為什么世界各國的軍隊都想要能在低空沿著不規(guī)則路徑以5倍音速飛行的導彈？原因很明顯——為了避開一切探測或攔截。美國馬里蘭州約翰斯霍普金斯大學應用物理實驗室（APL）的高超音速專家布拉德利?惠頓（Bradley Wheaton）說：“可以把它想象成送披薩，只不過它送的不是披薩而已。

在美國，導彈只要15分鐘就能覆蓋東海岸；一枚真正快速的導彈20分鐘就能到達西海岸。在這樣的速度下，每單位時間所覆蓋的面積系數會增加50。”所以，問題不在于大國為什么都追求高超音速武器，而在于他們?yōu)槭裁船F在追求。原因就在于大國再次陷入軍備競賽。

2018年3月俄羅斯總統(tǒng)普京發(fā)表的演講讓世界廣大地區(qū)的人們第一次聽說了這種武器，演講中描述了俄羅斯的核動力巡航導彈計劃，該導彈能夠以令人目眩的速度在世界各地飛行，然后在山丘和山谷間蜿蜒飛向目標。他大膽的言論（尤其是關于核能的部分）受到了質疑。1年后，俄羅斯北部海岸的一處試驗場附近發(fā)生核事故，造成7人死亡，美國情報官員推測這可能與高超音速試驗有關。

事故的性質現在仍然是個謎，但高超音速方面的研究工作明顯增多。以下綜述了21世紀各超級大國為追求高超音速而做的事，雖然高超音速并不是一個新理念。

顯然，中國和俄羅斯正在使用或正在測試的高超音速導彈可以攜帶瞄準艦船和其他小型軍事目標的常規(guī)彈頭，不過，讓防御者沒有足夠時間發(fā)動報復性打擊的高超音速核導彈將更能改變力量平衡，因為它將摧毀人們辛辛苦苦構建起來的威懾系統(tǒng)，即“相互保證毀滅”，縮寫比較滑稽——“MAD”。

得克薩斯大學圣安東尼奧分校的機械工程教授克里斯托弗?康姆斯（Christopher Combs）說：“核問題是個非常不穩(wěn)定的因素，因此俄國人會追捧它，但在美國方面，我們認為沒有必要這樣做，所以我們追求常規(guī)武器?！?/p>

這確實是美國的官方政策。不過，2020年8月，也就是在康姆斯接受本刊訪問后的幾個月，《航空周刊》（Aviation Week）的一篇文章指出，一個負責核武器的空軍機構向各大公司征詢想法，尋求“能夠支持高超音速滑翔器達到洲際彈道導彈（ICBM）射程的熱防護系統(tǒng)”。不過很快這一征詢被匆匆撤下，美國空軍不得不重申其政策，即不發(fā)展具有核能力的高超音速武器。

如今各國對高超音速研究的探索有著很深的淵源，可以追溯到20世紀50年代末的美國和蘇聯。盡管這項工作持續(xù)了幾十年，但在1994年，也就是冷戰(zhàn)結束蘇聯解體幾年后，美國停止了對高超音速飛行的研究，包括其最后一個也是最大的項目——羅克韋爾X-30（Rockwell X-30）。綽號“東方快車”的X-30本來是一個載人運輸工具，最高時速是音速的25倍，達到25馬赫，足以從華盛頓特區(qū)起飛2小時后降落在東京。20世紀90年代，俄羅斯經濟一蹶不振，也停止了這方面的研究。

莫斯科物理技術學院教授、邊界層高超音速流專家亞歷山大?費德洛夫（Alexander Fedorov）解釋說，今天的試驗飛行器只是在前人停下的地方繼續(xù)前進。他說：“現在飛行的飛行器只是技術展示，其科學已有30年歷史了?！?/p>

費德洛夫曾在美國講學；他甚至指導過美國研究生的研究。他對軍備競賽扼殺了國際合作感到遺憾，并表示他本人對普京兩年前鼓吹的軍事項目“一無所知”?！暗抑廊藗冋趶氖逻@方面的工作。”他補充道。

費德洛夫說，在新的競賽中，俄羅斯有經驗但沒有多少資金，中國有資金卻沒有太多經驗，而美國兩者都有。盡管美國恢復研究的時間比俄羅斯和中國都晚，但現在正在迎頭趕上。2021財年，美國研究機構為所有高超音速武器研究編列了32億美元的預算，高于前一年的26億美元。

