也许有一天，
我们可以使用多少小时
到达世界任何地方。
崔凯·中国科学院力学研究所研究员
《格致论道》第116期|北京，2024 年 10 月 19 日
大家好，我是来自中国科学院力学研究所的崔凯。我很高兴来到格致论坛。今天我想和大家分享一些关于速度的故事。
1990年，我17岁，独自背着行李从辽宁老家来到湖北武汉求学。当时使用的交通方式就是这种老式火车，也被称为绿色火车。它的速度比现在的高铁慢很多。当我从辽宁到武汉上学时，必须在北京停留。如果我没记错的话，仅从北京到武汉就需要15个小时左右。而且当时火车经常晚点，我最长的行程将近21个小时。下了火车，用今天的话来说，就是浑身不舒服，走路都感觉轻飘飘的。
大学毕业后，我在离家乡较远的广东深圳找到了第一份工作。毕业回家过第一个春节时，我毫不犹豫地买了一张机票。虽然机票花了我一个多月的工资，但我只用了几个小时就从温暖的广东飞到了寒冷的地方。去东北旅游，感觉钱花得值。这几乎是我有生以来第一次感受到速度带来的便利。
后来，我来到北京工作，经常出国参加学术交流或学术访问。飞机基本上是我的第一选择，甚至是我唯一的交通工具。去附近的日本、韩国还好，但如果是比较远的地方，比如欧洲、北美甚至南美，还是需要十几个小时甚至几十个小时的飞行时间。被封闭在狭小的空间里久了，乘坐绿皮车时那种不舒服的感觉似乎又回来了。所以当时我就想，能不能再快一点呢？
我想世界上很多人，包括在座的各位，都会和我有同样的想法。例如，几十年前，英国和法国联合开发了一种新型快速飞机，称为协和式飞机，就是图中所示的飞机。这种飞机的速度大约是普通飞机的两倍。从伦敦乘坐它飞往纽约，可以将飞行时间从8小时左右压缩到4小时以内，给人们的出行带来了极大的便利。方便的。
不幸的是，这架协和式飞机现在已经完全停飞，我们再也看不到它在天空中飞翔了。这是因为它存在很多问题，比如油耗问题、噪音问题，其中最重要的问题之一就是它的内部空间太小。从这张图中我们可以看到，如果一个正常的成年人站在飞机机舱的中间，他的头几乎可以碰到机舱的顶部，更不用说两侧较狭窄的空间了。
事实上，我们对速度的追求从未停止过。试想一下，如果未来有一天，我们可以在几个小时内到达世界上任何一个地方，那会是什么样子？我相信，到那时，地球将会变得“更小”，甚至真正成为一个地球村。接下来我要讲的新型飞行器就是大家所说的“黑科技”——高超音速飞行器。
飞行速度快和行李多是否兼容？
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我先给大家解释一下什么是高超音速飞行器。这一概念是由中国科学院力学研究所首任所长、力学研究所创始人、我国航天事业奠基人钱学森先生首先提出的。现在已经得到了大家的广泛认可。
高超音速飞机是指飞行速度达到或超过5倍音速，即5马赫以上的飞机。计算一下，其一秒钟的飞行距离可超过1500米，是当今普通飞机速度的6倍多！
说到这里，我想大家可能会提出一个问题：我们真的需要飞得那么快吗？这么快有用吗？能否创造经济效益？
2021年，世界上有一家知名咨询公司，叫德勤。它受NASA委托进行了广泛而深入的市场研究，并形成了一份名为《商业高超音速运输市场研究》的报告，该报告就是图中封面所示的报告。
通过大规模的研究，他们最终得出的结论是，未来的高超音速运输市场具有非常好的市场前景，占据非常大的市场份额。除了帮助我们实现更快的旅行之外，这种类型的高超音速飞行器还可以在很多方面发挥核心和重要的作用。例如，在构建快速供应链、应对疫情或其他突发事件、推动未来快速电商等应用场景中，它非常有用。
从这一点来看，我们可以毫不犹豫地得出结论：我们确实需要更快的速度，而这个速度会给我们带来更多的便利和价值——我们确实需要让地球变得更“小”。
但说到这，有句话叫“前景是美好的，现实是残酷的”。事实上，我们还面临着许多需要解决的问题。
在这个领域，我们仍然需要研究或开发新的、更好的电力系统。
我们需要开发既能有效承载负载又能承受高温的新材料和结构系统。
