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中国亚轨道航天器首次重复飞行!水平降落:究竟是怎样的飞行器?

2022-08-27 21:08:41 12511

摘要:据央视新闻报道,8月26日,由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院自主研制的升力式亚轨道运载器重复使用飞行试验获得圆满成功。新闻中什么都没说,但其实什么都说了我国的新闻都颇有特色,就如上面这条新闻这样,人事时地物都交代了,但你...

据央视新闻报道,8月26日,由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院自主研制的升力式亚轨道运载器重复使用飞行试验获得圆满成功。

新闻中什么都没说,但其实什么都说了

我国的新闻都颇有特色,就如上面这条新闻这样,人事时地物都交代了,但你看出啥意思了吗?除了重复使用的亚轨道运载器圆满成功以外就知道了一个发射点,一个降落点,其他啥都没有了,但其实这里面包含的意思可就丰富了。

重复使用:也就是至少第二次了

其实新闻的关键词中就有这个说法,首次重复使用飞行,其实就是第二次!这个意义比较大,首先这是我国第一次重复使用航天器,新闻稿也说了“有力推动了我国航天运输技术由一次性使用向重复使用的跨越式发展”,但有另一层意思却没有说。

亚轨道重复使用这个坑比较大,这不像回收火箭和助推器,只要保证没摔坏就可以,而亚轨道航天器却要考虑另一个情况,也就是轨道高度和再入速度,可能有很多朋友认为亚轨道就是低于卡门线,全程在大气层内飞行。

其实不然,因为亚轨道的含义是不入轨,但并没有说不出卡门线(100千米高度),就像洲际导弹再入一样,它依然具有相当高的速度,比如20倍音速,此时要考虑什么?就是绝热瓦!

因此我们有理由相信,这架亚轨道运载器很有可能是有绝热瓦的,可能等级不如入轨的空天飞机那么高,但一定相当可以,这个重复使用表示我们的绝热瓦重复使用或者检修后重复使用技术已经完全掌握。

升力体:这个含义更丰富

我们知道向弹道导弹再入就只有一个弹头,它就是圆锥体,在大气层中的升阻比烂得一塌糊涂,但升力体就不一样了,它相当于一架“滑翔机”,当然从太空边缘返回大气层再到地面降落,会经历一个“高超音速-高音速-低音速-亚音速-着陆”的过程,它可没有飞船返回那么高温度,那么控制飞行器在大气层内驭波滑翔就成了一件必然会发生的事情。

驭波者(气动结构为乘波体)在高超音速下的升力来源和低速滑翔不一样,它利用的是激波的能量,将其“怀抱”在飞行器翼下,让其为飞行器高超音速滑翔时提供升力,这个效率很高,而且高超音速滑翔高度很高,其滑行距离是可控的。


大家都知道,和DF-17个头差不多的DF-15B,射程大概就600~800千米,但DF-17的射程高达2500千米以上,没有别的别,DF-17的弹头是一个高超音速滑翔体,这表示其在高超音速下的升阻比很高,美国物理学家安德森就给出过一个乘波体的升阻比:

(L/D)max=6(Ma+2)/Ma

假如以10马赫开始滑翔,那么它的升阻比可达7.2以上,比航天飞机的最大升阻比都要高得多,因此相比一般构型的飞行器,其能够在损失更少速度时达到相同的机动性,从而获得“能量优势”。

垂直发射,水平降落,从酒泉到阿拉善

从酒泉卫星发射中心到阿拉善,只有250千米不到,航程就这么低?显然这不符合常理,但这恰恰告诉大家一个信息,这架亚轨道航天器是可以拐弯的,当然在高超音速滑翔时拐弯并不是什么难事,但这恰恰告诉对方,目标被打击时可能并不是目标来袭方向,更有可能是来自目标背后,因为这个才是对方防守最松懈的方向。

亚轨道航天器:高超音速技术全面开花

近几年来,是不是今年听到一些关于高超音速的新闻:

    2022年1月24日11点30分,清华大学航天航天学院启动与实施实验室新型飞行试验,试飞成功。试验初试能力,在新型动力装置的自主研发与工程实现能力上,领域跻身世界前列。”

    2022年7月4日,西北工业大学航天学院空天组合动力团队牵头研制的“飞天一号”火箭冲压组合动力在西北某基地成功发射;

    2022年8月5日,我国在酒泉卫星发射中心,运用长征二号F运载火箭,成功发射一型可重复使用的试验航天器;

笔者只是挑了最近测试飞行的一些案例,其中清华航天测试的是旋转爆震发动机、西北工业大学测试的RBCC的组合冲压发动机,而第三个酒泉的则是传说中的“空天飞机”。这些都是和高超音速动力或者滑翔相关的,大家可能都看得很糊涂,下文简单介绍下各种高超音速技术。