印度和澳大利亞也在開展其他項目；甚至以色列和伊朗也作為旁觀者參加了這場競賽。費德洛夫認為中國值得關注。他說，中國過去常在國際會議上發(fā)言，但現在大多數時候只是在聽，所以我們會猜測中國是不是真的開始研究新想法了，而且他重申，中國展示出來的想法很少很少。所有競賽國展示的飛行器都“非常保守”，他說。

激進設計稀有的一個原因是研究開支巨大。工程師們只能通過在地面上進行測試、使用計算流體流動模型和高超音速風洞來學習到這些東西，而這些的成本都是非常高的（并且只能模擬高超音速飛行的一些有限的方面）。工程師們需要讓自己發(fā)明的飛行器試飛，而且通常試飛的時候，他們會用盡測試飛行器。這使得設計迭代非常昂貴。

高超音速原型機經常失敗，這不足為奇。僅僅在超音速飛行中，超過1馬赫很容易分辨：飛機超過它傳給空氣的聲波，產生一個沖擊波，形成我們熟悉的兩拍音爆。不過，當飛行器超過5馬赫時，沖擊波后面的空氣密度就會降低，從而使沖擊波在飛行器表面聚集。這一有別于傳統(tǒng)的邊界層不會產生空氣動力學問題，當它光滑平穩(wěn)時甚至可能是一個優(yōu)勢，但它會在一瞬間變成洶涌的湍流。

“很難預測它何時會變成湍流?！奔s翰斯?霍普金斯APL的惠頓說，“預測這一點很重要，因為當它變得洶涌時，溫度會升高，會影響控制面如何控制方向。此外，還有更多阻力。”

高超音速飛行的先驅們以慘痛的方式認識了湍流。在1967年的一次飛行中，美國空軍X-15高超音速試驗飛機發(fā)生旋轉，飛行員邁克爾?J.亞當斯（Michael J. Adams）喪生。他確實是真正的“太空英雄”。

高超音速導彈有兩種類型。第一種是用彈道導彈的尖端發(fā)射到太空，沖入大氣層，然后利用動量進行機動飛行。這種“助推滑翔”導彈沒有噴氣發(fā)動機，所以不需要進氣口，因此其造型很容易實現對稱，它通常是一個帶有錐形尖端的管狀物。導彈外皮的每一部分都同等程度地暴露在空氣中，在這種速度下，空氣會分解成等離子體羽流，就像使宇航員在重返大氣層時保持無線電靜默的羽流一樣。

助推滑翔導彈現在已在使用中。中國似乎部署了第一款這種導彈——東風-17，它是一種攜帶滑翔飛行器的彈道導彈。據說其中一些滑翔導彈能夠擊潰美國海軍的超級航母。在這樣的任務中，它不需要攜帶核彈頭，甚至不需要攜帶常規(guī)彈頭，而是依靠其巨大的動能來摧毀目標?，F在任何一個國家都無法抵御它。

美軍參謀長聯席會議主席馬克?米利（Mark Milley）將軍今年2020月在國會作證時說：“這些事情發(fā)展得太快了，你永遠追不上?！?/p>

你可能會覺得從彈道開始就沒了驚喜，但事實并不完全如此。一旦高超音速導彈從俯沖變?yōu)樗斤w行，它就對稀疏排列的雷達隱形了，特別是太平洋上零星的雷達。平坦的飛行路線可以使其發(fā)生很大轉向。這并不是任何人工智能管理產生的魔術——飛行器只是遵循預先編程的一套隨機轉彎規(guī)則，但這對防御者的影響是一樣的：他們還沒找到錢包，披薩就已經送到了。

第二種高超音速導彈的主要動力來自噴氣發(fā)動機，它能夠非?？焖俚匚肟諝?，將空氣與燃料一起旋轉，在燃燒室停留的瞬間燃燒混合物，然后將其作為廢氣噴出去。因為這些發(fā)動機不需要壓縮機，而只是利用向前運動的力量將空氣壓入內部，而且燃燒是以超音速進行的，所以它們被稱為“超音速燃燒沖壓發(fā)動機”，簡稱“超燃沖壓發(fā)動機”（scramjet）。

與助推滑翔導彈相比，超燃沖壓發(fā)動機的一個優(yōu)勢是它能夠保持在雷達視線外，同時繼續(xù)進行遠距離機動，直到到達目標。此外，由于它從不進入外太空，所以不需要乘坐火箭助推器，不過它需要一些強大的助力才能先達到沖壓噴氣發(fā)動機的工作速度，然后達到超燃沖壓發(fā)動機的工作速度。

