5月24日,美國(guo)國(guo)防先進研究規劃局(簡稱DARPA)與波音簽(qian)訂協議(yi),研發XS-1高超音速(su)飛機。XS 為Experimental Spaceplane 的縮寫,意為實驗(yan)性空天(tian)飛機,用于驗(yan)證低成本衛(wei)星發射系統。
隨著衛(wei)星的(de)軍民用(yong)價值(zhi)迅速提高,更(geng)多(duo)的(de)衛(wei)星等待發射(she)(she),失效的(de)衛(wei)星必須迅速補(bu)射(she)(she)。傳統發射(she)(she)方式的(de)成本(ben)太高,準備時間(jian)太長,已經不適合需要(yao)了。XS-1要(yao)求把(ba)每次(ci)發射(she)(she)的(de)費用(yong)降低到500萬美元以下,比現在的(de)典(dian)型發射(she)(she)成本(ben)降低90%,并把(ba)再次(ci)發射(she)(she)的(de)準備時間(jian)縮短到幾小時,而(er)不是現在的(de)幾個月。
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美國波音公司開始開發XS-1空天飛機,該機實際上是一種可返回式運載火箭
在(zai)上世紀(ji)60-70年(nian)代空(kong)(kong)間(jian)(jian)競賽(sai)時(shi)代,美國(guo)(guo)在(zai)空(kong)(kong)間(jian)(jian)技(ji)術方(fang)面(mian)連創輝(hui)(hui)煌(huang)(huang),最后以“阿(a)波羅(luo)(luo)”登月計劃為頂點。進入(ru)80年(nian)代,美國(guo)(guo)空(kong)(kong)間(jian)(jian)技(ji)術再創輝(hui)(hui)煌(huang)(huang),航天飛機(ji)的成就至今無人(ren)超(chao)(chao)過(guo)。但進入(ru)21世紀(ji)后,只(zhi)有伊(yi)隆·馬斯克的“獵鷹”和杰(jie)夫·比佐斯的“藍色(se)源泉”等民間(jian)(jian)可(ke)重(zhong)復使用火(huo)箭(jian)項目在(zai)折(zhe)騰(teng),美國(guo)(guo)政府(fu)主(zhu)導的空(kong)(kong)間(jian)(jian)技(ji)術研發(fa)進入(ru)了沉寂(ji),甚至出現(xian)發(fa)射軍用衛星必需的重(zhong)型(xing)運載(zai)火(huo)箭(jian)依(yi)靠俄羅(luo)(luo)斯RD180發(fa)動機(ji)的尷尬(ga)。在(zai)高超(chao)(chao)音(yin)速方(fang)面(mian),除了雷聲大、雨點小(xiao)的X-47和X-51計劃外,也是靜悄悄的。XS-1計劃使得(de)人(ren)們會心一笑(xiao),美國(guo)(guo)又回來了。
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蘇聯時期計劃的“安加拉河”火箭助推器,其實和XS-1差不多是一樣的概念
但笑過之后,人(ren)們(men)愕然(ran)發(fa)現(xian),XS-1遠不如想(xiang)象,在概念和(he)技術上只是(shi)逆轉的(de)航(hang)(hang)天飛(fei)(fei)機。航(hang)(hang)天飛(fei)(fei)機的(de)助推(tui)級(ji)是(shi)一次性使(shi)(shi)(shi)用的(de),載(zai)荷(he)(he)(he)級(ji)可(ke)重(zhong)(zhong)復(fu)使(shi)(shi)(shi)用。XS-1反過來,助推(tui)級(ji)可(ke)重(zhong)(zhong)復(fu)使(shi)(shi)(shi)用,載(zai)荷(he)(he)(he)級(ji)反而是(shi)一次性使(shi)(shi)(shi)用。這(zhe)當然(ran)是(shi)有道理的(de)。航(hang)(hang)天飛(fei)(fei)機是(shi)載(zai)人(ren)的(de),載(zai)人(ren)的(de)載(zai)荷(he)(he)(he)級(ji)(也叫(jiao)軌道艙)是(shi)最昂貴的(de)部分,重(zhong)(zhong)復(fu)使(shi)(shi)(shi)用有利于(yu)降低成本(ben)。XS-1是(shi)不載(zai)人(ren)的(de),只用于(yu)發(fa)射(she)(she)衛星,載(zai)荷(he)(he)(he)級(ji)不必重(zhong)(zhong)復(fu)使(shi)(shi)(shi)用,但更大的(de)助推(tui)級(ji)反而是(shi)發(fa)射(she)(she)系(xi)統成本(ben)的(de)主體,所以這(zhe)才重(zhong)(zhong)復(fu)使(shi)(shi)(shi)用。實際上,這(zhe)可(ke)以看作帶翼(yi)、具有滑翔著陸能力的(de)“獵鷹”可(ke)回收火箭。
除了這(zhe)一逆轉(zhuan),XS-1在推(tui)進(jin)技術和熱防護(hu)技術上沒(mei)有(you)新(xin)意,基本上是現有(you)技術的(de)再(zai)包裝。XS-1采用Aerojet Rocketdyne 的(de)AR22液氫(qing)液氧火(huo)箭(jian)(jian)發(fa)動(dong)(dong)機(ji),這(zhe)是從航天(tian)飛(fei)(fei)機(ji)主發(fa)動(dong)(dong)機(ji)改進(jin)而(er)來的(de)。XS-1依然采用垂直(zhi)發(fa)射,用單級火(huo)箭(jian)(jian)推(tui)進(jin)到大(da)氣層(ceng)邊緣(yuan)后,釋放載(zai)荷級,自(zi)身靠機(ji)動(dong)(dong)滑翔返(fan)回發(fa)射場。一次性使用的(de)載(zai)荷級則在自(zi)身火(huo)箭(jian)(jian)動(dong)(dong)力下進(jin)入近地軌(gui)道,任務完成后在返(fan)回中焚尸滅跡。由于助(zhu)推(tui)級始終在亞軌(gui)道高度飛(fei)(fei)行(xing),沒(mei)有(you)再(zai)入問(wen)題(ti),所以也沒(mei)有(you)多少熱防護(hu)問(wen)題(ti)。取消熱防護(hu)要求大(da)大(da)降低了系統重量和成本。
