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九峰





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发表于 2017-5-29 07:54 PM  资料  个人空间  短消息  加为好友 
晨枫:中美高超音速飞行器 谁离星辰大海更近

观察者网专栏作者 晨枫】
5月24日,美国国防先进研究规划局(简称DARPA)与波音签订协议,研发XS-1高超音速飞机。XS为Experimental Spaceplane的缩写,意为实验性空天飞机,用于验证低成本卫星发射系统。
随着卫星的军民用价值迅速提高,更多的卫星等待发射,失效的卫星必须迅速补射。传统发射方式的成本太高,准备时间太长,已经不适合需要了。XS-1要求把每次发射的费用降低到500万美元以下,比现在的典型发射成本降低90%,并把再次发射的准备时间缩短到几小时,而不是现在的几个月。
在上世纪60-70年代空间竞赛时代,美国在空间技术方面连创辉煌,最后以“阿波罗”登月计划为顶点。进入80年代,美国空间技术再创辉煌,航天飞机的成就至今无人超过。但进入21世纪后,只有伊隆·马斯克的“猎鹰”和杰夫·比佐斯的“蓝色源泉”等民间可重复使用火箭项目在折腾,美国政府主导的空间技术研发进入了沉寂,甚至出现发射军用卫星必需的重型运载火箭依靠俄罗斯RD180发动机的尴尬。在高超音速方面,除了雷声大、雨点小的X-47和X-51计划外,也是静悄悄的。XS-1计划使得人们会心一笑,美国又回来了。


美国波音公司开始开发XS-1空天飞机,该机实际上是一种可返回式运载火箭



苏联时期计划的“安加拉河”火箭助推器,其实和XS-1差不多是一样的概念


但笑过之后,人们愕然发现,XS-1远不如想象,在概念和技术上只是逆转的航天飞机。航天飞机的助推级是一次性使用的,载荷级可重复使用。XS-1反过来,助推级可重复使用,载荷级反而是一次性使用。这当然是有道理的。航天飞机是载人的,载人的载荷级(也叫轨道舱)是最昂贵的部分,重复使用有利于降低成本。XS-1是不载人的,只用于发射卫星,载荷级不必重复使用,但更大的助推级反而是发射系统成本的主体,所以这才重复使用。实际上,这可以看作带翼、具有滑翔着陆能力的“猎鹰”可回收火箭。
除了这一逆转,XS-1在推进技术和热防护技术上没有新意,基本上是现有技术的再包装。XS-1采用Aerojet Rocketdyne的AR22液氢液氧火箭发动机,这是从航天飞机主发动机改进而来的。XS-1依然采用垂直发射,用单级火箭推进到大气层边缘后,释放载荷级,自身靠机动滑翔返回发射场。一次性使用的载荷级则在自身火箭动力下进入近地轨道,任务完成后在返回中焚尸灭迹。由于助推级始终在亚轨道高度飞行,没有再入问题,所以也没有多少热防护问题。取消热防护要求大大降低了系统重量和成本。
波音计划在2019年进行发动机地面测试,展示10天内接连发射10次的能力,2020年进行飞行试验,可能进行12-15次发射。载荷从无载荷开始,然后从400公斤逐步增加到1360公斤。飞行试验从5倍音速(也可表达为M5)开始,逐步提高到10倍音速,这是高超音速了。
天下武功,唯快不破。高超音速飞行器不仅速度快,还有强大的机动能力。弹道导弹也很快,但只有有限的机动能力。正因为如此,弹道导弹一发射,就可以推算出弹道全程的大概,反导弹就可以按照提前量发射了。这好比鬼子一出炮楼,就可以根据走哪条路,判断扫荡目标、行进速度和路径,就可以赶紧埋地雷了。反导弹的机动性只需要补偿弹道计算误差或者目标的有限机动能力。
高超音速飞行器的机动能力大大超过弹道导弹,在最终转入攻击之前无法判断导弹的攻击目标和弹道,最终只有靠现在还不存在的高超音速反导弹或者激光、粒子束武器来拦截,常规拦截手段很难奏效。如果还是用鬼子扫荡作比方,鬼子上路后,有意识地不断改变路径,迷惑游击队,甚至可能绕一圈从背后偷袭,这地雷就不好埋了,只有从村里加强对四面的观察,根据鬼子的最后动向,兵来将挡、水来土掩了。换句话说,这仗要难打得多。