我们还需要开发新的制导和控制系统等，现在我们经常提到的一个词就是“新生产力”，这无疑是高超音速飞行器未来的航天技术。它在发展的过程中，会带动很多其他学科、其他方向、其他技术的研究。因此，它无疑是一种新的生产力。所有这些问题中最主要的是未来的高超音速飞机可能会采取什么形状。
在飞机设计领域，有“飞机设计空气动力学至上”的说法。因为对于飞行器，甚至是导弹这样的飞行器来说，它的形状必须在设计的第一步就确定下来。只有形状确定了，才能开展其他学科的研发、设计、优化等一系列工作。
所以，当我们面对这样的新技术时，首先要问的问题是：高超音速飞行器可能是什么样子。许多国家在过去20年甚至更早的时间里就这个问题开展了相应的研究。
▲左上：美国波音公司的计划
右上：美国公司的愿景
左下：欧洲情景
右下：美国维纳斯航空航天公司的计划
这里展示了一些外观设计，有些飞机甚至即将准备进行真正的飞行测试。不过，这些造型基本上都继承了我刚才提到的协和式飞机的基本设计理念。可以看到它的身体比较窄，外观也比较扁平。那么这种设计思路是否可行呢？
事实上，十多年前我们也曾走过类似的路。如图所示，我们当时也做了很多数值模拟，它的性能还不错。
但我们很快就意识到，如果继续按照这个思路，它的内部空间，也就是它的体积，其实很小，可能勉强能容纳几个人或者少量的东西。当时我就想，即使做成了，也可能只是少数有钱人用来炫耀的工具，绝对不可能像我们想象的那样让普通人可以到处走走看看。
于是，我就萌生了改变的想法。一开始我就想着优化它，在原来的外观基础上不断修改它的外观。经过近一年的工作，我发现，如果把汽车的外形做得更胖、更鼓，另一个重要的指标——升力和阻力的比值，就会明显下降，而且这个比值相比于升力和阻力的比值，会明显下降。抬起来拖动。飞行距离直接相关。说得比较直白一点，如果按照这个思路，你想抓的多，它就飞不了多远；你想抓的多，它就飞不远；抓的多，它就飞不远；反之，如果你想飞得很远，它就装不了很多东西。
那么接下来我们就要弄清楚为什么会出现这样的矛盾呢？我用这两张图来做个比较。图中A、B为两架飞机示意图。显然，A比B更胖，更高，所以A自然会承受更多的负载。
下面两张图显示了他们头部的计算机模拟结果。图中不同颜色代表气流的压力：颜色越绿，压力越高，颜色越蓝，压力越低。通过对比A和B我们可以发现，较胖的A的头顶上方有一股浓密的绿色气流，这是高压气流。它会对飞机产生很大的压力，减少飞机的升力，同时阻力。增加，导致其升力和阻力之比显着降低。这就是“飞远”与“假装多”矛盾的主要原因。
那么，为什么现有飞机必须变得更扁平呢？这是因为通过制造像B这样的飞机，可以尽可能少地产生这种气流。这种气流就像“垃圾”一样，一直在干扰我们飞机的性能。
添加一个翅膀并使用“垃圾”
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这个问题确实困扰了我很久。后来，也就是13年前的2011年，我突然有了一个想法：处理这种“垃圾”般的气流其实有两种方法。首先是减少这种“垃圾”般的气流。这是目前的思路，但是它带来的成本是我无法接受的，因为这样做会导致飞机损失太多体积。
在这种情况下，我们是否可以换个思路呢？这部分气流可以利用吗？于是，我做了初步的尝试。其中涉及的原理我就不做过多阐述了。我只想告诉大家结论：最终的结果比我们预想的还要好。
▲高压捕获翼三维示意图
我在飞机上方合理的位置添加了一个新的机翼，它可以捕捉到原来“垃圾”般的气流。这样就可以大大提高飞机的升力效率，从而缓解刚才提到的“飞得更远”和“装得更多”之间的矛盾。
但到目前为止，这还只是一个想法。要知道，一切从想法到现实的转变都要经历一个漫长而艰辛的过程。
我们花了13年的时间才做到这一点。后来我们养成了每年用一张图写下自己认为比较难忘或者有代表性的作品的习惯，慢慢就形成了这样一个流程图。
现在回想起来，最初的5年其实是最艰难、最痛苦的。因为当时，当你提出一个新的想法时，周围听到的几乎都是质疑声。庆幸的是，我们选择了坚持，因为我始终坚信，所有的创新作品都必须在质疑中成长。
就这样，经过十几年的坚持，我们慢慢从最初的理论分析，到后来的风洞试验，再到后来的航天试验等等。