波音計劃在2019年進(jin)(jin)行發動機地面測(ce)試,展示10天內接(jie)連發射(she)10次的能(neng)力(li),2020年進(jin)(jin)行飛行試驗(yan)(yan),可能(neng)進(jin)(jin)行12-15次發射(she)。載荷從(cong)無載荷開(kai)始,然后(hou)從(cong)400公斤逐步(bu)增加到(dao)1360公斤。飛行試驗(yan)(yan)從(cong)5倍音速(也可表達為M5)開(kai)始,逐步(bu)提(ti)高到(dao)10倍音速,這是高超音速了。
天(tian)下武功,唯快不(bu)破(po)。高(gao)超音速(su)(su)飛(fei)行器不(bu)僅速(su)(su)度(du)快,還有(you)強大的(de)機(ji)動能(neng)力。彈道(dao)導(dao)彈也(ye)很(hen)快,但只有(you)有(you)限的(de)機(ji)動能(neng)力。正因為如此,彈道(dao)導(dao)彈一(yi)發射,就(jiu)可以(yi)推算(suan)出彈道(dao)全程(cheng)的(de)大概,反導(dao)彈就(jiu)可以(yi)按照提前量發射了。這(zhe)好比(bi)鬼子(zi)一(yi)出炮樓,就(jiu)可以(yi)根據走哪條(tiao)路,判斷掃蕩目標、行進(jin)速(su)(su)度(du)和路徑,就(jiu)可以(yi)趕緊埋地雷了。
反導(dao)彈(dan)的機(ji)動性只需要補償(chang)彈(dan)道計算誤差或(huo)者目標的有限(xian)機(ji)動能力。
高超音速飛行器(qi)的(de)機(ji)動能(neng)力大大超過彈道導(dao)彈,在(zai)最(zui)終轉入攻擊(ji)(ji)(ji)之前無法判斷(duan)導(dao)彈的(de)攻擊(ji)(ji)(ji)目標(biao)和彈道,最(zui)終只有靠現在(zai)還(huan)不存在(zai)的(de)高超音速反導(dao)彈或(huo)者激光、粒子(zi)束武器(qi)來(lai)攔(lan)截(jie),常規攔(lan)截(jie)手段很難奏效(xiao)。如果還(huan)是用鬼(gui)子(zi)掃蕩作比方,鬼(gui)子(zi)上路后,有意識地不斷(duan)改變路徑,迷(mi)惑游(you)擊(ji)(ji)(ji)隊(dui),甚至(zhi)可能(neng)繞一(yi)圈(quan)從(cong)背后偷襲,這地雷(lei)就不好埋了,只有從(cong)村(cun)里加強對(dui)四(si)面的(de)觀察,根據鬼(gui)子(zi)的(de)最(zui)后動向,兵(bing)來(lai)將(jiang)擋、水(shui)來(lai)土(tu)掩了。換句話說,這仗要難打得(de)多。
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現有反導系統的設計前提都是彈道導彈的軌道可以預測
在(zai)氣(qi)動(dong)上,由(you)于高(gao)(gao)(gao)超(chao)音速飛行(xing)的(de)表(biao)面生熱(re)(re)巨(ju)大(da),飛行(xing)體表(biao)面的(de)邊(bian)界(jie)層(ceng)不再僅僅是流體力(li)學(xue)問(wen)題,也是熱(re)(re)力(li)學(xue)問(wen)題。比如說(shuo),邊(bian)界(jie)層(ceng)會受熱(re)(re)膨脹,雷諾數不再能有效地(di)描述(shu)邊(bian)界(jie)層(ceng)和流動(dong)現象(xiang)。空(kong)氣(qi)動(dong)力(li)學(xue)與(yu)熱(re)(re)力(li)學(xue)擰到一(yi)起,成為空(kong)氣(qi)熱(re)(re)動(dong)力(li)學(xue)。另外(wai),高(gao)(gao)(gao)超(chao)音速主要(yao)(yao)工作在(zai)空(kong)氣(qi)特別稀薄(bo)的(de)高(gao)(gao)(gao)層(ceng)大(da)氣(qi),與(yu)低層(ceng)的(de)稠密大(da)氣(qi)相比,空(kong)氣(qi)分子之間的(de)距(ju)離顯(xian)著增加(jia),空(kong)氣(qi)的(de)連(lian)續性(xing)假設不再可(ke)靠(kao),需要(yao)(yao)當(dang)作粒子來處理,使得很(hen)多傳(chuan)統理論與(yu)方法(fa)要(yao)(yao)重(zhong)新考慮。
中國在高超(chao)(chao)音(yin)(yin)速方面卓有成就(jiu),傳說中的(de)DF-ZF(也稱(cheng)WU-14)高超(chao)(chao)音(yin)(yin)速飛(fei)(fei)行(xing)體(ti)已(yi)經(jing)試(shi)驗了(le)7次(ci),全(quan)部成功。這(zhe)是(shi)助(zhu)推- 滑翔(xiang)體(ti),還不是(shi)動力飛(fei)(fei)行(xing)體(ti)。中國對助(zhu)推- 滑翔(xiang)體(ti)已(yi)經(jing)玩得很純(chun)熟了(le),A300火箭彈(dan)(dan)采用(yong)拉起(qi)彈(dan)(dan)道,射程增加到(dao)300公(gong)里(li)以上(在出口市場(chang)上限制到(dao)280公(gong)里(li),以遵守(shou)導彈(dan)(dan)技術公(gong)約要求),這(zhe)也是(shi)助(zhu)推- 滑翔(xiang)技術的(de)應用(yong)。但助(zhu)推- 滑翔(xiang)更適合一次(ci)性使(shi)(shi)用(yong),或者XS-1這(zhe)樣的(de)“偽可重(zhong)(zhong)復使(shi)(shi)用(yong)”,真正可重(zhong)(zhong)復使(shi)(shi)用(yong)的(de)高超(chao)(chao)音(yin)(yin)速飛(fei)(fei)行(xing)體(ti)應該像(xiang)普通飛(fei)(fei)機一樣水平滑跑起(qi)飛(fei)(fei)和降落(luo),并(bing)在極高空達到(dao)高超(chao)(chao)音(yin)(yin)速。這(zhe)對動力提(ti)出了(le)全(quan)新的(de)要求。
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CCTV7頻道節目中曾驚鴻一現的東-5導彈新型戰斗部,被認為很可能就是WU-14飛行器的某種發展型
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面對連續7次成功試驗的WU-14,美國也加速了AHW高超聲速導彈的試驗
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結果……
