间。

为了弥补这个问题，当时人们所做的就是在起飞和降落时尽可能增大发动机的推力，用部分推力来克服起飞和降落时升力的不足。但这样的话，首先会导致油耗和成本。噪音的增加也导致起飞和降落时的噪音明显增加。事实上，这是协和式飞机解体的一个主要因素。

扁平化机身的设计是无奈之举。近几年来十几年，随着发动机技术的飞速进步，高超音速飞行器也慢慢开始走进人们的视野。这是波音公司去年在2018年提出的高超音速飞机的照片外观。

图|波音公司的高超音速飞机（来源：波音公司）

这是美国赫尔墨斯公司今年5月推出的高超音速飞行器的外观。也许未来实际飞行的飞机会与它们有所不同，但我们可以从中学习到它们的一些设计理念。

图|美国赫尔墨斯公司的高超音速飞行器（来源：赫尔墨斯公司）

可以看出，它们的外观与今天的超音速飞机没有太大区别。它们都采用了修长的机身、比较扁平的机身和比较大的后掠翼形状。这种方法可以在一定程度上保证。它具有更好的空气动力学性能，但必须牺牲大量体积要求。为了应对这个问题，这两架飞机实际上被定位为高端公务机，搭载大约十到二十名乘客。也许只有互联网巨头和石油大亨才能买得起，但我们普通人买不起。

那么为什么飞机一定要做成扁平的呢？

在高超声速平衡状态下，我利用计算机模拟得到了飞机周围气流压力分布图以及飞机表面压力分布的计算结果。图中越红的部分表示压力越高，越蓝的部分表示压力越低。我们可以简单地将飞机分为上表面和下表面，看看升力是如何产生的。

图|飞机表面压力分布仿真图（来源：崔凯）

飞行时，飞机下表面与气流之间存在一定角度。这个角度称为压缩角。在这个角度下，作用在下表面的高压气流将对飞行器产生向上的压力，从而产生升力的主要分量。上表面分为三个部分。它的整个压缩角从头部开始慢慢减小。很明显，当压缩角大时，压力就高，这个压力又垂直向下作用在飞机上。这时，飞机的部分升力就会被抵消。随着后面的压缩角不断减小，颜色变得越来越深、越来越蓝，它的升力就会越来越大。

可以看到，背面的两个压缩角向下折叠后，其体积会被大大牺牲。为了获得更好的空气动力性能，必须将其制成更扁平的形状。因此，从这张图中可以清楚地看出，升力、阻力和体积之间存在着非常强烈的矛盾关系。如今，将高超音速飞行器设计成相对扁平的外形，某种程度上是一种无奈的选择。

高压捕获翼能够使机翼升力效率提高数倍的问题，其实困扰了我很长时间。我一直在思考是否有可能通过一种跳出现有设计理念的新模式来改进它。幸运的是，几年后它可能会得到改善。我以前发现过这样的想法，我称之为高压捕获翼。

图|高压捕获翼原理（来源：崔凯）

这两张图也是电脑模拟效果图。当上表面凸起时，上方就会产生高压气流。如果加上一个薄翼，我称之为高压捕获翼。这部分高压气流可以被捕获以产生一些额外的升力。因为它的作用是捕获上表面的高压部分，所以我称其为高压捕获翼。

在过去的几年里，通过大量的理论分析，包括计算机模拟，我们已经证明，使用这种高压捕获翼可以比现有的常规机翼提高数倍甚至十几倍的升力效率。因此，在过去的一段时间里，我们一直在为之努力。前期工作主要是计算机数值模拟。 2016年，我们决定进行原理风洞试验，并用模型验证高压捕获翼的设计原理和设计方法。

本次实验在亚洲最大的风洞群——中国空气动力研究发展中心绵阳一米直径高超音速风洞中进行。实验方法是将模型固定在风洞中，然后用高速气流吹过它，利用模型与气流之间的相对运动来模拟飞机的实际飞行。

在气流经过的这几十秒的时间里，我们可以测量它在不同姿态下的升力和阻力，也可以利用高科技的流场显示设备来观察气流是如何在飞机中流动的。

这是俯仰姿态下流场显示装置给出的气流的实际流动结构。以上是我们通过计算机模拟得到的结果。我们可以看到他们的意见非常一致。正是这种原理实验让我们非常有信心地知道它的原理是有效的。

这是一个逐渐演变的过程。接下来的几年，我们从这样一个圆锥体开始，慢慢的加了一个翼，然后把翼做得更大，然后优化，最后形成了文章中的一个形状，也进行了吹气实验2017年。

根据我们目前找到的文献结果，在这么大体积的情况下，现有的升力和升阻比还没有可以超过它的，我们的指标远远领先于现有配置的指标，或者说在某种程度上，我们已经成为了世界上最好的，当然还要继续努力。

基于此，我带着我的研究生想象了未来的高超音速飞行器可能是什么样子，所以我们做了这样一个渲染图。

图|高超音速飞机效果图（来源：崔凯）

也许未来的高超音速飞行器会是这个样子，也许不会是这个样子，但我们毕竟在努力。我非常希望未来的高超音速飞行器是这样的，因为这是中国人自己提出的全新设计。计划，但即使没有，也没关系，因为重要的是我们为之努力过，因为我们一直相信高超音速飞行会让我们飞得更快、更高、更远。谢谢大家！ -完-现场解读是DeepTech推出的针对青年科学家的剧场式演讲栏目。内容聚焦“硬核”科学的实际应用价值，追求从“科学”到“技术”再到“产业”的实现过程。自开播以来，已邀请超过40位青年科学家共同探讨各类热点话题，节目在多个视频平台获得了数百万次观看。未来一段时间，我们将定期分享现场解读科学家的演讲，共同为新知识发声，创造未来洞察。在新浪微博、今日头条、抖音、爱奇艺、优酷、腾讯视频、哔哩哔哩和一点资讯上找到@interpretationinSite，并保持好奇心，与我们一起探索世界