未来高技术战争对空气动力学创新发展的需求

编者说明：在2003年中国空气动力学学会召开的空气动力学前沿研究研讨会上，庄逢甘院士和黄志澄研究员联合发表了《未来高技术战争对空气动力学创新发展的需求》的报告。这份报告虽然已经发表18年了，但今天读来仍有许多参考价值。由于它是会议报告其读者较少，为此我们特转载这篇报告供读者参考。

摘要：本文首先分析了未来高技术战争的主要特征，说明了以信息技术为代表的科学技术的飞速发展，正在推动未来的战争，产生深刻的变革。这种变革给空气动力学的创新发展，既提出了严峻的挑战，又提供了新的机遇。为此，空气动力学要进一步揭示各种速度范围、各种尺度范围和各种状态下的新的空气动力学规律，提供创新的气动布局、创新的发动机和创新的一体化概念。最后，本文提出应该集中各方面的力量，在认真总结国内外经验教训的基础上，大力进行学科创新、体制创新和管理创新，研究和提出结合国情的发展战略，并根据我国的条件，将模拟和仿真、地面试验和飞行试验等三种手段融合起来。

关键词：高技术战争，空气动力学，信息技术

1900年8月，Wilbur Wright建造了他的第一个滑翔机。在这之后，他和他的兄弟Orville一起让这架滑翔机飞了起来。两年之后，!903年12 月17 日，在经过风洞试验和装上动力装置之后，实现了人类第一次动力飞行。21世纪初，人类又开始去实现人类探索太阳系的另一个梦想.。回眸百年，作为航空航天飞的主要技术基础之一的空气动力学，为航空航天的飞速发展，做出了杰出的贡献，创造了百年辉煌。美国著名的未来学家托夫勒在他和他夫人合著的《战争与反战争》一书中写道：“一个国家创造财富的手段就是它制造战争的手段。”在这百年之中，武器的需求，一直是推动空气动力学不断发展的一个主要动力。当前，以信息技术为代表的科学技术的飞速发展，正在推动未来的战争，产生深刻的变革。这种变革给空空气动力学的创新发展，既提出了严峻的挑战，又提供了新的机遇。

以微电子技术、计算机技术、人工智能技术、通信技术为基础的信息技术，正在广泛运用于军事领域。自海湾战争以来，涌现出一种新的战争模式－信息化战争。我国著名科学家钱学森对未来战争形式的描述为：“现阶段和即将到来的21世纪的战争形式为核威慑下的信息化战争(Information Based War)。”计算机是信息时代的一个标志；信息时代另一个重要的标志是网络。只有在现代的网络中，信息才具有全球到达、光速传播、多方共享、用之不竭和非线性效应等特性，才能操纵和控制战争中的物质和能量，从而大大提高作战效能，并减少其它战斗力要素的投入。对于未来的信息化战争来说，最主要的是确立信息制胜的观念：以信息制导能量，以信息配置资源，以信息沟通指挥，以信息网络化来统筹战场和武装部队，以信息化战争的要求来制定战略战术等。未来信息化战争的特征可归纳如下：

从总体上看，信息化战争还处于发展阶段，但从海湾战争到阿富汗战争，已可以看到信息化战争的初型。综合国内外的论述，未来信息化战争的特征可归纳如下：

    (1)信息技术的飞速发展改变了整个战争对抗的模式，战争中的优势很大程度上依赖于信息优势。信息技术的发展正在促进战场网络化。美国军事家认为，未来战争中的优势将取决于我方在观测、定向、决策和行动(OODA)过程的能力是否能够胜过对方。假如我方能够比对方更快更精确地完成这个观测、定向、决策和行动过程，我方就可能取得战争对抗的优势。

    (2)未来的战场已从海、陆、空扩大到海、陆、空、天和电磁领域。这5个战场有着密切的联系。从当前美国的军事技术的发展来看，空间对其它战场对抗的影响很大。1996年11月，当时的美国空军参谋长罗纳德．福格尔曼就说：在21世纪，美国的战略手段将是航空航天力量，将来美国空军将从以航空力量为主，演变到以航天力量为主。