傳統的(de)渦(wo)輪(lun)類(lei)(包括(kuo)渦(wo)噴和渦(wo)扇)噴氣發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)在M3左右(you)達(da)到(dao)速(su)(su)度極限(xian),常規沖(chong)壓(ya)(ya)式噴氣發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)在M5左右(you)也達(da)到(dao)速(su)(su)度極限(xian)了(le)(le)。這是(shi)因為渦(wo)輪(lun)類(lei)和沖(chong)壓(ya)(ya)都(dou)是(shi)基于亞音速(su)(su)燃燒,進氣必(bi)須減速(su)(su)到(dao)亞音速(su)(su),然后再(zai)通過收斂- 擴散噴管達(da)到(dao)超(chao)音速(su)(su)。這樣的(de)減速(su)(su)- 加速(su)(su)過程造成(cheng)本質阻力,到(dao)一定的(de)時候(hou),阻力增加比推力增加更快,速(su)(su)度就達(da)到(dao)極限(xian)了(le)(le)。火(huo)箭發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)當然是(shi)可以(yi)達(da)到(dao)高超(chao)音速(su)(su)飛行的(de),但需要自(zi)帶(dai)氧化劑,重量較大,危險性(xing)也較大,發(fa)(fa)生泄(xie)漏就可能造成(cheng)爆炸(zha)。吸氣(包括(kuo)渦(wo)輪(lun)類(lei)和沖(chong)壓(ya)(ya))發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)從(cong)空氣中吸取氧氣,效率(lv)要高得多,也較安全。
但沖壓發動機要(yao)用(yong)于高超音(yin)(yin)速,必(bi)須基(ji)于超音(yin)(yin)速燃燒。這個超燃可是不容易。
空氣中的(de)(de)(de)壓(ya)力(li)波(bo)以音速傳遞(di)。常規燃燒(shao)的(de)(de)(de)火焰擴散(san)(san)在亞音速進行,所以熱空氣的(de)(de)(de)膨(peng)(peng)脹(zhang)擴散(san)(san)快于火焰擴散(san)(san)。超(chao)(chao)音速燃燒(shao)的(de)(de)(de)火焰擴散(san)(san)速度(du)(du)超(chao)(chao)過(guo)空氣膨(peng)(peng)脹(zhang)速度(du)(du),空氣急劇(ju)升溫增壓(ya)但來不及膨(peng)(peng)脹(zhang),積聚的(de)(de)(de)巨大能量最終釋放出來的(de)(de)(de)時候,強大的(de)(de)(de)壓(ya)力(li)形成破壞性的(de)(de)(de)激波(bo),這(zhe)就(jiu)是(shi)爆(bao)炸。激波(bo)的(de)(de)(de)理論密度(du)(du)為無窮大,激波(bo)掃過(guo)來就(jiu)像鋼板打臉一樣,而且是(shi)超(chao)(chao)音速的(de)(de)(de)速度(du)(du),這(zhe)就(jiu)是(shi)爆(bao)炸威(wei)力(li)遠遠大于燃燒(shao)的(de)(de)(de)道理。超(chao)(chao)燃沖壓(ya)可算是(shi)可控(kong)的(de)(de)(de)連續爆(bao)炸,其燃燒(shao)控(kong)制的(de)(de)(de)難度(du)(du)可想(xiang)而知,就(jiu)算達到穩(wen)定(ding)燃燒(shao)了也只有很窄的(de)(de)(de)工作范(fan)圍。
多少年來,超(chao)燃沖壓就像海(hai)市蜃樓,似乎觸手可及,但又總是(shi)飄(piao)然而去。僅有的成功試驗早先只有秒級的工(gong)作時間,現在延長到分(fen)鐘級,還都是(shi)在屢(lv)敗屢(lv)戰之后。但2015年國(guo)防科(ke)大(da)王振(zhen)國(guo)教(jiao)授獲(huo)得馮如(ru)(ru)航空科(ke)技精英獎,他是(shi)超(chao)燃沖壓專(zhuan)家,頒獎儀(yi)式上卻(que)對(dui)他的成果只字不提,倒是(shi)符合中國(guo)對(dui)于軍工(gong)科(ke)研守(shou)口如(ru)(ru)瓶的傳統。
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一次對公眾極為低調,但在行業內不啻于雷霆萬鈞的大會
但(dan)于3月(yue)6日(ri)由(you)美(mei)國航(hang)空(kong)航(hang)天(tian)學會(簡稱AIAA)、中(zhong)(zhong)國工(gong)(gong)程(cheng)(cheng)院主辦(ban)、廈(sha)門(men)大學承辦(ban)召(zhao)開的(de)(de)21屆國際航(hang)天(tian)飛(fei)機和高(gao)超(chao)(chao)聲速系統與(yu)技術大會上,中(zhong)(zhong)國大大方方地(di)揭示了(le)(le)大量(liang)成功的(de)(de)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)和實(shi)物圖(tu)片,并(bing)透(tou)露(lu)了(le)(le)中(zhong)(zhong)國已經(jing)成功地(di)進行了(le)(le)超(chao)(chao)燃(ran)沖(chong)壓的(de)(de)飛(fei)行試(shi)(shi)(shi)驗(yan)。更加驚(jing)人的(de)(de)是,中(zhong)(zhong)國研(yan)制的(de)(de)渦輪(lun)- 火箭- 沖(chong)壓組合循環發(fa)動(dong)機(簡稱TRRE)將在2017年(nian)底前開始(shi)飛(fei)行試(shi)(shi)(shi)驗(yan),如(ru)果成功,這是世界第一(yi)。其他國家(包括美(mei)國)慢說組合循環,連具有實(shi)用(yong)意義的(de)(de)可持續超(chao)(chao)燃(ran)沖(chong)壓都沒(mei)(mei)有做到(dao)。中(zhong)(zhong)國盡管沒(mei)(mei)有透(tou)露(lu)超(chao)(chao)燃(ran)沖(chong)壓可持續工(gong)(gong)作的(de)(de)時間,但(dan)要是達不到(dao)至少亞小時級,研(yan)發(fa)組合循環發(fa)動(dong)機是沒(mei)(mei)有意義的(de)(de)。這一(yi)階段(duan)的(de)(de)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)將持續到(dao)2020年(nian),在2025-30年(nian)進行水平滑跑起飛(fei)- 著(zhu)陸的(de)(de)飛(fei)行試(shi)(shi)(shi)驗(yan),如(ru)果成功,更是里程(cheng)(cheng)碑級的(de)(de)成就。
