或许有一天，
我们可以用几个小时
抵达世界上的任何地点。
崔凯· 中国科学院力学研究所研究员
格致论道第116期 | 2024年10月19日 北京
大家好，我是来自中国科学院力学研究所的崔凯。非常高兴能够来到格致论道，今天我要和大家分享与速度相关的故事。
1990年，当时我17岁，独自背着行囊从辽宁老家前往湖北武汉求学。那时乘坐的交通工具就是这种老式列车，也就是大家常说的绿皮车，它的速度比现在的高铁慢很多。我从辽宁去武汉上学得在北京中转，没记错的话，仅北京到武汉这一段路程当时就需要15个小时左右。而且那时火车经常晚点，我最长一次差不多坐了21个小时。下火车时，用现在的话说，整个人感觉都不好了，走路都轻飘飘的。
大学毕业后，我在广东深圳找到了第一份工作，距离家乡更远了。毕业后的第一个春节回家过年时，我毫不犹豫买了一张机票，尽管这张机票花了我一个多月工资，但当我仅用几个小时就从温暖的广东飞到严寒的东北时，我觉得这钱花得值，那也几乎是我人生中第一次感受到速度带来的便利。
后来我来到北京工作，经常要出国参加学术交流或学术访问，飞机基本上是我首选甚至是唯一的交通工具。去临近的日本或韩国还好，要是再远些，比如去欧洲、北美甚至南美，就仍需要十几个小时甚至几十个小时的飞行时间。长时间被封闭在狭小空间里，那种乘坐绿皮车般难受的感觉似乎又回来了。所以那时我就在想，能不能再快一点呢？
我想，包括在座的各位在内，世界上很多人都会和我有同样的想法。比如几十年前，英国 和法国就曾经联合研制了一种新型的快速飞机，它叫协和式飞机，就是图上展示的这种。这种飞机的速度大概是现在普通飞机速度的两倍多，乘坐它从伦敦到纽约，可以把8个小时左右的飞行时间压缩到不到4个小时，给人们的出行带来了极大的便利。
遗憾的是，现在这种协和式飞机已经彻底停飞，我们再也看不到它翱翔在天空了。这是因为它出现了很多问题，比如说油耗问题、噪声问题，而其中很重要的一个问题就是它内部的空间太小。从这张图我们可以看到，一个正常的成年人如果站在飞机舱内中间位置，他的头部几乎就能触碰到舱顶了，更不用说两侧那更为狭小的空间了。
其实，我们对于速度的追求从未停歇。不妨设想一下，如果未来有一天，我们可以用几个小时的时间抵达世界上的任何地点，那将会是一种怎样的感受呢？我相信到那个时候，地球一定会变得更“小”，甚至真正变成一个地球村。而接下来我要讲到的这种新型飞行器，也就是大家口中所谓的“黑科技”——高超声速飞行器。
飞得快和装得多能够兼容吗？
已完成：20%//////////
我先给大家解释一下什么是高超声速飞行器。这个概念是由我们中国科学院力学所的首任所长、同时也是力学所的创始人、更是我国航空航天事业的奠基人钱学森先生首次提出来的，现在已经得到了大家的广泛认可。
高超声速飞行器指的是飞行速度达到或者超过5倍声速，也就是5马赫以上的飞行器。换算下来，它一秒钟的飞行距离可以超过1500米，这可是现在普通飞机速度的6倍以上！
说到这里，我想大 家可能会提出一个疑问：我们真的需要飞得那么快吗？那么快究竟有没有用呢？它能创造经济效益吗？
在2021年，世界上有一家颇有名气的咨询公司叫德勤，它受美国国家航空航天局的委托，开展了广泛且深入的市场调研，形成了一份名为《商业高超声速运输市场研究》的报告，就是图上这个封面展示的报告。
他们通过大规模的调研，最终得出这样一个结论：未来的高超声速运输市场有着非常良好的市场前景，也占据着非常大的市场份额。这类高超声速飞行器除了可以助力我们实现更快捷的旅行以外，还可以在诸多方面发挥核心且重要的作用。比如在打造快速供应链、处理疫情或是其他应急事件、推动未来快速电子商务等应用场景中都大有用处。
从这一点来看，我们可以毫不犹豫地得出结论：我们真的需要更快的速度，而这种快速 会给我们带来更多的便利与价值——我们真的很需要让地球变得更“小”一些。
不过说到这儿，有句话叫“前景是美好的，现实是残酷的”。我们目前其实还面临着很多问题需要解决。
在这个领域里，我们还需要研究或者说研发更优质的新型动力系统。
我们需要研发既能高效承载，同时又能够耐受高温的新型材料和结构系统。
我们还要研发新型的制导和控制系统等。现在我们经常提的一个词是“新质生产力”，那对于高超声速飞行器而言，它无疑是一种未来的空天技术。在研发它的过程中，会带动很多其他学科、其他方向以及其他技术的研究。所以，它毫无疑问是一种新质生产力。而在所有这些问题当中，首要的问题是未来的高超声速飞机可能采用什么样的外形。