    (3)未来的战争是体系与体系的对抗。不仅交战双方的武器装备各组成一个体系(system ofsystem)，而且双方的各军种的对抗装备也组成下一个层次的体系。因此，研究一种武器装备的任务需求，就要从体系对抗出发。例如可以设想21世纪初空中对抗装备由各种有人和无人的战斗机、预警机、侦察机、加油机以及地面、海上和太空中用于空中对抗的武器等组成。因此，在确定第四代战斗机的作战任务时，就不能孤立地就第四代战斗机谈第四代战斗机，而要从整个空中对抗的体系甚至整个武器装备体系出发。

(4)信息系统和武器与平台的有机结合,将形成先进的信息化武器系统。未来信息化战争正在从平台中心战向网络中心战(NCW)过渡。它们将大大提高近远程精确打击能力和快速投送能力，形成新型的战斗力。由此可见，信息化的武器平台和精确打击武器在21世纪初的战争对抗中将占很重要的地位。例如在现代的空战中必须解决信息到座舱问题。而全球定位系统(GPS)和精确打击武器的结合，就大大提高了精确打击武器的作战效能。

(5)未来的战争强调全谱控制能力强大的综合效应。所谓全谱控制能力就是在各种各样的军事行动中控制对手的能力。科技的进步，特别是信息技术的飞速发展，已经改变了传统的机动、打击、防御和后勤等概念，逐步演变成控制性机动、精确打击、全维防御和集中后勤等全新的作战概念。在未来的战争中,综合应用这些概念，就可以形成全谱控制(full spectrum dominance)能力强大的综合效应。

恩格斯曾指出：“在军事学术上不能利用旧的手段去达到新的结果。只有创造新的、更有威力的手段，才能达到新的、更伟大的结果。”纵观未来信息化战争的发展，不难发现，它对21世纪的空气动力力学发展，提出一系列创新发展的需求。总的来说，是要进一步揭示各种速度范围、各种尺度范围和各种状态下的新的空气动力学规律，提供创新的气动布局、创新的发动机和创新的一体化概念。

(1)研究流动主动控技术，为武器提供全新的气动布局概念

现代先进气动布局设计已成为一项高度复杂、高精度定量化的综合性技术。例如第四代战斗机要求超音速巡航、过失速机动性和敏捷性以及隐身能力，这些复杂的、彼此矛盾的要求组合在一起，对气动布局设计提出了严峻挑战。各种跨学科的综合分析和设计技术是必须解决的重大难题。其次，先进的单项气动力技术不一定推出好的飞机，只有依靠先进气动布局的综合设计，才能获得优良的性能。现代气动布局的综合化表现在两个方面：第一，除了研究各种先进的气动力技术外，需要根据特定的性能目标（如隐身、超音速巡航、过失速机动性和敏捷性），进行综合性的选择和优化，并且这种优化不是过去那种局部的优化，而是对飞机整体外形的优化，才可能满足性能目标对气动布局的基本要求；第二，要进行气动布局与结构强度、动力装置及进排气系统、目标特征（隐身外形）、控制系统等的综合设计。例如，隐身特性的要求就需要对气动布局和雷达反射特性进行综合和优化；超音速巡航要求对气动布局与进排气系统进行一体化设计；矢量推力技术要求气动布局与动力系统和控制系统进行一体化设计；气动弹性剪裁技术则要求气动、结构、材料的一体化设计等等。这些综合设计能力是实现设计目标的基本保证。