中(zhong)國的(de)TRRE 采(cai)用上(shang)下并(bing)(bing)列的(de)基本布(bu)置,共用可調(diao)(diao)進(jin)氣(qi)(qi)(qi)(qi)口(kou),然(ran)后(hou)進(jin)氣(qi)(qi)(qi)(qi)道(dao)分叉(cha),上(shang)半通向渦輪發(fa)動(dong)機,下半通向火箭- 沖壓(ya)發(fa)動(dong)機,兩者的(de)噴口(kou)在擴(kuo)散(san)段再度匯合。這種上(shang)下并(bing)(bing)排的(de)布(bu)置巧(qiao)妙(miao)地利用了渦輪發(fa)動(dong)機需(xu)要(yao)彎曲、擴(kuo)張(zhang)的(de)進(jin)氣(qi)(qi)(qi)(qi)道(dao)和超燃沖壓(ya)需(xu)要(yao)短(duan)直進(jin)氣(qi)(qi)(qi)(qi)道(dao)的(de)問題,尾后(hou)合并(bing)(bing)的(de)噴口(kou)也巧(qiao)妙(miao)地利用了渦輪發(fa)動(dong)機需(xu)要(yao)收(shou)斂- 擴(kuo)張(zhang)噴口(kou)和超燃沖壓(ya)只需(xu)要(yao)擴(kuo)張(zhang)噴口(kou)的(de)特點。可調(diao)(diao)的(de)進(jin)氣(qi)(qi)(qi)(qi)口(kou)控制激波系的(de)形狀和位(wei)置,確保進(jin)氣(qi)(qi)(qi)(qi)道(dao)工作(zuo)條件與發(fa)動(dong)機工作(zuo)模式最優匹(pi)配。
上(shang)(shang)涵(han)(han)道里的(de)(de)渦(wo)輪發動機在(zai)(zai)靜(jing)止到M2之間(jian)(jian)工作,下涵(han)(han)道里的(de)(de)火(huo)(huo)箭(jian)沖(chong)壓(ya)(ya)在(zai)(zai)需要加(jia)速時啟(qi)動,這(zhe)時可以等效為加(jia)力燃(ran)(ran)燒(shao)室。火(huo)(huo)箭(jian)沖(chong)壓(ya)(ya)也稱(cheng)吸氣(qi)火(huo)(huo)箭(jian)、引射(she)沖(chong)壓(ya)(ya),用(yong)貧氧富油的(de)(de)高溫火(huo)(huo)箭(jian)燃(ran)(ran)氣(qi)對(dui)沖(chong)壓(ya)(ya)進(jin)氣(qi)引射(she)增(zeng)壓(ya)(ya),并與進(jin)氣(qi)混合(he)燃(ran)(ran)燒(shao),大大提(ti)高沖(chong)壓(ya)(ya)的(de)(de)效率(lv)、推力和(he)工作速度(du)。在(zai)(zai)M2時,上(shang)(shang)涵(han)(han)道關閉,下涵(han)(han)道進(jin)入亞燃(ran)(ran)沖(chong)壓(ya)(ya)模(mo)式(shi)(shi),然后在(zai)(zai)M3-6之間(jian)(jian)轉(zhuan)入火(huo)(huo)箭(jian)沖(chong)壓(ya)(ya)模(mo)式(shi)(shi)。在(zai)(zai)M6時轉(zhuan)入超燃(ran)(ran)沖(chong)壓(ya)(ya)和(he)火(huo)(huo)箭(jian)沖(chong)壓(ya)(ya)組合(he)模(mo)式(shi)(shi)。發動機以性質穩定、價格低廉的(de)(de)航空煤(mei)油為燃(ran)(ran)料。
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在這次會議上,中國突然公布了一系列新的技術成果
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目前還在幻想中的SR-72高超聲速飛機的動力系統,已經比中國在2017年將開始測試的TRRE發動機落后一代了
中國在(zai)過去兩(liang)年(nian)里進(jin)行了(le)大量(liang)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan),驗(yan)(yan)(yan)證(zheng)了(le)加速、巡航、機動等各方(fang)面性能,驗(yan)(yan)(yan)證(zheng)了(le)上下(xia)涵(han)道的協調(diao)工作和(he)可靠平(ping)(ping)順的模式(shi)轉換,有效(xiao)地解(jie)決了(le)低速時(shi)(shi)的大推(tui)力(li)要(yao)求(qiu)和(he)M6時(shi)(shi)的高比(bi)沖要(yao)求(qiu)之(zhi)間(jian)的矛盾。試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)證(zheng)明了(le)下(xia)涵(han)道里的液(ye)體火箭和(he)雙模沖壓在(zai)M1.5-7之(zhi)間(jian)協調(diao)工作的可行性。2016年(nian),進(jin)氣(qi)道和(he)噴管試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)完成,M1.8條件(jian)下(xia)的臺架試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)也完成。M2-6的穩(wen)態臺架試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)已經開始。試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)驗(yan)(yan)(yan)證(zheng)了(le)TRRE 的進(jin)氣(qi)道、噴管和(he)燃燒(shao)室設(she)(she)計和(he)模式(shi)轉換。試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)數據(ju)表明,可在(zai)1平(ping)(ping)方(fang)米(mi)捕(bu)獲面積(ji)下(xia)達到8噸推(tui)力(li),達到設(she)(she)計要(yao)求(qiu)。應該(gai)注意的是(shi),8噸推(tui)力(li)看(kan)起來不多,但(dan)超燃沖壓最大的挑戰是(shi)降低阻(zu)力(li),其次才是(shi)提高推(tui)力(li),8噸不少了(le)。