超燃沖壓發(fā)動機的另一個優(yōu)勢在于，它原則上可以用于民用目的，運送必須迅速到達的人員或包裹。歐洲有這樣一個項目，中國也有，而且波音公司已經展示了一款概念機。每個人都在談論這種可能性，因為坦率地說，這是有關高超音速飛行技術唯一的和平話題。不過，別忘了，很久以前發(fā)生的那次超音速商業(yè)飛行沒賺到錢就結束了，而且，超音速飛行容易得多。

超燃沖壓發(fā)動機有一個很大的缺點：技術難度很大。任何高超音速飛行器都必須抵擋外部快速移動的空氣，空氣會將前緣加熱到3 000攝氏度。這種高溫和壓力與超燃沖壓發(fā)動機內的“地獄之火”完全不同。在內部，熱量無法散發(fā)，很難讓火焰保持燃燒狀態(tài)，內部會逐漸熄滅，從而影響氣流和穩(wěn)定性。對它來說，五分鐘已經是很長的時間了。

正是因為如此，超燃沖壓發(fā)動機雖然誕生于20世紀50年代，但相關技術仍在研究中。21世紀初，美國國家航空航天局（NASA）的X-43在飛行中使用了大約10秒的超燃沖壓發(fā)動機。2013年，波音公司的X-51乘波體（Waverider）在超燃沖壓發(fā)動機動力下以高超音速飛行了210秒。

地面測試則取得了較好的進展。據《南華早報》報道，2020年5月，中國科學院的工作人員操作超燃沖壓發(fā)動機運行了10分鐘。兩年前，該項目的負責人范學軍告訴《南華早報》，他們正在建造一家工廠，目的是生產各種各樣的超燃沖壓發(fā)動機，其中一些據說是民用發(fā)動機。發(fā)動機將采用聯合循環(huán)方式，還有一臺用于起飛的渦輪噴氣發(fā)動機、一臺用于加速到接近高超音速的沖壓噴氣發(fā)動機、一臺速度超過5馬赫的超燃沖壓發(fā)動機，甚至可能還有補充推力的火箭。這需要很多活動部件，其雄心可與埃隆?馬斯克媲美。不過，即便是馬斯克也可能對普京提出的利用核反應堆生產能源的提議猶豫不決。

開發(fā)超燃沖壓發(fā)動機的成本只是經濟挑戰(zhàn)的一部分。另一項挑戰(zhàn)是降低發(fā)動機價格，使其便宜到可以按常規(guī)方式部署和使用。要做到這一點，我們需要可以依賴的燃料。早期的研究人員研究了一類在接觸空氣時會發(fā)生反應的高能燃料，比如三乙基鋁。

約翰斯霍普金斯大學應用物理實驗室的大衛(wèi)?范?維（David Van Wie）解釋了為什么沒有認真考慮三乙基鋁：“這是一種非常棒的超燃沖壓發(fā)動機燃料，但其毒性非常強，有點像現在火箭中使用的聯氨燃料，這成為了一個阻礙因素?！?/p>

此外還有液氫，它非?；顫?，但需要復雜的冷卻。更糟糕的是，在給定體積內，它壓縮的能量相當少，而且作為低溫燃料，它不便于儲存和運輸。液氫一直被用于試驗性導彈，如X-43。

如今，實際導彈中采用的是碳氫化合物，它與噴氣燃料屬于同類，但更加昂貴。與世界上其他國家一樣，中國燃燒了10分鐘的超燃沖壓發(fā)動機采用的也是碳氫化合物。其中的問題在于，如何快速分解碳氫化合物的長分子鏈，以便分子在物質相遇并結合時，在分解的瞬間與氧氣結合，然而，僅僅一瞬間是不夠的，我們需要不斷這樣做，維持一個又一個的瞬間，正如人們常引用的2004年NASA發(fā)言人加里?克里奇（Gary Creech）說的那句話：“就像讓一根火柴在颶風中保持不滅一樣?！?/p>

超燃沖壓發(fā)動機的設計是想通過塑造流入的幾何結構來產生渦流，從而保護火焰，形成一個類似颶風眼的無風區(qū)。導彈開始飛行，擾亂氣流時，燃燒中斷是個特別令人擔憂的問題?！斑@是一種‘未啟動’現象，進氣口處的沖擊波會使發(fā)動機停止運轉，飛行器就會失去動力?！眻D拉荷馬田納西大學太空研究所的研究員約翰?D.史密瑟（John D. Schmisseur）說。這是只有在實際飛行中才會遇到的麻煩，他補充道。