    高超音速技术:到底有哪几种

我们听到的各种高超音速技术大致可以分成两大类,一类是滑翔高超音速,另一类则是吸气式高超音速;前者还可以分成两大类,一类是轴对称高超音是滑翔体,另一类是升力体高超音速。

轴对称高超音速滑翔体

轴对称高超音速门槛相对比较低,它的识别度比较高,基本就是一个圆锥体,周围带几片小翼,比如美国的AHW就是轴对称高超音速滑翔武器,上文有述这种滑翔体的升阻比是很差的,就算滑翔也飞不了多远。

升力体高超音速滑翔体

关于升力体上文也基本介绍了,这个在乘波体高超音速气动控制技术下,其滑翔距离比较远,目前主流的也是这种气动结构,比如我国的DF-17和美军的ARRW就是这种或者类似的结构。

两者气动布局不一样,但有一点是差不多,就是在以高超音速滑翔时的绝热技术,这个不难,毕竟能返回航天飞机和飞船的国家这就是小菜一碟,但关键时既耐高温又能透波探测与控制,甚至光学侦察等技术就是各显神通了。

吸气式高超音速发动机,究竟有哪几种

上文说的是高超音速滑翔,但高超音速还有动力型,这就是高超音速发动机,一般目前的高超音速动力类型大都有如下几种:

    冲压发动机

    脉冲爆震发动机

    组合循环发动机

冲压发动机其实也有两大类,亚燃冲压发动机最高速度只能在4倍音速左右,更快的速度只能是超燃冲压发动机,两者的区别是通过燃烧室的气流,超燃是超音速,而亚燃则是亚音速。

在亚燃冲压发动机的燃烧室内应该是等压燃烧,其速度为音速,而超燃冲压发动机燃烧室内应该是等容燃烧,以爆轰波的形式传播,否则无法在超音速气流中稳定燃烧。

脉冲爆震发动机

常规的发动机都是等压燃烧,自动维持燃烧室压力平衡,高了就从尾喷口喷出,而爆震发动机不是,它是等容燃烧,燃烧室内发生过爆炸,爆轰波以超音速传播,所以它的排气速度很高,并且爆轰可以以贫油燃烧,非常省油,简单总结一下就是爆震发动机的比冲很高,不过爆震发动机也有多个类型,一般可以分为如下几种:

    脉冲爆震:多管爆震发动机

    旋转爆震发动机:可以是组合式

    斜激波爆震发动机;

多管爆震发动机就是暴力型将多个爆震发动机绑定在一起,协调工作,共同产生推力,以高频率爆震方式形成连续推力,一般认为爆震频率在80HZ~100HZ以上就算是连续了。

旋转爆震则是一个环形燃烧室内周期性的爆震产生连续推力,从清华航天测试的旋转爆震发动机中可以看到,我国的旋转爆震发动机技术还是比较领先的。

斜激波爆震则是以一个倾斜面的方式让激波交叉反射,进入燃烧室,以激波混合燃料,以激波点燃或者其他激光点燃等方式连续爆震的发动机,这种发动机的最高速度可达音速的14~16倍,但难度实在太高,目前就公开的资料看只有中国获得部分突破。

组合应用的奇怪发动机

多管爆震和旋转爆震可以和其他发动机组合,比如涡扇或者涡喷等,形成特殊结构的爆震发动机,随着爆震发动机技术的发展,这类奇怪的发动机肯定会出现。

比如超燃冲压发动机有一个毛病,当速度越来越高时吸气时超燃冲压发动机燃烧室前的空气温度过高,与排气温度差距太小,造成推力不足,要达到更高速度,因此预冷超燃冲压发动机出现了,而不同的预冷技术,也表示这种超燃冲压发动机的路线不一样,比如液氢、碳氢燃料或者其他预冷方式等。

还有超燃冲压发动机无法零速度启动,因此它需要火箭或者涡轮喷气发动机组合或者火箭发动机作何,根据这样的类型又可以分为:

RBCC:火箭+超燃冲压动力发动机;

TRRE:涡轮+火箭+超燃冲压发动机;

TBCC:涡轮+超燃冲压动力发动机;

顾名思义,这些发动机就不用多废话了吧,全球多个国家都在研制一种或者两种类型的发动机,但是这些发动机都很有用,比如TBCC适合载人高超音速飞行器,TRRE适合空天飞机,RBCC适合高超音速导弹等等,当然要全部上了,而且我们技术都不低,国内多见类似新闻,比如:

延伸阅读:连张图都没有,真能一小到达全球?

如果只凭借滑翔的话想要一小时到达全球,那得火箭给力,毕竟按滑翔公式计算,高超滑翔距离还是比较有限的,但要是装上吸气式高超音速发动机这个就不太好说了,毕竟距离远近就不是滑翔说了算,而是燃料类型和飞行轨迹。

比如可以使用发动机跃出大气层再返回,以多次打水漂的方式接近目标,这种不仅节省燃料而且距离超远,一小时到达全球没啥好稀奇的。(完)

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