10 马赫的旅行触手可及？新研究简化了高超音速喷气设计

美国史蒂文斯理工学院的突破性实验正在重新定义高超音速飞行的技术路径。该校研究团队通过精密的风洞实验，首次为航空工程领域的经典理论——莫尔科文假设提供了确凿的实验证据，这一发现可能将大大简化未来高超音速客机的设计复杂度，使10马赫速度的商业飞行从科幻构想向现实迈进了关键一步。

研究团队负责人尼古拉斯·帕齐亚莱教授及其同事花费近十一年时间构建的定制实验装置，成功观测到了6马赫气流条件下的湍流行为。实验结果表明，即使在如此极端的速度条件下，气流的基本湍流特性仍与低速飞行时保持相似，这为工程师们沿用现有的空气动力学设计原理提供了科学依据。

理论验证的工程意义

莫尔科文假设由苏联科学家马克·莫尔科文在20世纪50年代提出，这一理论假设认为，尽管高超音速飞行中空气的密度和温度会发生剧烈变化，但湍流的基本运动模式在低速和高速条件下应该保持一致。如果这一假设成立，工程师就无需为高超音速飞行开发全新的理论框架，而可以在现有空气动力学知识基础上进行设计优化。

此前，这一假设虽然在理论计算中被广泛应用，但始终缺乏直接的实验验证。航空工程师在设计高超音速飞行器时，往往需要采用保守的设计方法，增加大量安全余量，这直接导致了设计的复杂化和成本的攀升。

帕齐亚莱团队的实验采用了创新的可视化技术。研究人员将氪气注入风洞气流中，并使用激光将氪原子电离，形成一条发光的示踪线。通过超高分辨率相机捕捉这条荧光线在6马赫气流中的运动轨迹，研究团队能够精确观察湍流的微观结构和演化过程。

实验结果显示，在6马赫条件下，湍流行为确实与不可压缩流动极为相似。这一发现验证了莫尔科文假设的正确性，为高超音速飞行器的设计提供了重要的理论支撑。

商业化前景与技术挑战

代表性图像：高超音速飞机可以缩短未来长途飞行的持续时间。 盖蒂图片社

高超音速客机的商业化潜力巨大。以悉尼到洛杉矶的航线为例，目前需要约15小时的飞行时间，而10马赫的高超音速客机能够将这一时间缩短至仅1小时。这种革命性的速度提升将彻底改变全球航空运输格局，使得跨洲际的商务旅行变得如同城际通勤般便捷。

然而，实现这一愿景仍面临诸多技术挑战。目前最先进的军用飞机的最高速度约为2到3马赫，要达到10马赫的商业运营速度，需要在推进系统、结构材料、热防护和控制系统等多个方面实现重大突破。

在推进技术方面，高超音速飞行需要采用超燃冲压发动机或组合循环发动机。这类发动机在高速飞行中能够有效利用来流空气进行燃烧，但其工作原理复杂，对燃料喷射、混合和燃烧的精确控制要求极高。目前，这类发动机主要应用于军事领域的试验飞行器，距离商业化应用还有相当距离。

结构材料是另一个关键挑战。高超音速飞行中，飞行器表面温度可达数千摄氏度，传统的航空材料无法承受如此极端的热载荷。需要开发新型耐高温、轻量化的复合材料，并配备有效的热防护系统。

此外，高超音速飞行的控制系统也面临前所未有的挑战。在极高速度下，飞行器的动态响应特性发生显著变化，传统的飞行控制理论和方法需要重新评估和改进。

太空运输的新可能

帕齐亚莱团队的研究成果不仅对高超音速客机具有重要意义，还可能为太空运输开辟新的技术路径。传统的太空发射完全依赖火箭推进，成本高昂且效率有限。高超音速飞行器有潜力发展成为新型的太空运输工具，通过大气层内的高速飞行获得足够的动能，然后进入太空轨道。

这种"空天飞机"概念能够实现水平起降，大大降低发射成本和复杂度。美国、欧洲和其他航天大国都在积极研发此类技术，试图打破传统火箭发射的技术垄断。

目前，SpaceX等商业航天公司已经通过可重复使用火箭技术显著降低了发射成本。如果高超音速空天飞机技术成熟，将进一步推动太空经济的发展，使近地轨道的商业化利用变得更加可行。

从技术发展趋势来看，高超音速技术正处于从实验室研究向工程应用转化的关键阶段。美国、中国、俄罗斯等航空航天大国都在该领域投入了大量资源，相关技术的竞争日趋激烈。

莫尔科文假设的实验验证为这一技术竞赛提供了重要的理论基础。虽然从实验验证到商业化应用还有很长的路要走，但这一突破性发现无疑为高超音速飞行的未来发展注入了新的信心。随着相关技术的不断完善，10马赫速度的商业飞行或许将在未来几十年内从科幻小说走向现实。