由于现代生物技术、纳米技术和信息技术的发展，21世纪的空气动力学将在流动控制方面取得重大突破。例如对于湍流的研究，人类将从预测走向控制，并从被动控制进一步走向主动控制。被动控制如在机翼上采用类似鲨鱼带有小齿的表面的蒙皮，以控制旋涡的运动来减小阻力。进一步，在现代微型机电系统的帮助之下，可将微传感器、控制线路和作动器集成在一起，类似海豚那样，利用表面的运动来提高推进效率。采用这种“主动”结构技术，可使机翼表面能在不同飞行状态下，以主动的变形来控制飞机的绕流。这种方案的优点不仅可以减小阻力，而且还可以消除操纵面之间的缝隙，从而提高飞行器的隐身性能。这些创新的设计思想若能实现，一定会给飞行器带来深刻的变革。20世纪人类已飞得比鸟更快、比鸟更高，但并不飞得比鸟更灵活更有效。上述主动控制技术的突破，将使新世纪的航空航天飞行器具有全新的气动布局型式。它们不再是传统的机械式部件的组合，它们将充分集成灵巧材料和结构、作动器、微处理器和各种传感器，使其气动效率和控制达到前未有的水平。为了能够适应连变化的飞行环境，传感器能像鸟翼中的神经那样，不断测量整个表面上的压力，响应这些测量，作动器能像鸟翼的肌肉那样进行动作。正如鸟类用不同羽毛来控制它的飞行，这些作动器将不断改变机翼的形状，以连续优化飞行条件。此时，由这些灵巧材料、作动器、微处理器和各种传感器，将由一个智能系统作为它的神经中枢系统来管理，从而使飞行器能够完全监控它的性能、环境和运行，以达到最优的飞行性能。

(2)研究高超声速技术，为研制高超声速武器奠定技术基础

实现高超声速飞行将大大推动高技术武器平台的发展。高超声速武器平台包括空间作战飞行器（SOV）、跨大气层飞行器（TAV）、高超声速导弹、机动弹头、高超声速飞机等。巡航导弹具有超低空、机动飞行、精确制导和命中精度高的特点，可实施纵深精确空中打击。现代正在服役的巡航导弹的最低巡航高度，一般低于50米，射程一般大于500公里，但最大飞行M数一般小于0.9。提高速度肯定是巡航导弹的一个发展方向。首先，提高武器系统的速度，提供了快速反应能力，提高了打击移动目标的能力，同时由于飞行速度的增加,也可以大大提高武器的动能而提高武器的毁伤能力，包括打击硬目标和地下目标的能力。其次，从突防的角度来看，提高武器系统的速度可以提高生存概率。防区外空袭的空中发射的高速导弹，可在远程防空导弹射程外发射，因此，挂载导弹的飞机可以放心地瞄准攻击，人员和装备的损失系数可以降到最低，甚至接近于零。在达到敌方防空导弹射程内时，对方已经没有时间做出反应。

跨大气层的高超声速武器平台将有以下几个特点：

1.它有很高的速度，从而具有很大的动能，使其效能倍增，可以采用很小的弹药，并能同时打击多个目标。同时，也由于它有很高的速度，可以在很短时间内，攻击世界上任何地方的目标。由于它采用亚轨道飞行或在大气层内作高超音速飞行，可以在政治上躲开太空军事化的敏感问题。

2.它具有出其不意的优点。在战略上，可以出其不意地打击敌人几乎没有防备的纵深目标；在战役上，可以出其不意地选择最佳的攻击时间；在战术上，可以出其不意地使用多种亚轨道飞行路线，攻击敌方防空的薄弱环节。

