冲击波的消除
如何消除冲击波
一个完全由让-皮埃尔·皮特在上世纪七十年代末提出的设想
2003年11月21日
2003年6月，我在图卢兹高等航空学院做演讲时，提出了这一核心思想，立即得到了在场的师生和超音速流体力学教师们的理解。
在我重新阐述这一想法之前，我意识到它已经存在——假设您已经浏览过2001年1月的这份资料（而参加萨马斯评论会议的人可能并不了解其内容）。为什么像“奥罗拉”（我声称：自1990年起已投入使用）这类以超音速飞行的飞行器所配备的“由MHD控制的进气口”会安装在机体顶部？
第一点：在顶部，这些飞行器的表面平坦如掌。请参考展示Ajax模型风洞实验照片：
这个照片并非我所寻找，而是萨马斯在2000年底发表于《航空与宇宙》杂志的文章中引用的，就在他参加布赖顿会议之前。一个小小的细节：会后他告诉我：
“您是唯一一位在会上听到MHD这个词的人。我个人完全没听到有人提过这个词。”
我们的鞋店老板并不知道，在学术会议上，最重要的讨论往往不是在会场内进行，而是在专家之间远离那些多嘴或无能的耳朵之外进行的。让我们来看这张图，并标出飞行器周围形成的特征线和冲击波（顺便说一句：照片最左侧靠近飞行器刀刃状前缘处出现的光现象并非冲击波，而是实验中用于测量该区域热效应降低的电击放电现象）。
冲击波出现在飞行器下部，而不是顶部——因为顶部处于“顺风区”。要产生冲击波，就必须改变气流方向。奥罗拉-Ajax的前缘斜切设计，使其上表面与上游气流的流线相切。
在下部则存在两条冲击波，第二条从进气口斜切边缘出发（与“协和号”极为相似，其后连接的是常规涡轮喷气发动机！）
当飞行器速度增加时，温度跃升大致随马赫数的平方变化。在某一时刻，超过马赫3后，下部进气口就无法再使用，否则气体加热将汽化压气机中的涡轮叶片。在极高的马赫数（十至十二）下，这种温升如此剧烈，即使采用液态燃料循环冷却的冲压发动机进气口也无法承受。美国所倡导的“超燃冲压发动机”（supersonic combustion ramjet）理论，不过是他们“项目”中精心设计的误导性宣传，而欧洲人却毫无察觉地一头扎了进去。航空记者贝尔纳·图内尔对此完全外行，自然也深信不疑（因为……这信息来自互联网）。
因此，下部进气口将被关闭，冲击波带来的超压将提供升力。这些飞行器“骑”在自身的下部冲击波上，被称为“波浪骑行者”（wave-riders）。这一概念早在上世纪五十年代就已提出，当时人们设想在飞行器下方、冲击波后方进行“外部燃烧”（但不幸的是，这会“烫伤鸟类”，当然前提是该高度真有鸟存在）。
我们在顶部开启一个进气口，其几何形状类似某些激光打印机的出纸口。在其前方是一段长通道，配备有壁面式MHD发电机（参见我的书）。该MHD发电机产生电能，随后被重新注入飞行器后部的“半导流通道”（鸭尾状结构），以增强喷气的比冲。这就是所谓的“MHD旁路系统”（MHD bypass），萨马斯在2000年捕捉到了这个词（但当时其含义对他而言可能仍十分陌生）。萨马斯撰写的那篇文章中包含大量信息，其中早在2000年就提到了霍尔效应的重要性（对他而言：希伯来语，正如对图内尔而言亦然）。我必须承认，正是萨马斯文章中所记载的、来自俄罗斯项目发起人弗赖施塔特的言论，促使我前往布赖顿，并引导我向在场的美国专家提出质疑，而图内尔则迫不及待地将这些专家的名字公之于众。