組合循環(huan)發(fa)動(dong)機(ji)(ji)不同于變循環(huan)發(fa)動(dong)機(ji)(ji),前(qian)者(zhe)(zhe)是渦輪類噴氣(qi)發(fa)動(dong)機(ji)(ji)、亞燃與(yu)(yu)超(chao)(chao)燃沖壓發(fa)動(dong)機(ji)(ji)和(he)火箭發(fa)動(dong)機(ji)(ji)的(de)組合,后者(zhe)(zhe)為(wei)渦噴與(yu)(yu)渦扇之間的(de)無縫切換。前(qian)者(zhe)(zhe)用(yong)于高超(chao)(chao)音(yin)速(su)與(yu)(yu)空天飛(fei)行,后者(zhe)(zhe)用(yong)于常規的(de)大氣(qi)層(ceng)內飛(fei)行,比(bi)如(ru)M2一級的(de)超(chao)(chao)巡(xun)戰(zhan)斗機(ji)(ji)或(huo)者(zhe)(zhe)超(chao)(chao)音(yin)速(su)客機(ji)(ji)。美國(guo)空軍為(wei)第(di)六代(dai)(在中國(guo)稱為(wei)第(di)五(wu)代(dai))戰(zhan)斗機(ji)(ji)研發(fa)的(de)AETD 發(fa)動(dong)機(ji)(ji)就(jiu)是變循環(huan)發(fa)動(dong)機(ji)(ji)。
廈門(men)會議還揭示了(le)其(qi)他來自中(zhong)(zhong)國的(de)(de)(de)大(da)(da)量(liang)重(zhong)大(da)(da)成(cheng)果(guo)(guo),尤(you)其(qi)是(shi)大(da)(da)量(liang)成(cheng)果(guo)(guo)都有(you)實物試驗(yan)(yan)驗(yan)(yan)證(zheng),這意味著技(ji)術水(shui)平接近或(huo)者已(yi)經達到實用程度(du),而不是(shi)純(chun)(chun)理(li)論或(huo)者純(chun)(chun)數(shu)字(zi)仿(fang)真(zhen)的(de)(de)(de)空談(tan)。比如說,國防(fang)科大(da)(da)已(yi)經成(cheng)功測試了(le)660毫(hao)米直徑(jing)的(de)(de)(de)連續(xu)在這次會議上,中(zhong)(zhong)國突然(ran)公布了(le)一系(xi)列新的(de)(de)(de)技(ji)術成(cheng)果(guo)(guo)旋轉爆(bao)(bao)轟(hong)發(fa)(fa)動機,這是(shi)脈沖爆(bao)(bao)轟(hong)發(fa)(fa)動機的(de)(de)(de)進(jin)一步發(fa)(fa)展(zhan),同(tong)樣利用超燃時壓(ya)力波(bo)“自我閉鎖”的(de)(de)(de)機理(li),使得燃燒(shao)的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)和壓(ya)力極大(da)(da)升高(gao),而且產生(sheng)連續(xu)推力,可(ke)(ke)能突破渦噴、渦扇的(de)(de)(de)速度(du)和熱(re)效率局(ju)限,成(cheng)為下一代噴氣(qi)發(fa)(fa)動機的(de)(de)(de)基本技(ji)術。北航展(zhan)示了(le)緊(jin)湊(cou)型高(gao)效換熱(re)器技(ji)術,可(ke)(ke)以將進(jin)氣(qi)溫(wen)度(du)迅(xun)速降低,不僅提高(gao)進(jin)氣(qi)密度(du)和進(jin)氣(qi)道效率,還對熱(re)端部件的(de)(de)(de)起冷(leng)卻作用,可(ke)(ke)用于減輕(qing)防(fang)熱(re)設計帶來的(de)(de)(de)重(zhong)量(liang),或(huo)者進(jin)一步提高(gao)熱(re)工參數(shu),試驗(yan)(yan)已(yi)經取得“令人滿意”的(de)(de)(de)成(cheng)功。
在(zai)材(cai)(cai)料(liao)方面(mian)(mian),中(zhong)國新研(yan)制的輕質熱(re)防護(hu)材(cai)(cai)料(liao)采用仿生的陶瓷(ci)表面(mian)(mian)結構(gou),耐熱(re)能力提(ti)高近萬倍。其他新型熱(re)防護(hu)技(ji)(ji)術包括泡沫碳、陶瓷(ci)覆層(ceng)和夾(jia)層(ceng)隔(ge)(ge)熱(re)、波紋夾(jia)層(ceng)與隔(ge)(ge)熱(re)復(fu)合結構(gou)等。中(zhong)國科研(yan)人員還(huan)研(yan)究(jiu)出(chu)三維(wei)(wei)碳纖維(wei)(wei)編織技(ji)(ji)術,形成三維(wei)(wei)網格復(fu)材(cai)(cai)結構(gou),避免(mian)了傳統(tong)二維(wei)(wei)復(fu)材(cai)(cai)的界面(mian)(mian)分離問題(ti)。應該(gai)指出(chu),這些技(ji)(ji)術在(zai)航空上(shang)也有巨大價(jia)值,三維(wei)(wei)編織碳纖維(wei)(wei)風扇(shan)葉(xie)片就是C919的LEAP 發動機(ji)的關鍵技(ji)(ji)術之一。
在理(li)論(lun)(lun)方(fang)面(mian),中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)在高(gao)(gao)超(chao)音(yin)速(su)非(fei)穩態流(liu)動(dong)理(li)論(lun)(lun)、復雜流(liu)動(dong)機制(zhi)和數值仿真等方(fang)面(mian)取得(de)突破(po),對(dui)物理(li)耦(ou)合現(xian)(xian)象取得(de)深入理(li)解,發現(xian)(xian)了(le)(le)(le)新的(de)(de)(de)(de)流(liu)動(dong)現(xian)(xian)象,建立了(le)(le)(le)高(gao)(gao)升阻比高(gao)(gao)超(chao)音(yin)速(su)飛行(xing)器(qi)的(de)(de)(de)(de)最優設(she)計方(fang)法,建立了(le)(le)(le)同時(shi)達到降(jiang)低熱通量(liang)和降(jiang)低阻力的(de)(de)(de)(de)新方(fang)法。