在飞行器设计领域，有一句俗语叫“飞行器设计，气动先行”。这是因为对于一架飞机也好，甚至像导弹等飞行器也好，在开始设计的第一步，就必须要确定它的外形。只有外形确定了，我们才能在此基础上开展其他学科的研发、设计以及优化等一系列工作。
所以，当我们面对这样一项新的技术时，要提到的第一个问题就是：高超声速飞机可能会是什么样的外形。这个问题在过去的20年甚至更早的时候，就已经有很多国家开展了相应的研究。
▲左下：美国波音公司设想方案
右上：美国Hermeus公司设想方案
右下：欧洲设想方案
左上：美国金星航天公司的设想方案
这里展示了其中的一部分外形设计，甚至有一部分飞行器已经快要准备真正的飞行试验了。但是，这些外形基本上是继承了我刚才提到的协和式飞机的基本设计理念。可以看到，它的机体相对比较狭小，外形也相对比较扁平。那么这样的设计思路可行吗？
其实类似的路我们在十几年前也走过，就像图上所展示的那样，当时我们也做了大量的数值仿真，它的性能表现也还不错。
但是很快我们就察觉到，如果按照这种思路继续做下去，它的内部空间，也就是容积实际上是非常小的，也许勉强只能装下几个人或者少量的东西。当时我就在想，即便把它做出来了，它可能也只是少数富豪用来炫耀的工具，永远没办法像我们所设想的那样，让普通人能够到处去旅行、到处去看看。
于是，我就萌生了改变它的想法，最开始我想着做优化工作，在它原本的基础上不断地修改外形。大概经过了将近一年时间的工作后我发现，如果把它的形状变得更胖、更鼓一些，另一个重要的指标——升力和阻力的比值，就会大幅度下降，而这个比值和飞行的航程是直接相关的。用一句比较直白的话来讲就是，按照这种思路做下去，如果想装得多，它就飞不远；反过来，要是想飞得远，它就装不了多少东西。
那么接下来我们就得弄明白，为什么会出现这样一个矛盾呢？我用这两张图来做一下比较，图中的A和B是两架飞行器的示意图，很明显，A比B要胖一些，也高一些，所以A的装载自然就会多一些。
下面的两张图展示的是它们头部电脑模拟的结果，图中不同的颜色代表着气流的压力：颜色越偏绿表示压力越高，越偏蓝则表示压力越低。通过对A和B进行比较我们能够发现，在更胖的A的头部上方有一团浓密的绿色气流，也就是高压气流，它会使劲地压着这个飞行器，使得飞行器的升力减小，同时阻力增加，进而导致它们的升力和阻力的比值大幅减小。这就是“飞得远”和“装得多”产生矛盾的主要原因。
所以，已有的飞行器为什么都要做得扁一些呢？就是因为把飞行器做成像B那样，就能让这团气流尽可能少地产生。这团气流就像“垃圾”一样，一直在干扰着我们飞行器性能的发挥。
加一个机翼，把“垃圾”用起来
已完成：50%//////////
这个问题着实困扰了我好长一段时间。后来在2011年，也就是13年前，我突然有了这样一个想法：对于这团像“垃圾”一样的气流，其实有两种处理方式。第一种就是减少这团“垃圾”般的气流，现有的思路便是这样做的，不过它所带来的代价我是难以接受的，因为这样做会导致飞行器的容积损失太多。
既然如此，我们能否换一种思路呢？能不能把这部分气流利用起来呢？于是，我就进行了初步的尝试。这里面涉及的原理我不过多地去阐述了，我只是想告诉大家这样一个结论：最终得到的结果比我们预先设想的还要好。
▲高压捕获翼三维原理图
我在飞行器的上方合理位置增加了一个新的翼面，它就可以捕获原来那团像“垃圾”一样的气流。这样一来，便可以让飞行器的升力效率大幅提高，进而缓解刚才所提到的“飞得远”和“装得多”之间的矛盾。
不过到此为止，这还仅仅只是一个想法罢了。要知道，所有的事情要从想法转变成现实，一定要经历一个漫长且艰辛的过程。
我们这一做就是13年的时间。后来，我们养成了一个习惯，每年会把自己认为比较有纪念意义或者比较有代表性的工作，用一张图画下来，慢慢地就形成了这样一个历程图。
现在回想起来，其实最初的5年是最艰难痛苦的。因为那个时候，当你提出一个新的想法，你听到的周围传来的几乎全都是质疑的声音。好在我们选择了坚持，因为我始终坚信一点，那就是所有的创新性工作一定是在质疑声中成长起来的。
就这样，十几年坚持做下来，我们慢慢地从最开始的理论分析，逐步进展到后来的风洞试验，再到后来的上天试验等等这些环节。
2017年，我们做了一件很重要的事。在3月份的时候，我跟我的研究生以及团队里的年轻人说，我想要把这个指标做到世界顶尖水平。他们当时都认为我简直是疯了，但我却说，我们用一个月的时间试一试吧。
那一个月的时间里，我们的生活就只剩下三件事——讨论、修改、计算。我们的作息完全被打乱了，只有在电脑进行计算的时候我们才可以趁机休息一会儿，只要电脑一停止计算，我们就要接着讨论。