2017年，我们做了一件非常重要的事情。 3月份的时候，我就告诉我的研究生和团队里的年轻人，我要在这个指标上达到世界顶尖水平。他们认为我疯了，但我说，我们试试一个月吧。
那一个月，我们的生活只剩下三件事——讨论、修改、计算。我们的工作和休息完全被打乱了。只能在电脑计算的时候休息一下。一旦计算机停止计算，我们就继续讨论。
俗话说“天道酬勤”，到了月底，我们顺利实现了既定目标。
然后我们写了一篇小文章，篇幅不长，只有三页纸。但没想到文章一经发表，很多媒体和领域专家就对这篇文章表现出了浓厚的兴趣，并获得了非常多的访问量。这些担忧对我来说具有特殊的意义，让我更加确信这种飞行器未来真的可以飞上天，而且是中国人首先提出的。
所以我们开始做更多的工作，慢慢开始地面测试。要知道，地面测试其实要花很多钱。每次检测花费数十万元。这是一些地面测试中使用的模型。
但地面测试所能达到的目标毕竟有限。毕竟有些情况是地面环境永远无法模拟的。
经神验证
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随着我们的工作进入第十个年头。大约在 2020 年，我们有了一个想法——我们想在天空中做一个实验。
这就是我们设想的试飞轨迹。看起来就像是一道大弧线或者一把巨大的弯刀，会在天空中盘旋。
在整个飞行过程中，我们能够收集到一些相关的数据，也配备了相应的设备来完成其他一些方面的测试工作。
这是我们整个飞行系统的三维图以及对应的拆解图。看起来很复杂，但实际上，比看起来复杂得多。
而且大家都知道，从2020年开始，因为疫情的原因，我们的工作经常被迫停滞，这确实是一个非常痛苦的过程。现在回想起来，庆幸的是，虽然过程很痛苦，但最终的结果还是很欣慰和幸福的。
2021年8月31日，经过16个月的精心准备，我们终于在酒泉卫星发射中心发射了这次测试。当我看到那架小飞机飞上天空的那一刻，那种心情、那种获得感、那种油然而生的成就感真是难以形容。
整个飞行持续了大约不到20分钟，或者只有十分钟，但在这短短的时间内，我们收集了大量的测试数据。我们花了大约2到3年的时间才分析了其中的一部分，还有一些数据至今仍在分析和处理中。毕竟这些数据太有价值了。
值得一提的是，我们实现了整个模型几乎完全回收。
上线那天，我想抒发一下内心的感受，写下了这首小诗。
满月弯刀斩秋风，
朝霞满天，袍红。
斩断金属在城中奋进，
没有任何功劳可以归因于上天的仁慈。
这里描绘的是飞行路线，以及进行飞行测试的季节和优美的环境。在16个月的筹备期间，最多时有近100人参与。我们深知，只有团结一致，才能发挥巨大的力量，才能战胜黄金。只有这样，我们才能在这条艰难的道路上砥砺前行。我也想借此机会表达对国家的感谢，感谢你们生活在这么美好的时代，感谢上帝对我们的看顾。
我还给你们看了一些照片，是我们在基地呆的那个月拍的。虽然条件比较艰苦，但有时我们还是需要在忙碌的工作中放松一下，找点乐子。
这是一张非常早期的照片。 2017年3月，忙碌了一个月之后，大家都想放松一下。我的研究生对我说：“崔老师，我们想想象一下这种飞机未来会是什么样子。”我说：你想想，我指导你。然后我们大概花了两三个月的时间才完成了这样一张图。他们故意把它设计得像“黑科技”。事实上，我们的最新版本与现在有很大不同。所以我认为，虽然未来很大可能不是飞机实际的样子，但我认为还是值得记住的。
故事讲到这里，我想提醒大家，对于这样的“黑科技”，我们确实还有很多问题需要面对和解决，比如电力问题、材料问题等。在这诸多问题中，我们只完成了一小部分工作，只迈出了一小步。然而，我坚信这些努力将是我们向前迈出的重要一步。
我们做这些工作是希望飞得更高、更快、更远。我刚才讲了，这个领域的研究实际上是我们未来的新生产力。因此，我们将继续沿着这条路走下去，永远走在路上，因为我们的目标始终是面向航天尖端技术的未来，帮助我们不断发展新的生产力。
谢谢大家！
-结尾-
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