这种电能的产生是以牺牲气体动能为代价的，因此气体得以平缓地重新压缩，而非通过冲击波——这正是必须避免的（若在飞行器下部进行，则无法避免，这是美国人和俄罗斯人常在学术会议中散布的又一误导性信息，而法国“专家”们却毫无察觉地一头栽了进去）。正是在这里，让-皮埃尔·皮特的思想得以实现：通过防止特征线交叉，从而避免冲击波的产生，因为正是这些特征线的重叠才导致了不希望出现的冲击波。于是形成一个经典的“膨胀扇”，这是苏帕罗（Supaéro）学生非常熟悉的现象。以下是在未启用“减速-发电机MHD”系统的情况下，MHD进气口附近可能发生的情况：
一个“收敛段”（位于右下角）会使特征线恢复直线，导致马赫面重叠并积累压力扰动。气体被减速、重新压缩，但冲击波随之出现。重叠发生的区域正是冲击波形成的位置。
而一个“膨胀扇”（位于右上角）则相反，加速气体，提高马赫数。马赫线向外发散，因此无法交叉，也就不会产生冲击波。这是二战前的流体力学原理。若MHD发电机未接通，进气口的膨胀扇将使以高超音速进入的气体速度进一步提升，马赫数更高，进入压气机时已不可接受（尽管这种后缩式进气口具有防止雷达波反射回涡轮叶片的优点，因此具备“隐身”特性——参见我书中封面那张被拙劣修饰过的美国X-47A无人机照片）。
X-47A正面图
接下来是同一架无人机的侧视图：
X-47A侧视图
可以清楚看到，这种后缩式进气口的设计有效防止了雷达波击中涡轮叶片后反射回来（正是这些叶片构成了隐身性最大的障碍）。值得注意的是，这架无人机本身就是一个难题。这种进气口如何在超音速下工作？乍看之下似乎不可能。但若它是一架战斗无人机（美国人将其描述为战斗型，却未说明任何性能细节），即使具备极强机动性（尽管其喷管似乎并未“矢量偏转”，即无喷流方向调节功能）……难道它竟是亚音速飞行的？B-2轰炸机超越了著名的B-52（五十年代战略空军司令部的关键平台），是迄今为止最复杂的飞行器。然而，它被描述为亚音速飞行。它真的如此吗？这些难题从未被航空记者们触及，而图内尔正是其中之一。然而，本该由他们来提出这些问题。
但让我们回到对美国高超音速飞行器及其MHD控制进气口的“解密”。在中间图中，展示了进气道内马赫面的变化，未考虑壁面式MHD发电机自然运行所引发的电磁力 J × B 的作用。
现在，若将膨胀扇效应与洛伦兹力引起的气体减速效应结合，只要操作得当（这需要大量博士论文支持，而如今许多物理系正因缺乏新点子而陷入全面衰退），便可平滑地重新调整这些特征线、马赫面，防止其在流道内交叉，从而避免冲击波的产生。当特征线完全被拉直并垂直于流体流动方向时，胜利便已到来：你已进入亚音速状态，可以安心地将已被重新压缩但未加热的气体送入飞行器的常规涡轮喷气发动机叶片。于是，同一台发动机既可用于起飞、超音速飞行（至马赫3.5），也可用于高超音速飞行（至马赫12）。难道不神奇吗？更惊人的是，用于减速气体并使其在涡轮入口达到合适压力所需的能量……正是由该发动机自身提供的！这一概念早在贝尔纳·勒布朗1986年的博士论文及后续科学出版物中已明确提及。但我并不确定法国国防采购局（DGA）或国家航空航天研究办公室（ONERA）的专家们是否真正理解了这一理念（文中仅轻描淡写地提到“降低波阻”）。相反，论文答辩后，研究员贝尔纳·丰坦（曾于1965至1972年在我工作过的流体力学研究所任职，后成为法国国家科学研究中心物理工程科学部负责人）曾电话告知我：“由于勒布朗曾与你共事，他在任何法国研究实验室都找不到职位。”