现有反导系统的设计前提都是弹道导弹的轨道可以预测


在气动上,由于高超音速飞行的表面生热巨大,飞行体表面的边界层不再仅仅是流体力学问题,也是热力学问题。比如说,边界层会受热膨胀,雷诺数不再能有效地描述边界层和流动现象。空气动力学与热力学拧到一起,成为空气热动力学。另外,高超音速主要工作在空气特别稀薄的高层大气,与低层的稠密大气相比,空气分子之间的距离显著增加,空气的连续性假设不再可靠,需要当作粒子来处理,使得很多传统理论与方法要重新考虑。
中国在高超音速方面卓有成就,传说中的DF-ZF(也称WU-14)高超音速飞行体已经试验了7次,全部成功。这是助推-滑翔体,还不是动力飞行体。中国对助推-滑翔体已经玩得很纯熟了,A300火箭弹采用拉起弹道,射程增加到300公里以上(在出口市场上限制到280公里,以遵守导弹技术公约要求),这也是助推-滑翔技术的应用。但助推-滑翔更适合一次性使用,或者XS-1这样的“伪可重复使用”,真正可重复使用的高超音速飞行体应该像普通飞机一样水平滑跑起飞和降落,并在极高空达到高超音速。这对动力提出了全新的要求。



CCTV7频道节目中曾惊鸿一现的东-5导弹新型战斗部,被认为很可能就是WU-14飞行器的某种发展型




面对连续7次成功试验的WU-14,美国也加速了AHW高超声速导弹的试验




结果……


传统的涡轮类(包括涡喷和涡扇)喷气发动机在M3左右达到速度极限,常规冲压式喷气发动机在M5左右也达到速度极限了。这是因为涡轮类和冲压都是基于亚音速燃烧,进气必须减速到亚音速,然后再通过收敛-扩散喷管达到超音速。这样的减速-加速过程造成本质阻力,到一定的时候,阻力增加比推力增加更快,速度就达到极限了。火箭发动机当然是可以达到高超音速飞行的,但需要自带氧化剂,重量较大,危险性也较大,发生泄漏就可能造成爆炸。吸气(包括涡轮类和冲压)发动机从空气中吸取氧气,效率要高得多,也较安全。但冲压发动机要用于高超音速,必须基于超音速燃烧。这个超燃可是不容易。


空气中的压力波以音速传递。常规燃烧的火焰扩散在亚音速进行,所以热空气的膨胀扩散快于火焰扩散。超音速燃烧的火焰扩散速度超过空气膨胀速度,空气急剧升温增压但来不及膨胀,积聚的巨大能量最终释放出来的时候,强大的压力形成破坏性的激波,这就是爆炸。激波的理论密度为无穷大,激波扫过来就像钢板打脸一样,而且是超音速的速度,这就是爆炸威力远远大于燃烧的道理。超燃冲压可算是可控的连续爆炸,其燃烧控制的难度可想而知,就算达到稳定燃烧了也只有很窄的工作范围。


多少年来,超燃冲压就像海市蜃楼,似乎触手可及,但又总是飘然而去。仅有的成功试验早先只有秒级的工作时间,现在延长到分钟级,还都是在屡败屡战之后。但2015年国防科大王振国教授获得冯如航空科技精英奖,他是超燃冲压专家,颁奖仪式上却对他的成果只字不提,倒是符合中国对于军工科研守口如瓶的传统。


但于3月6日由美国航空航天学会(简称AIAA)、中国工程院主办、厦门大学承办召开的21届国际航天飞机和高超声速系统与技术大会上,中国大大方方地揭示了大量成功的试验和实物图片,并透露了中国已经成功地进行了超燃冲压的飞行试验。更加惊人的是,中国研制的涡轮-火箭-冲压组合循环发动机(简称TRRE)将在2017年底前开始飞行试验,如果成功,这是世界第一。其他国家(包括美国)慢说组合循环,连具有实用意义的可持续超燃冲压都没有做到。中国尽管没有透露超燃冲压可持续工作的时间,但要是达不到至少亚小时级,研发组合循环发动机是没有意义的。这一阶段的试验将持续到2020年,在2025-30年进行水平滑跑起飞-着陆的飞行试验,如果成功,更是里程碑级的成就。




一次对公众极为低调,但在行业内不啻于雷霆万钧的大会


中国的TRRE采用上下并列的基本布置,共用可调进气口,然后进气道分叉,上半通向涡轮发动机,下半通向火箭-冲压发动机,两者的喷口在扩散段再度汇合。这种上下并排的布置巧妙地利用了涡轮发动机需要弯曲、扩张的进气道和超燃冲压需要短直进气道的问题,尾后合并的喷口也巧妙地利用了涡轮发动机需要收敛-扩张喷口和超燃冲压只需要扩张喷口的特点。可调的进气口控制激波系的形状和位置,确保进气道工作条件与发动机工作模式最优匹配。