3.它可以在执行完任务后，快速回收、快速装备、重新起飞。它与远程弹道式导弹相比，可以为了威慑对方使用后回收，避免了立即引发战争的危险。

4.它除了担负全球攻击任务外，还可用于全球侦察。它既是发射卫星与回收、维修卫星的平台，又是发射反卫星武器的平台。

高超声速技术还将引发航天运载器的革命。航天运载器代表了进入空间的能力，它不仅是开发空间资源的基础，而且是军队战斗力的一个重要组成部分。

典型的高超声速研究计划有美国NASA的“Hyper-X”计划，发展X－43A、X－43B和X－43C等系列试验飞行器。美国的国防高级研究计划局（DARPA）和海军研究办公室（ONR）联合进行的高超声速飞行验证（HyFly）科学技术计划。在高超声速飞行时，利用吸气式发动机可以获得较大的比冲，减少总的起飞重量。但是众所周知，现有的吸气式发动机，例如涡轮喷气发动机，涡轮风扇发动机，在马赫数大于3以后，比冲就大大下降了。亚声速燃烧的冲压发动机，在马赫数大于6以后，比冲也大大下降。只有超声速燃烧的冲压发动机，能够在马赫数从6到15之间，提供很高的比冲。为了研究清楚超声速燃烧，正确地设计超声速燃烧的燃烧室、相应的进气道和尾喷管，需要解决有化学反应的高温气体的气动力学问题。在这方面最突出的问题是缺乏相应的地面模拟设备，特别是马赫数大于8以后，只能依靠脉冲型风洞。因此，对于超声速燃烧还必须进行缩比的飞行试验。对于高超声速飞行来说，不仅要精确地确定单独的发动机部件的气动特性，而且要求进行发动机和机体的一体化设计。此时，空天飞机的前体要作为进气道的预压缩面，即能提供预压缩，又能为进气道提供均匀的进口流场。后体要作为发动机喷管的一部分，提供很大部分的推力，并对全机的气动特性产生很大的影响。近年来，有一些高超声气动布局已引起了广泛的兴趣。一是乘波(Waverider)构形，它具有很高的升阻比，并能为发动机进气口提供均匀的流场。二是升力体(Lifting Body)构形。它的体积利用率接近飞船构形，它的升阻比接近于航天飞机构形。目前对这两种构形正在进行广泛的研究和试验工作。

(3)研究微尺度下的空气动力学现象，为发展微型武器作出贡献

微尺度下的质量、动量和能量交换将明显出现许多新的规律。微尺度的空气动力学研究将对未来的微型飞机、微卫星等微武器的研制，以及这些武器平台和网络中的微电子系统和微型机电系统(MEMS)的设计，作出重要的贡献。据报道，美国国防部目前正在研制各种用于战场侦察的微型无人机，例如由美国DARPA投资马丁公司研制的“微星”无人驾驶飞机，全长为152毫米，机重约85克，每次执行任务可飞行20～60分钟。又如美国空军实验室提出了名为技术卫星－21(TechSat－21)的演示计划，来验证网络卫星的可行性。它由40颗质量为10～100kg的微型雷达卫星组成“虚拟卫星”，其地面分辨率可高达0.1m，能解决发现并捕获移动目标的问题。美国DARPA在2000年还成功地发射了一个重245克的微卫星。

当前，微米纳米技术的飞速发展，使得每个芯片上集成的元件的数量高速增加。虽然每个元件的功率很小，但由于集成度很高，使其承受的热流密度很高，相当于再入飞行器再入大气层时前缘承受的热流密度值。由于芯片的可靠性对温度十分敏感，因此，研究微尺度下的空气流动和传热，就显得十分重要。微型机电系统(Micro Electro Mechanical System, MEMS)是一个新兴的技术领域，它是指可以批量制作的、集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理、控制电路、接口、通信和电源等于一体的微型机械、电子系统。当尺度缩小到微尺度时，许多物理现象和大尺度时有明显差别，可能出现许多新的现象。究其原因，可以分成两类，一类是连续介质的假定已不再成立，另一类是各种作用力的相对重要性发生了变化，以力学现象为例，由于惯性力与尺度成反比，粘性力与尺度的平方成反比，因此，当缩小到微尺度时，惯性力与粘性力之比就很小；而由于微尺度下，面积与体积之比增大，在大尺度时作用较小的表面张力，在微尺度时就有可能起重要的作用。无疑，微尺度的空气动力学研究，不仅是未来的微型飞机和微卫星设计的重要基础，而且还能揭示许多昆虫的飞行原理。在微机构设计方面，近年来国际上一些学者从研究昆虫的运动机理出发，试图从仿生的角度为微型机械的机构设计，寻找新的途径。