吸入龍卷風時，除了熄火之外還有其他問題。一位要求匿名的專家這樣說：“如果你吸入的是空氣，那它就不再是空氣了；而是電離空氣的復雜混合物?，F在沒有水了，全是氫和氧，并且氮是部分元素，而不是分子。所以燃燒不是空氣和燃料產生的，而是你吸入的任何東西，無論它是什么，也就是說進氣口的化學物質才重要?！?/p>

化學反應模擬是高超音速風洞試驗易出問題的地方。機翼對5馬赫的空氣動力學反應很容易看出來，只需冷卻空氣，音速就會下降，給定的空速會帶來更高的馬赫數。不過吹冷空氣只是問題的一小部分，因為它阻止了你想研究的所有化學反應。誠然，我們也可以以快速、高溫和密集的方式運行風洞（用專門術語來說，就是“高焓”風洞），但是很難讓漩渦持續(xù)超過幾毫秒。

“獲得足夠快的空速以啟動化學反應，而反應會消耗能量。”同樣在田納西大學太空研究所工作的航空航天專家馬克?格拉斯頓（Mark Gragston）說。使用這樣的怪物機器也不容易?！霸谖覍γ娴陌⒅Z德空軍基地，空軍在做高焓風洞實驗?！彼f，“這些風洞提前3年就訂滿了。”

其他國家有更多必要的風洞，甚至印度也有十幾個?，F在，美國正在花費大量資金建造這些機器以趕上俄羅斯和中國?？梢哉f，現在存在風洞缺口，這也是美國研究人員熱衷于試飛的另一個原因。

另一件有關冷卻空氣的事是：它對任何內燃機都有奇效，包括推動活塞的內燃機。英國阿賓頓的反應引擎公司（Reaction Engines）似乎是第一家嘗試在飛行中應用這種現象的企業(yè)，該公司使用了一種特殊的預冷裝置。在其不那么雄心勃勃的計劃中，預冷器位于標準渦輪噴氣發(fā)動機的進氣口前面，提高了功率和效率。在其更具雄心的概念機（協同吸氣式火箭發(fā)動機，SABRE）中，發(fā)動機以聯合模式工作：它作為渦輪噴氣發(fā)動機在預冷器的輔助下起飛并加速，直到沖壓噴氣發(fā)動機可以啟動，從而增加足夠的推力達到（但不超過）5馬赫。接下來，隨著飛行器爬升，大氣層變薄，發(fā)動機切換到純火箭模式，最終將有效載荷送入軌道。

原則上，預冷器可以在超燃沖壓發(fā)動機中工作，但如果有人在嘗試，他們就不會談論這個問題了。

5年后，多個國家將毫無疑問地部署“助推滑翔”導彈。再往后推15到20年，世界上的超級大國將擁有超燃沖壓發(fā)動機導彈。

那又怎樣？這些東西不還是排在彈道導彈之后嗎？防御方不也會有發(fā)言權，推出超高速反導彈和巴克?羅杰斯式的定向能武器嗎？

也許不是。防御方的工作總是比較困難。正如美國前總統(tǒng)肯尼迪在1962年的一次采訪中所說的，談到反彈道導彈防御時，我們所要做的就是用一顆子彈射中另一顆子彈。他還說，你要擊落的不是一顆，而是許多顆，包括誘餌的保鏢裝置。

今天確實有反導防御系統(tǒng)可以保護特定目標不受彈道導彈的攻擊，至少保護其不在大規(guī)模開火的情況下被擊中，但你守衛(wèi)不了一切，因此大國仍然靠相互保證毀滅原則來進行威懾。按照這個邏輯，如果你能很快發(fā)現巡航導彈，你至少能讓發(fā)射導彈的人后悔發(fā)射。

要做到這一點，我們需要在空中部署更好的監(jiān)測。2019年美國《航空周刊》報道，美國軍方希望拿到約1億美元的資金，用于低軌道空間傳感器研究，以探測低空飛行的高超音速導彈。

高超音速飛行的最新進展幾乎沒有一項來自新的科學發(fā)現；幾乎所有的進展都源于政治意愿的變化。挑戰(zhàn)國際現狀的大國已經找到了資源和意愿來形成對自己有利的軍備競賽。受益于現狀的大國（尤其是美國）則以同樣的方法做出了回應。政客們扣響了發(fā)令槍，技術人員們正奮力向前邁進。

意義何在？沒有意義。這是一場軍備競賽。