上涵道里的涡轮发动机在静止到M2之间工作,下涵道里的火箭冲压在需要加速时启动,这时可以等效为加力燃烧室。火箭冲压也称吸气火箭、引射冲压,用贫氧富油的高温火箭燃气对冲压进气引射增压,并与进气混合燃烧,大大提高冲压的效率、推力和工作速度。在M2时,上涵道关闭,下涵道进入亚燃冲压模式,然后在M3-6之间转入火箭冲压模式。在M6时转入超燃冲压和火箭冲压组合模式。发动机以性质稳定、价格低廉的航空煤油为燃料。


中国在过去两年里进行了大量试验,验证了加速、巡航、机动等各方面性能,验证了上下涵道的协调工作和可靠平顺的模式转换,有效地解决了低速时的大推力要求和M6时的高比冲要求之间的矛盾。试验证明了下涵道里的液体火箭和双模冲压在M1.5-7之间协调工作的可行性。2016年,进气道和喷管试验完成,M1.8条件下的台架试验也完成。M2-6的稳态台架试验已经开始。试验验证了TRRE的进气道、喷管和燃烧室设计和模式转换。试验数据表明,可在1平方米捕获面积下达到8吨推力,达到设计要求。应该注意的是,8吨推力看起来不多,但超燃冲压最大的挑战是降低阻力,其次才是提高推力,8吨不少了。




在这次会议上,中国突然公布了一系列新的技术成果



目前还在幻想中的SR-72高超声速飞机的动力系统,已经比中国在2017年将开始测试的TRRE发动机落后一代了


组合循环发动机不同于变循环发动机,前者是涡轮类喷气发动机、亚燃与超燃冲压发动机和火箭发动机的组合,后者为涡喷与涡扇之间的无缝切换。前者用于高超音速与空天飞行,后者用于常规的大气层内飞行,比如M2一级的超巡战斗机或者超音速客机。美国空军为第六代(在中国称为第五代)战斗机研发的AETD发动机就是变循环发动机。


厦门会议还揭示了其他来自中国的大量重大成果,尤其是大量成果都有实物试验验证,这意味着技术水平接近或者已经达到实用程度,而不是纯理论或者纯数字仿真的空谈。比如说,国防科大已经成功测试了660毫米直径的连续旋转爆轰发动机,这是脉冲爆轰发动机的进一步发展,同样利用超燃时压力波“自我闭锁”的机理,使得燃烧的温度和压力极大升高,而且产生连续推力,可能突破涡喷、涡扇的速度和热效率局限,成为下一代喷气发动机的基本技术。北航展示了紧凑型高效换热器技术,可以将进气温度迅速降低,不仅提高进气密度和进气道效率,还对热端部件的起冷却作用,可用于减轻防热设计带来的重量,或者进一步提高热工参数,试验已经取得“令人满意”的成功。


在材料方面,中国新研制的轻质热防护材料采用仿生的陶瓷表面结构,耐热能力提高近万倍。其他新型热防护技术包括泡沫碳、陶瓷覆层和夹层隔热、波纹夹层与隔热复合结构等。中国科研人员还研究出三维碳纤维编织技术,形成三维网格复材结构,避免了传统二维复材的界面分离问题。应该指出,这些技术在航空上也有巨大价值,三维编织碳纤维风扇叶片就是C919的LEAP发动机的关键技术之一。


在理论方面,中国在高超音速非稳态流动理论、复杂流动机制和数值仿真等方面取得突破,对物理耦合现象取得深入理解,发现了新的流动现象,建立了高升阻比高超音速飞行器的最优设计方法,建立了同时达到降低热通量和降低阻力的新方法。中国还摸清了碳氢燃料的熄火极限,这是使用碳氢燃料的超燃冲压工作范围的理论极限,对设计至关重要。中国在高超音速进气道设计中采用弯曲表面的压缩面。一般来说,人们对高超音速飞行中的空气热动力学的理解还很粗浅,所以已经飞行的高超音速飞行器大多是直线、平面结构,把复杂的三维问题简化成二维。弯曲表面的压缩面代表了更高层次的技术和自信。




目前大多数高超声速飞行器的设计都是“直线”外形


中国还在大量兴建高超音速风洞。理论前沿只有得到实验验证,才能成为可靠的指导工具,对于已经突破传统理论应用范围的高超音速研究来说,更是如此。中国的高超音速风洞有科学院力学所的当前世界最大的JF12风洞、航空航天院即将完工但比JF12更大的FD21风洞、国防科大的M6低噪声风洞,当然少不了绵阳的可以模拟长达600毫秒的M4-7高超音速试验装置,JF12只能模拟100毫秒。这些风洞是蓬勃兴起的中国高超音速研究的底气。