(4)研究等离子体的运动规律，促进等离子体在武器上的广泛应用

改进军用飞机和导弹的隐身性能，可大大提高它们的生存概率，从而提高其作战效能。为此，要进一步减小其雷达反射面积(RCS)、红外信号特征和噪声，使防御系统对其进行探测和跟踪更加困难。若采用隐身技术后，其雷达反射面积值将从0.05～0.1m2减小到0.005～0.01m2。由于被探测概率下降，因此突防能力得到提高，使拦截系统拦截时间大大减少。如导弹的RCS从0.1m2降到0.001m2，则可将对方的探测器捕获和跟踪目标的距离与拦截系统拦截目标的反应时间都缩短80%以上。一项有前途的隐身技术是等离子体隐身技术。任何物质只要加热到足够高的温度，均能电离而成为等离子体。等离子体在整体上呈电中性，但具有很好的导电性。等离子体的重要指标是其频率特性。如普通气体中有0.1%的气体被电离，这种气体就具有了很好的等离子体性质，如果电离气体增加到1%，这样的等离子体便成为导电率很大的理想导电体。等离子体对电磁波的传播有很大影响。在一定条件下，等离子体能够反射电磁波；在另外条件下，等离子体又能够吸收电磁波。当存在磁场时，在等离子体沿磁场方向传播的电磁波极化方向会产生旋转，从而使雷达接收的回波极化方向与反射时不一致，造成极化失真。采用等离子体隐身技术，可以在不需要改变飞行器外形的条件下，便可大幅度降低飞行器的RCS值，使被发现的概率几乎为零。控制等离子体的能量、电离度、震荡频率等特征参数，使照射到等离子体云上的雷达波，在遇到等离子体的带电离子后，两者发生相互作用，电磁波的一部分能量传给带电粒子，被带电粒子吸收，而自身能量逐渐衰减，另一部分电磁波受一系列物理作用的影响，绕过等离子体或产生折射改变传播方向，因而返回到雷达接收机的能量很小，使雷达难以探测，以便达到隐身目的。等离子体还能通过改变反射信号的频率，使敌方雷达测出错误的飞行器位置和速度数据以实现隐身的目的。
    其实，等离子体在航空航天飞行器上将有更广泛的应用。可以预见，等离子体可以用以流动控制，降低飞行器的阻力和增加稳定性。目前国际上还提出了采用等离子体武器拦截导弹的设想，其工作原理是：将超高频电磁波束在高空中聚焦，焦点处空气便会发生高强度的电离反应，形成等离子体云团，其密度和电离度比大气电离层高出1万—10万倍。飞行物体一旦撞入等离子体云团中，不管是导弹、飞机还是陨石，其飞行环境都会遭到完全破坏，从而偏离正常飞行轨道。它不像激光武器那样利用高强度的能量直接烧毁目标，而是给目标下一个“绊子”，使得目标在飞行过程中由于自身产生的惯性力作用而自毁。尽管导弹的飞行速度很高，但等离子体武器的波束以光速传输，因此可在瞬间准确地摧毁多个空袭目标，足以防护来自太空或空中的飞机和导弹的威胁。在推进系统方面，国际上也已提出了有关等离子体火箭和等离子体加速的冲压发动机的各种概念，其技术关键在于如何改变、调整等离子体流，以获得最佳的推进效率。