中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)還摸(mo)清了(le)(le)(le)碳(tan)(tan)氫(qing)燃料的(de)(de)(de)(de)熄火極(ji)限,這是使用碳(tan)(tan)氫(qing)燃料的(de)(de)(de)(de)超(chao)燃沖壓(ya)(ya)工作范圍的(de)(de)(de)(de)理(li)論(lun)(lun)極(ji)限,對(dui)設(she)計至關(guan)重要。中(zhong)(zhong)(zhong)國(guo)在高(gao)(gao)超(chao)音(yin)速(su)進氣(qi)道設(she)計中(zhong)(zhong)(zhong)采用彎(wan)曲表面(mian)的(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)縮(suo)(suo)面(mian)。一(yi)般(ban)來說(shuo),人們對(dui)高(gao)(gao)超(chao)音(yin)速(su)飛行(xing)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)空氣(qi)熱動(dong)力學的(de)(de)(de)(de)理(li)解還很粗淺,所以已經(jing)飛行(xing)的(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)超(chao)音(yin)速(su)飛行(xing)器(qi)大多(duo)是直線(xian)、平面(mian)結構,把復雜的(de)(de)(de)(de)三(san)維問題(ti)簡化成二維。彎(wan)曲表面(mian)的(de)(de)(de)(de)壓(ya)(ya)縮(suo)(suo)面(mian)代(dai)表了(le)(le)(le)更(geng)高(gao)(gao)層次(ci)的(de)(de)(de)(de)技術和自信。
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目前大多數高超聲速飛行器的設計都是“直線”外形
中國還在大量(liang)興建高(gao)超(chao)音速(su)風(feng)(feng)洞(dong)(dong)。理論前(qian)沿只有得到實驗驗證,才能成為可(ke)靠的(de)(de)(de)(de)(de)指導工具,對于已(yi)經突破傳(chuan)統理論應(ying)用范圍的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)超(chao)音速(su)研究來(lai)說(shuo),更是如此。中國的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)超(chao)音速(su)風(feng)(feng)洞(dong)(dong)有科(ke)學院力學所的(de)(de)(de)(de)(de)當前(qian)世(shi)界最大的(de)(de)(de)(de)(de)JF12風(feng)(feng)洞(dong)(dong)、航空(kong)航天院即將(jiang)完工但比JF12更大的(de)(de)(de)(de)(de)FD21風(feng)(feng)洞(dong)(dong)、國防科(ke)大的(de)(de)(de)(de)(de)M6低噪聲(sheng)風(feng)(feng)洞(dong)(dong),當然少不了綿陽(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)可(ke)以(yi)模(mo)擬長達600毫秒(miao)的(de)(de)(de)(de)(de)M4-7高(gao)超(chao)音速(su)試驗裝置,JF12只能模(mo)擬100毫秒(miao)。這些風(feng)(feng)洞(dong)(dong)是蓬勃(bo)興起的(de)(de)(de)(de)(de)中國高(gao)超(chao)音速(su)研究的(de)(de)(de)(de)(de)底氣(qi)。
回(hui)到XS-1,其液(ye)氫(qing)液(ye)氧(yang)火箭是(shi)“阿波羅”計劃的(de)(de)(de)“土星V”就(jiu)采用的(de)(de)(de)技術,而沒有采用更先進的(de)(de)(de)超(chao)燃沖(chong)壓或(huo)者任何(he)形(xing)式的(de)(de)(de)吸氣發(fa)動機(ji)。XS-1依然(ran)采用低(di)效的(de)(de)(de)垂直(zhi)(zhi)發(fa)射,完全依靠蠻力把載(zai)(zai)荷托入空(kong)中。航(hang)天(tian)(tian)飛(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)機(ji)軌(gui)道(dao)艙(cang)(包(bao)括載(zai)(zai)荷艙(cang)、駕駛艙(cang)和燃料(liao)(liao)、發(fa)動機(ji))的(de)(de)(de)重(zhong)(zhong)量為(wei)110噸(dun),最大(da)載(zai)(zai)荷25噸(dun),但(dan)(dan)整個航(hang)天(tian)(tian)飛(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)機(ji)的(de)(de)(de)最大(da)起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)重(zhong)(zhong)量竟達2000噸(dun),其他(ta)的(de)(de)(de)都是(shi)發(fa)射后就(jiu)拋棄的(de)(de)(de)助(zhu)推(tui)器、外(wai)部燃料(liao)(liao)箱。兩臺(tai)(tai)(tai)助(zhu)推(tui)火箭的(de)(de)(de)推(tui)力各12500kN,加(jia)軌(gui)道(dao)艙(cang)三臺(tai)(tai)(tai)主發(fa)動機(ji)共(gong)產生5525kN,起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)需要超(chao)過30000kN 的(de)(de)(de)推(tui)力!相(xiang)比之下,飛(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)機(ji)依靠機(ji)翼在滑跑中產生氣動升力,可(ke)(ke)用低(di)得多的(de)(de)(de)能量升空(kong)。