俗话说得好，“苍天不负有心人”，到那个月的月底，我们成功实现了既定的目标。
然后我们写了一篇篇幅不长，仅有三页纸的小文章。但没想到一经发表，有很多媒体还有领域内的专家都对这篇文章表现出了浓厚的兴趣，它的访问量非常大。这些关注对我来讲有着特殊的意义，让我更加坚信未来这种飞行器真正能够飞到天上，而且它可是由我们中国人首先提出来的。
于是，我们开始着手做更多的工作，慢慢地开启了地面试验。要知道，地面试验其实耗费的资金已经不少了，每进行一个试验都得砸进去几十万人民币。这就是其中一些地面试验所用到的模型。
但是，地面试验所能达到的目标毕竟是有限的，毕竟有些情况是地面环境永远无法模拟出来的。
上天验证
已完成：80%//////////
在我们的工作进展到第10个年头的时候。也就是差不多2020年的时候，我们萌生出一个想法——想要到天上去做一次试验。
这是我们所设想的飞行试验的弹道，它看上去就像一个大大的弧线，又像是一把巨大的弯刀，会在天上绕转一圈。
在整个飞行的过程中我们能够采集到一些相关的数据，并且还可以搭载相应的设备，完成一些其他方面的测试工作。
这就是我们整个飞行系统的三维图以及对应的拆解图。它看上去就已经很复杂，但事实上，它远比我们看上去的还要复杂得多。
而且大家也都知道，从2020年开始，因为疫情的关系，我们的工作经常会被迫停滞不前，那真是一个非常痛苦的过程。现在回过头去想想，好在过程虽然很痛苦，但最终结果还是让人挺欣慰、挺快乐的。
2021年的8月31日，经过整整16个月的精心筹备，我们终于在酒泉卫星发射中心把这个试验开展起来了。当看到那枚小小的飞行器飞向天空的那一瞬间，那种心情、那种获得感，还有那种油然而生的成就感，真的是难以言表。
整个飞行过程的持续时间大概不到20分钟，也就十几分钟的样子，但是在这短短的时间里，我们采 集到了大量的试验数据。我们花费了大概2到3年的时间，也才仅仅分析了其中一部分，还有一些数据直到现在还在继续分析处理当中。毕竟这些数据实在是太宝贵了。
值得一提的是，我们几乎实现了整个模型的完整回收。
在发射当天，我想要抒发一下自己内心的感情，写了这首小诗。
圆月弯刀斩秋风，
满天朝霞映袍红。
成城断金砥砺进，
功不唐捐天有情。
这里描绘的是飞行轨迹，以及开展飞行试验的那个季节和美好的环境。在长达16个月的筹备时间， 最多的时候有将近100个人参与进来。我们深知只有大家众志成城，团结一心，才能发挥出巨大的力量，其利断金，也唯有如此，我们才能在这条艰难的道路上砥砺前行。我也想借此表达对国家的感谢，感谢我们身处这样一个好时代，同时也感谢上苍对我们的眷顾。
也给大家展示一些照片，这是我们在基地待的那一个月时间里留下的。虽说条件挺艰苦的，但有时候我们也需要放松一下自己，在忙碌的工作中寻找一些乐趣。
这是一张很早的图，在2017年3月份的时候，我们忙了整整一个月之后，大家想要放松一下。我的研究生们跟我说：“崔老师，我们想要设想一下未来这种飞机可能是什么样子。”我说：“你们尽管去想，我来指导。”随后，我们花费了大概两三个月的时间完成了这样一张图。他们特意把它设计制作得看上去很像“黑科技”的样子。其实，现在我们的最新版本已经跟它大相径庭了。所以我觉得，虽然它在将来大概率不会是飞机真实的样子，但我想这很值得纪念。
在我的故事即将步入尾声的时候，我还要提醒大家，对于这样一种“黑科技”，我们真的还有很多问题需要去直面并解决，像是动力方面的问题、材料方面的问题、结构方面的问题等等。而在这众多的问题之中，我们仅仅只是完成了其中一小部分工作，仅仅迈出了一小步而已。不过，我坚信这些工作对于我们自身而言，将会是意义非凡的一大步。
我们做这些工作，是希望能够飞得更高、更快、更远。正如我刚才所讲的那样，其实这个领域的研究就是我们未来的新质生产力。所以，我们会一直沿着这条路走下去，始终坚守在路上，因为我们的目标一直就是要面向未来的空天前沿技术，助力我们新质生产力不断向前发展。
谢谢大家！
“格致论道”，原称“SELF格致论道”，致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院网络安全与信息化办公室主办，中国科普博览(中国科学院科普云平台)提供技术支持。欢迎关注格致论道官网: self.org.cn，微信公众号: SELFtalks，微博: 格致论道。
本文转载自《格致论道讲坛》微信公众号
《物理》50年精选文章