为了研制出满足设计要求的高技术武器系统，必须一体化地成功应用三个手段，即模拟和仿真(M&S)、地面试验和飞行试验。这些手段能够有效地平衡，以提供武器的研究、发展、试验和评估(RDT&E)的一体化。进一步，RDT&E的一体化，是一个贯穿在整个系统采购过程中的过程，从导出概念到系统的发展试验。这就要求在发展试验中广泛采用模拟和仿真，以达到更有效地进行试验和预测新概念的飞行试验结果。同时还要发展与试验技术相关的计算技术。当然，模拟和仿真是地面和飞行试验的补充，而不是替代它们。模拟和仿真的进步主要取决于对物理化学现象了解的突破和计算机及其网络的有效速度和存储的提高。模拟和仿真的的结果，还必须有一定的试验数据来进行确认。模拟和仿真的优点是在观察现象时，可以将各种机理孤立出来进行研究。它也可在非侵入方式下，获得流场数据。在地面设备能力不足时，较便宜的模拟和仿真可用来将地面数据外推到飞行条件。但是现在还不可能证明完全依靠模拟和仿真，可以完成飞行器的设计，其原因是它在模拟转捩、湍流和有限速率的化学反应方面的能力，还是不充分的。实际上，模拟和仿真结果的不确定度和地面试验设备的不确定度是可比的。地面试验设备在恰当地模拟飞行能力方面也存在一定的局限性。特别是现有的一个设备，不可能同时模拟高超声速飞行器对环境、尺度和试验时间的要求。因此必须组合使用不同种类的设备。由于计算和地面试验的局限性，为了减少发展新型飞行器的风险，必须进行飞行试验。传统的飞行试验是在产品研制的最后阶段进行的，也就是进行样机试飞，而新型飞行器的飞行试验的目的在于综合考核新概念和确认设计方法。它对改进手段也有很大的作用。新型飞行器只有经过飞行试验的演示验证，才能开始研制。近年来，国外把这种做法叫做“先期概念技术演示验证”(ACTD)。但飞行试验也有很大的局限性。为了用它来建立一个综合数据库以确认计算流体力学程序，显然是十分昂贵的。在飞行中也难以进行精确的测量。流场的测量基本上是不可能的。对于新型飞行器，为了发展一种RDT&E一体化的方法，必须对上述三种手段很好地综合和协调，而最终还必须进行必要的飞行试验。

充分应用现代高技术的成果，特别是现代信息技术的成果，改进空气动力学的研究手段，将十分有利于上述三种手段的一体化。如应用网格（Grid）技术、虚拟现实技术、人工智能技术，将大大推动计算空气动力学的发展和提高空气动力学研究试验设备的试验效率，并促进计算和试验的融合。在互联网正在向前不断发展的今天，我们注意到在与高性能计算有关的科学合作领域，正在涌现出另一个具有划时代的新生事物－网格。它的出现，将掀起互联网继传统因特网(Internet)、万维网(Web)之后的第三次浪潮，并将在军事方面，取得广泛应用。网格试图实现互联网上所有资源的全面连通，把整个因特网整合成一台巨大的超级计算机，实现计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源的全面共享。美国NASA正在建设信息能力网格（IPW），它为科技人员在解决那些取决于大规模的分布式的计算、数据、仪器、试验设备和人力资源的问题，提供新的能力。它已在促进空气动力学计算和融合方面，发挥了突出的作用。例NASA的Langley中心的4.2×6.6米亚声速风洞，在试验时已可在试验段中实时显示用CFD计算的流场图象。最后，利用现代的数字技术，发展各种非侵入的流场测量技术，如数字式的粒子图象测速仪（DPIV）和各种激光测速技术，对促进计算和试验的融合，也有十分重要的作用。

(1)以信息技术为代表的科学技术的飞速发展，正在推动未来的战争，产生深刻的变革。这种变革也给空空气动力学的创新发展，既提出了严峻的挑战，又提供了新的机遇。

(2)未来信息化战争的发展，对21世纪的空气动力力学发展，提出一系列创新发展的需求。总的来说，是要进一步揭示各种速度范围、各种尺度范围和各种状态下的新的空气动力学规律，提供创新的气动布局、创新的发动机和创新的一体化概念。

(3)为了在未来的空气动力学领域能创新发展，应该集中各方面的力量，在认真总结国内外经验教训的基础上，大力进行学科创新、体制创新和管理创新，研究和提出结合国情的发展战略，并根据我国的条件，将模拟和仿真、地面试验和飞行试验等三种手段融合起来。