最大(da)起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)重(zhong)(zhong)量為(wei)254噸(dun)的(de)(de)(de)波音787-9只需要兩臺(tai)(tai)(tai)320kN 級的(de)(de)(de)渦扇發(fa)動機(ji)就(jiu)可(ke)(ke)以起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)(fei)(fei),這還是(shi)考慮(lv)到一(yi)臺(tai)(tai)(tai)發(fa)動機(ji)在起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)中故障(zhang)情況下的(de)(de)(de)單發(fa)強行繼續起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)所需的(de)(de)(de)推(tui)力。波音787只有載(zai)(zai)客量數據(ju),沒有載(zai)(zai)重(zhong)(zhong)量數據(ju),但(dan)(dan)最大(da)起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)重(zhong)(zhong)量相(xiang)似的(de)(de)(de)C-17可(ke)(ke)載(zai)(zai)重(zhong)(zhong)78噸(dun)。垂直(zhi)(zhi)起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)的(de)(de)(de)航(hang)天(tian)(tian)飛(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)機(ji)與滑跑起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)的(de)(de)(de)常規飛(fei)(fei)(fei)(fei)(fei)機(ji)的(de)(de)(de)效率和經濟性差別不言而喻。
在(zai)(zai)氣動(dong)(dong)上(shang)(shang)(shang),XS-1在(zai)(zai)尺(chi)寸(cun)上(shang)(shang)(shang)相當于(yu)公務飛(fei)機,在(zai)(zai)氣動(dong)(dong)布局上(shang)(shang)(shang)與(yu)航天(tian)飛(fei)機很相似,但機翼具有大型翼梢小翼,作(zuo)為替代(dai)垂尾,正(zheng)常垂尾的(de)(de)(de)位置要(yao)用于(yu)搭載載荷級。XS-1的(de)(de)(de)氣動(dong)(dong)控制能(neng)(neng)力(li)估計也比航天(tian)飛(fei)機有所提高,改善(shan)了(le)(le)機動(dong)(dong)性(xing),降低了(le)(le)對著陸(lu)場的(de)(de)(de)跑道要(yao)求。但機翼升力(li)可能(neng)(neng)不足以實現在(zai)(zai)滑跑中起(qi)飛(fei),這(zhe)使得XS-1的(de)(de)(de)返(fan)回依然只能(neng)(neng)在(zai)(zai)指定著陸(lu)場進(jin)行,否則(ze)在(zai)(zai)偏遠的(de)(de)(de)備(bei)降場著陸(lu)的(de)(de)(de)話,無(wu)法靠自身動(dong)(dong)力(li)返(fan)回發(fa)射(she)場,還是要(yao)勞駕NASA 的(de)(de)(de)專用波音747駝在(zai)(zai)背上(shang)(shang)(shang),這(zhe)就費事了(le)(le)。中國的(de)(de)(de)采用TRRE 的(de)(de)(de)空天(tian)飛(fei)機將能(neng)(neng)從(cong)普通機場起(qi)飛(fei)和(he)著陸(lu),技術水平差距不可同日而語(yu)。
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相比之下,某些完全沒摸到高超聲速門檻的國家設計出來的方案,一看就是……拿這種東西出來顯擺,中國是不會干的
在(zai)廈門會議(yi)上(shang),中(zhong)國(guo)方面一口氣發表了所有(you)(you)347篇論文(wen)中(zhong)的(de)(de)(de)272篇。如果這只(zhi)是主場現(xian)象(xiang)的(de)(de)(de)話(hua),2016年在(zai)亞(ya)特蘭大(da)舉行(xing)的(de)(de)(de)第20屆會議(yi)只(zhi)有(you)(you)89篇論文(wen)。中(zhong)國(guo)軍(jun)工向(xiang)來有(you)(you)很(hen)深(shen)的(de)(de)(de)保密(mi)傳統,官方對很(hen)多已經在(zai)光天化日之下的(de)(de)(de)“天下保守(shou)得最(zui)差(cha)的(de)(de)(de)秘(mi)密(mi)”還拒不承(cheng)認,慢說深(shen)藏水下、不為人們(men)所知的(de)(de)(de)真正秘(mi)密(mi)了。考慮到高超音(yin)速的(de)(de)(de)軍(jun)用潛力,廈門會議(yi)上(shang)中(zhong)國(guo)的(de)(de)(de)大(da)動作不同(tong)尋(xun)常。美(mei)國(guo)《航空周刊(kan)》稱這是中(zhong)國(guo)對整(zheng)個西方的(de)(de)(de)叫板(ban)(a shot fired across the bow ofthe West)。
