高超音速：是时候中国帮NASA改作业了

南华早报报道，国防科大高超团队在《空气动力学学报》上发表论文，指出NASA的Vulcan-CFD软件有计算错误，这可能是美国高超屡屡失败的一个原因。

高超音速飞行不光是速度快，还在理论上与传统空气动力学有原则不同。由于摩擦生热，高超飞行体表面温度极高，M6飞行时，表面温度达到1360C。传统空气动力学不考虑速度与空气温度之间的交互作用。

高温带来的不仅是飞行体结构耐热问题，还对周围气动环境产生传统空气动力环境下不需要考虑的物理和化学问题。

高温会导致热化学反应，改变空气性质。比如说，在高温下，氮和氧成为氮氧化物，这就是燃烧导致污染的源头之一。氮氧化物遇水会形成硝酸，具有腐蚀性。乙烷在高温下裂解成乙烯，在此过程中吸热，改变气态环境的热平衡。这不是说高超飞行会产生酸雨，或者导致乙烷裂解，只是说明高温对环境空气会造成意想不到的影响，必须考虑热化学的问题。

对于烧蚀型防热设计，材料在高温下蒸发散热，带走热量，飞行在烧蚀材料消耗完之前结束，否则烧蚀的防热作用就保护不了结构本体了。但要是有化学反应加进去，烧蚀速度可能显著加快，影响热保护作用。

烧蚀型防热设计有效、简单，但是一次性使用的。更先进的防热设计需要可反复使用。同样，表面的化学环境改变后，防热性能可能显著下降。

这些影响还会通过传热传质传动影响周围空气，导致局部空气温度、密度、粘度等物理特性的改变。烧蚀或者防热的局部损坏还影响表面光洁和均匀，导致局部热保护失效。高热对局部结构的软化或者损坏可能在强烈气动载荷作用下导致失控滚转甚至解体。

这些现象使得高超音速飞行体与周边环境空气的影响高度复杂，空气动力学成为空气热动力学，实际上还有热化学的维度。

Vulcan-CFD据说是业界标杆软件，但也是限制出口的，只能在美国境内发行，盟国都不卖，中国自然更不可能。估计即使在美国，也不是阿猫阿狗砸钱就能买的，需要各种安全审查。但NASA在2020年的一篇论文里，对Vulcan-CFD的关键计算公式有所披露，这些都是公开的。中国学者正是依据这些数据进行推断。按照中国说法，Vulcan-CFD在业界“很知名、很熟悉”。

国防科大团队与解放军航天工程大学、绵阳气动院合作，发现了Vulcan-CFD的计算公式错误：没有计入微观涡流对传热传质传动及其导致的化学反应的瞬态影响。以此可以推断：这些错误误导了美国高超音速飞行体的研究、分析、设计、制造，可能导致屡次失败。

稳态影响容易想象，这就是能量、物质最终都需要达到守衡的状态。但瞬态就不一定了。地铁站转车空间就是一个例子。从稳态来说，一条线上下来的人，最后都转到另一条线上，这是平衡的，只要有连接通道就行。但考虑到前一条线下来的人一拥而下，后一条线上车的人没那么快，连接通道会在短时间里一下子人满为患。但给一定的时间，又会疏解开来。这就是瞬态现象。上海地铁站转接通道又宽又长，一方面是地铁布线的原因，另一个原因就是考虑到转车的瞬态峰值容量。

这还是宏观的，从整体上来看的。放大到微观，需要把地铁通道每一个转角、每一个梯阶、每一个通道宽度收缩和放大都进行微观计算。在数值计算上，这就是“打格子”了，每一个格子自成单元，格子与格子之间通过边界条件连接和协调。

在空气热动力学和热化学计算中，一切都平衡下来后，只考虑宏观，是一个算法；计入局部的传热传质传动的瞬态，又是另一个算法。这事说说容易，但计算上就使得本来就复杂的少量定常非线性代数方程变为更加复杂的巨量时变非线性偏微分方程，数值求解的难度成数量级增加。

如果简单粗暴方法解不动，只有用模型降阶，以简化方程替代，但必然涉及到各种经验参数。这就需要大量风洞数据来凑了，拍脑袋是想不出来的。

NASA未必想不到，但要有大量高超音速风洞啊。否则就只有用简化的静态宏观模型了。

计算误差导致对高超音速飞行体表面的空气化学组成和性质、温度粘度等物理性质都“蒙擦擦”，而高超又是差之毫厘失之千里的事情，失败就不奇怪了。

如果属实，这是吃了缺乏高超音速风洞的亏了，否则风洞实测数据能较早发现理论和实测的差异的。

有人说，美国人对数字模型和仿真信心足，软件先进，所以不弄风洞，结果吃亏；中国人理论不行，软件不行，领导人迷信看得见摸得着的硬件，只有大造风洞，结果歪打正着。这是对科学和工程研发的彻底无知。只要还有实测的可能，没有人对于全新领域会单纯依赖仿真，这是科学和工程常识。仿真基于模型和数字计算，模型对了，计算无误，结果是可信的。没有任何实测数据为基础，不到“丑媳妇见公婆”的时候，如何知道模型是正确的？数值计算也可能有累积误差，数值计算的截断误差了解一下。

NASA不可能不知道这些道理，没有大造风洞，只是没钱，还想取巧，反正不急。谁知道中国会对高超认真了，而且一通百通了。这就像一直靠小聪明和花拳绣脚混得不错的孩子以为自己是班上永远的小霸，在硬功夫上还想继续耍小聪明、混腔势。后座的愣小子埋头苦修，悟到真经，拳脚舞得飞起时，突然发现花拳绣脚不管用了，但再苦修悟经在时间上不够，内力也散了，再聚好难。

美国高超真是落后了。陆军的LRHW在2021、22年试射接连失败，接下来的三次试射只能取消。失败的代价不便宜，仅2025财年（最新预算提案）就要求拨款12.8亿美元。但朝鲜高超弹都飞起来了，美国还没有。朝鲜是怎么做到的？用竹竿捅上去的，哦不，用泡菜滋上去的。不管怎么弄上去的，这事得问朝鲜。

说起来，美国是高超的先驱者。不说钱学森在美国时创建了高超这一概念，后来美国高超研究一直是领先的。直到十几年前，一下子被中国超过去。超车速度和干脆利落把中国自己都吓一跳。现在中国已经习惯于在高超方面遥遥领先了，有功夫帮NASA改作业了。

对了，NASA会不会是当年论文就有意放虚假信息？不能说没有可能，只能说可能性很低。这样的敏感科研都是保密审查一审再审的，公开发表就是要展示遥遥领先，震慑外人的。有意放虚假信息也有损NASA的信誉，以后没人把NASA当真了，也没人合作了。

中国为什么公开纠正NASA的错误？应该是一样的理由：展示遥遥领先。何况指出问题不等于就能解决问题。多少人屡教不改，不是因为不知道问题在哪里，而是改起来实在太难了，“臣妾做不到啊！”

往大里说，美国陷入经济政治困局，债台高筑，实体经济发展乏力，族群分裂，两党恶斗。这些问题都很清楚。能改吗？嘿嘿，你行你上。

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高超音速：是时候中国帮NASA改作业了

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