顺便提一句，MHD发电机在低密度（环境压力：1毫米汞柱）下运行时会产生强烈的霍尔效应，同时产生高电压，这些电压自然传导至飞行器前缘，形成一层保护性等离子体气垫（对应于风洞中Ajax模型的照片实验）。头部冲击波的热效应因此被大幅削弱。但这种冲击波并非持续存在。事实上，在这种高超音速侦察机巡航时，其速度会迅速提升，使其跃升至约120公里高空——那里空气极其稀薄，热流可忽略不计。奥罗拉便这样在低层大气中“弹跳”飞行（相对而言：80公里高度），如同石子在高空大气表面“跳跃”。飞行员因此经历周期性增重与失重交替，轨迹呈抛物线，周期约数十秒（参见我网站上关于超音速滑翔机的专题）。他们已习惯这种状态，但在民用版本中，乘客则需服用晕机药或备好方便袋。
原则上，这些思想任何学生都能理解。但实际操作却完全不同。背后隐藏着巨大的技术难题，我既了解其本质，也知晓解决方案，我的美国和俄罗斯同行亦然。这甚至曾是我们在布赖顿讨论的主题之一，但我并未将其写入我的书中。我将让法国人自食其果，为他们盲目投身于这些他们甚至未曾察觉的“流沙”而付出代价。我绝不会主动提供解决方案——这些方案从未被书面记录，我仅在2003年6月于苏帕罗学院的研讨会上向该校学生透露过。
祝你们好运，朋友们。这件事的教训是：一方面，正如某位耶稣从迦百农会堂出来时所说：“先知在自己家乡是不被接受的。”另一方面，真正革命性的思想在保守主义盛行的国家往往需要数十年才能被接受（在法国，这一问题还因整个科研领域被来自……巴黎综合理工学院的人所垄断而进一步恶化）。您或许还记得庞加莱的一句话：
“若想摧毁德国的军事潜力，就为它建立一所巴黎综合理工学院。”（吉尔伯特·佩扬正是出自这所著名“模具”）
此后十五年，我转向了天体物理学和宇宙学。但我担心，即便在这些领域，至少在法国，我的观点也仍显得过于超前。参见正在撰写的《一位博学者的日记》“Journal d'un Savanturier”。
如今，我放弃这些领域后，转向了埃及学。我正积极准备发表我在该领域的研究成果（这可能并不容易），我认为自己已彻底破解了伊姆霍特普关于金字塔建造方式的所有秘密（请放心：并非反重力技术）。
最后一个小故事：您知道“兰图鲁”系列的诞生归功于谁吗？是于尔贝·库里昂，当时他掌管着CNES，而埃斯特勒和扎波利则尽其所能尝试发展我最初的MHD构想（得到佩扬和军方的默许）。我曾请求他介入，并告诉他：
“您的团队宁愿放弃我的帮助，尽管他们对此完全外行。那么他们必然失败（事实很快证明了这一点）。好吧，如果您不干预，我将把创造力和空闲时间转向科学普及。随信附上几份可构成系列的初稿。”
库里昂（现已去世）从未回复我的邮件。
最后一点说明。
经过艰难尝试，我使用1200 dpi扫描仪放大了《VSD》杂志中被图内尔大幅缩小的图像。我瞪大眼睛，读出了文字，将其清除并重新排版，使其变得可读。以下是该图：
这本应是Ajax项目的示意图。若前缘确实为斜切设计（虽未明确说明，但艺术家绘制的图片如2000年12月《航空与宇宙》封面所示），我们理应看到两条冲击波，如下图所示：
而这正是我们想要避免的。该图中显示了一个“电离器”，即电离系统。为何在此？为何不在更合理的前缘处安装？图中还有一个“外部MHD发电机”，即“壁面式”发电机。绘图者还补充了一个位于进气道内部的MHD发电机，两者均作为气体减速器运行。“MHD旁路”系统使得喷管出口处绘图者添加了一个MHD加速器。但这一切并不十分清晰。我认为该图是误导性信息，而布赖顿会议所展示的图才是正确的。我敢向任何熟悉气体电离物理的流体力学家挑战，让他们证明相反的观点。我在苏帕罗演讲时在场的流体力学家们也持相同看法。