廈(sha)門(men)(men)會(hui)議還完整透露了中國(guo)的(de)(de)高(gao)(gao)超(chao)音速研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)計(ji)(ji)劃。國(guo)家(jia)自然科(ke)學基金會(hui)出資1.5億人民幣,在(zai)(zai)2007-16年之間組織了9年研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)計(ji)(ji)劃,涵(han)蓋(gai)全國(guo)的(de)(de)科(ke)研(yan)(yan)院(yuan)(yuan)(yuan)所(suo)和高(gao)(gao)校,涉(she)及高(gao)(gao)超(chao)音速的(de)(de)所(suo)有(you)主(zhu)要方面。計(ji)(ji)劃分三階段,前(qian)四年打基礎(chu),中間兩年擇優深入(ru),最后三年成(cheng)(cheng)果集(ji)成(cheng)(cheng),尤其是(shi)要有(you)實物。整個計(ji)(ji)劃有(you)三個目標:1、健全研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)體系(xi),完善設計(ji)(ji)方法;2、取(qu)得關鍵技術(shu)突破;3、打造(zao)人才隊伍。在(zai)(zai)廈(sha)門(men)(men),不(bu)僅國(guo)家(jia)隊的(de)(de)綿陽(yang)的(de)(de)國(guo)家(jia)空(kong)(kong)氣(qi)動力(li)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)與發展中心(xin)、北(bei)京的(de)(de)科(ke)學院(yuan)(yuan)(yuan)力(li)學研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)所(suo)積極很(hen)活躍(yue),航(hang)(hang)天科(ke)工(gong)(gong)集(ji)團(tuan)第三研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)院(yuan)(yuan)(yuan)、三十一研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)所(suo)、中航(hang)(hang)工(gong)(gong)業(ye)沈陽(yang)飛(fei)機設計(ji)(ji)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)所(suo)、中航(hang)(hang)商飛(fei)、燃氣(qi)渦輪(lun)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)院(yuan)(yuan)(yuan)、運載火(huo)箭技術(shu)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)院(yuan)(yuan)(yuan)、國(guo)防科(ke)大、西(xi)工(gong)(gong)大、南航(hang)(hang)、北(bei)航(hang)(hang)、廈(sha)大等都有(you)積極參加。《航(hang)(hang)空(kong)(kong)周(zhou)刊》稱(cheng)之為協調有(you)效、舉(ju)國(guo)發力(li)的(de)(de)高(gao)(gao)超(chao)音速科(ke)研(yan)(yan)計(ji)(ji)劃,不(bu)僅具有(you)驚人的(de)(de)深度(du)、廣度(du),而(er)且在(zai)(zai)相對較(jiao)短的(de)(de)時間里(li)就(jiu)取(qu)得了多到令人暈眩的(de)(de)重大成(cheng)(cheng)就(jiu)(acohesive, nationwide hypersonic researchand technology program that not onlyshows astonishing depth and breadth, buthas also produced a bewildering numberof major accomplishments in a relativelyshort period)。一本正經(jing)的(de)(de)權威專(zhuan)業(ye)雜志這樣(yang)堆砌驚嘆詞是(shi)很(hen)少有(you)的(de)(de)事情。
中(zhong)國(guo)在高超音速領域敲響了戰鼓(gu),但(dan)選的(de)(de)(de)地方很(hen)小眾、很(hen)專業,該聽到(dao)(dao)的(de)(de)(de)人(ren)想不聽到(dao)(dao)都不行,不需(xu)要聽到(dao)(dao)的(de)(de)(de)人(ren)依然在懵懂(dong)之中(zhong)。中(zhong)國(guo)不想成為(wei)威(wei)脅,但(dan)老虎(hu)和眉善(shan)目的(de)(de)(de),可不能當病貓了。
這些年(nian)來(lai)(lai),中國(guo)(guo)在(zai)科學(xue)研究與工業技術各方面取得了(le)巨大(da)的(de)(de)成(cheng)就(jiu),但中國(guo)(guo)依然是發(fa)展中國(guo)(guo)家(jia)。在(zai)眾多傳統(tong)領(ling)域(yu),中國(guo)(guo)還(huan)有很多方面落后于世(shi)界先進水平,例子不(bu)(bu)勝枚舉,畢竟(jing)發(fa)達(da)國(guo)(guo)家(jia)的(de)(de)發(fa)達(da)不(bu)(bu)是在(zai)睡懶覺(jue)中從(cong)天上(shang)掉下(xia)來(lai)(lai)的(de)(de),別人也在(zai)努(nu)力(li)(li),別人的(de)(de)起(qi)點還(huan)更高(gao),中國(guo)(guo)只有靜下(xia)心、扎實努(nu)力(li)(li)。但傳統(tong)領(ling)域(yu)畢竟(jing)是傳統(tong)領(ling)域(yu),發(fa)展還(huan)在(zai)繼(ji)續,速(su)度總是在(zai)慢下(xia)來(lai)(lai)的(de)(de),假以(yi)時(shi)日,不(bu)(bu)懈(xie)追(zhui)趕的(de)(de)中國(guo)(guo)是可以(yi)追(zhui)得上(shang)世(shi)界前沿的(de)(de)。從(cong)電冰箱、彩電還(huan)需要(yao)全國(guo)(guo)一(yi)(yi)(yi)盤棋攻關到殲(jian)-20、C919和天宮、神舟(zhou),中國(guo)(guo)就(jiu)是這樣(yang)(yang)一(yi)(yi)(yi)步一(yi)(yi)(yi)步過來(lai)(lai)的(de)(de)。但在(zai)顛覆性的(de)(de)新領(ling)域(yu),大(da)家(jia)的(de)(de)起(qi)點都是一(yi)(yi)(yi)樣(yang)(yang)的(de)(de),中國(guo)(guo)有信(xin)心、有能力(li)(li),也正(zheng)在(zai)發(fa)力(li)(li),直沖世(shi)界前沿,高(gao)超音(yin)速(su)正(zheng)是這樣(yang)(yang)一(yi)(yi)(yi)個領(ling)域(yu)。更快,更高(gao),更遠,我們的(de)(de)目標是星辰大(da)海。中國(guo)(guo)加油!