高超声速空气动力学
北京航空航天大学刘沛清教授
高超声速（Hypersonic speed）这一术语是我国科学家钱学森(如图1所示)于1946年提出的。高超声速空气动力学是新兴发展起来的一门学科，其主要研究高超声速空气流动规律和空气与高超声速飞行器相互作用的科学。近代在航天事业的推动下，高超声速空气动力学的理论、计算和实验技术得到迅速发展。高超声速流动，一般定义为气流速度在五倍以上声速的流动，即Ma∞>5。其实这个定义并不是绝对的，流动是否是高超声速流动也与飞行器的具体形状有关。对于钝头体绕流，Ma∞数大于3就开始出现高超声速气流特征；对于细长体绕流，Ma∞数大于10才开始出现高超声速流动现象。高超声速空气动力学的主要问题是气动力（升力、阻力、力矩和压强分布）、气动热（热流计算、放热措施等）和气动物理（流场的光电特性），研究的主要手段是理论分析、数值计算和风洞试验。高超声速流地面模拟的主要参数包括：自由流马赫数、雷诺数、流动总焓、激波前后密度比、试验气体、壁温与总温比以及流场的热化学性质。常见的地面模拟设备有激波管（图2所示）、电弧加热器（图3所示）、高超声速风洞（图4所示）和自由弹道靶(图5所示)。
图1 钱学森（1911.12.11－2009.10.31）
钱学森，汉族，吴越王钱镠第33世孙，生于上海，祖籍浙江省杭州市临安。世界著名科学家，空气动力学家，中国载人航天奠基人，中国科学院及中国工程院院士，中国两弹一星功勋奖章获得者，被誉为“中国航天之父”“中国导弹之父”“中国自动化控制之父”和“火箭之王”，由于钱学森回国效力，中国导弹、原子弹的发射向前推进了至少20年。
图2 美国德克萨斯洲圣安东尼奥的激波管装置
图3 喷管直径Φ1.0米的电弧风洞（FD-15，马赫数为0.6~10。可以承担各种材料的烧蚀性能、粒子侵蚀、锥身防热层诱导滚转力矩烧蚀热透波，气动光学传输以及再入物理现象等试验。中国航天空气动力技术研究院）
图4 我国中科院于2012年投产的超大型超高声速风洞（JF-12）
图5 我国气动与发展中心研制的自由弹道靶设备
高超声速流动特征与飞行器的外形有密切关系（如图6所示），其物理现象及其复杂。对于航天飞行器，必须考虑高空非平衡热化学现象、粘性相互作用和稀薄效应（采用非连续介质模型）。对于远程弹道导弹（如图7所示）这样的细长体飞行器，它们受到严重的气动加热率和高动压，但时间很短，可采用烧蚀热防护系统抵御严重的湍流加热率，这就必须研究流场与放热层减蚀的热相互作用问题。又如装有吸气式推进系统的高超声速飞行器（如图8所示），必须在较低的高度工作以满足发动机性能的要求，这时高动压和高雷诺数将造成巨大的气动载荷，边界层转捩和严重的表面加热等将成为这类飞行器研制的重要问题。
图6 美国正在研制的X-51A高超声速飞行器（巡航飞行速度达5.1马赫）
图7 远程弹道导弹
图8 美国新近研制的SR-72高超声速飞行器（马赫6）
总结起来，高超声速气流的主要特征如下：
对于高超声速流动，物面层流边界层δ、来流马赫数Ma∞、来流雷诺数Rex（来流速度和物面长度为特征尺度）之间量级关系是
在高空高超声速条件下，物面层流边界层厚度δ变得很大，改变了飞行器物面的绕流外形，严重影响外流场的流动。尤其是因高超声速激波层薄，边界层厚度与激波层相比不能略去，甚至出现整个激波层内均受到粘性的影响，此时粘性效应波及整个流场，普朗特的边界层理论失效。
刘沛清，男，1982年在华北水利水电大学获学士学位。1989年在河海大学获硕士学位，1995年在清华大学获博士学位。1997年至今，在北京航空航天大学流体所工作。2000年-至今，任教育部流体力学重点实验室责任教授，博士生指导教师。2003年至2012年，任航空科学与工程学院副院长。现任中国空气动力学学会理事，中国力学学会流动显示委员会副主任委员，全国流体力学委员会工业组长。长期从事飞行器空气动力学实验和数值模拟等研究工作。《空气动力学》国家级精品课程负责人，国家级航空航天实验教学示范中心主任，空气动力学学报编委。