回到XS-1,其液氢液氧火箭是“阿波罗”计划的“土星V”就采用的技术,而没有采用更先进的超燃冲压或者任何形式的吸气发动机。XS-1依然采用低效的垂直发射,完全依靠蛮力把载荷托入空中。航天飞机轨道舱(包括载荷舱、驾驶舱和燃料、发动机)的重量为110吨,最大载荷25吨,但整个航天飞机的最大起飞重量竟达2000吨,其他的都是发射后就抛弃的助推器、外部燃料箱。两台助推火箭的推力各12500kN,加轨道舱三台主发动机共产生5525kN,起飞需要超过30000kN的推力!相比之下,飞机依靠机翼在滑跑中产生气动升力,可用低得多的能量升空。最大起飞重量为254吨的波音787-9只需要两台320kN级的涡扇发动机就可以起飞,这还是考虑到一台发动机在起飞中故障情况下的单发强行继续起飞所需的推力。波音787只有载客量数据,没有载重量数据,但最大起飞重量相似的C-17可载重78吨。垂直起飞的航天飞机与滑跑起飞的常规飞机的效率和经济性差别不言而喻。


在气动上,XS-1在尺寸上相当于公务飞机,在气动布局上与航天飞机很相似,但机翼具有大型翼梢小翼,作为替代垂尾,正常垂尾的位置要用于搭载载荷级。XS-1的气动控制能力估计也比航天飞机有所提高,改善了机动性,降低了对着陆场的跑道要求。但机翼升力可能不足以实现在滑跑中起飞,这使得XS-1的返回依然只能在指定着陆场进行,否则在偏远的备降场着陆的话,无法靠自身动力返回发射场,还是要劳驾NASA的专用波音747驼在背上,这就费事了。中国的采用TRRE的空天飞机将能从普通机场起飞和着陆,技术水平差距不可同日而语。


在厦门会议上,中国方面一口气发表了所有347篇论文中的272篇。如果这只是主场现象的话,2016年在亚特兰大举行的第20届会议只有89篇论文。中国军工向来有很深的保密传统,官方对很多已经在光天化日之下的“天下保守得最差的秘密”还拒不承认,慢说深藏水下、不为人们所知的真正秘密了。考虑到高超音速的军用潜力,厦门会议上中国的大动作不同寻常。美国《航空周刊》称这是中国对整个西方的叫板(a shot fired across the bow of the West)。




相比之下,某些完全没摸到高超声速门槛的国家设计出来的方案,一看就是……拿这种东西出来显摆,中国是不会干的


厦门会议还完整透露了中国的高超音速研究计划。国家自然科学基金会出资1.5亿人民币,在2007-16年之间组织了9年研究计划,涵盖全国的科研院所和高校,涉及高超音速的所有主要方面。计划分三阶段,前四年打基础,中间两年择优深入,最后三年成果集成,尤其是要有实物。整个计划有三个目标:1、健全研究体系,完善设计方法;2、取得关键技术突破;3、打造人才队伍。在厦门,不仅国家队的绵阳的国家空气动力研究与发展中心、北京的科学院力学研究所积极很活跃,航天科工集团第三研究院、三十一研究所、中航工业沈阳飞机设计研究所、中航商飞、燃气涡轮研究院、运载火箭技术研究院、国防科大、西工大、南航、北航、厦大等都有积极参加。《航空周刊》称之为协调有效、举国发力的高超音速科研计划,不仅具有惊人的深度、广度,而且在相对较短的时间里就取得了多到令人晕眩的重大成就(a cohesive, nationwide hypersonic research and technology program that not only shows astonishing depth and breadth, but has also produced a bewildering number of major accomplishments in a relatively short period)。一本正经的权威专业杂志这样堆砌惊叹词是很少有的事情。


中国在高超音速领域敲响了战鼓,但选的地方很小众、很专业,该听到的人想不听到都不行,不需要听到的人依然在懵懂之中。中国不想成为威胁,但老虎和眉善目的,可不能当病猫了。


这些年来,中国在科学研究与工业技术各方面取得了巨大的成就,但中国依然是发展中国家。在众多传统领域,中国还有很多方面落后于世界先进水平,例子不胜枚举,毕竟发达国家的发达不是在睡懒觉中从天上掉下来的,别人也在努力,别人的起点还更高,中国只有静下心、扎实努力。但传统领域毕竟是传统领域,发展还在继续,速度总是在慢下来的,假以时日,不懈追赶的中国是可以追得上世界前沿的。从电冰箱、彩电还需要全国一盘棋攻关到歼-20、C919和天宫、神舟,中国就是这样一步一步过来的。但在颠覆性的新领域,大家的起点都是一样的,中国有信心、有能力,也正在发力,直冲世界前沿,高超音速正是这样一个领域。更快,更高,更远,我们的目标是星辰大海。中国加油!





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