5月24日,美(mei)國國防先(xian)進研究(jiu)規(gui)劃局(簡稱DARPA)與波音簽(qian)訂(ding)協議,研發XS-1高超音速飛(fei)機(ji)(ji)。XS 為Experimental Spaceplane 的縮寫,意為實驗性空天飛(fei)機(ji)(ji),用(yong)于驗證低成本衛星發射系統。
隨著衛星的(de)(de)軍(jun)民用(yong)價值迅速提高(gao),更多的(de)(de)衛星等待發(fa)射(she),失效的(de)(de)衛星必須迅速補射(she)。傳統發(fa)射(she)方(fang)式的(de)(de)成(cheng)本太高(gao),準備時間太長,已(yi)經(jing)不(bu)適合需要(yao)了。XS-1要(yao)求把(ba)每次發(fa)射(she)的(de)(de)費(fei)用(yong)降低到500萬美元以下,比現在的(de)(de)典型發(fa)射(she)成(cheng)本降低90%,并把(ba)再(zai)次發(fa)射(she)的(de)(de)準備時間縮(suo)短到幾小時,而不(bu)是現在的(de)(de)幾個月。
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)(zai)上世紀60-70年(nian)代(dai)空間(jian)(jian)競賽(sai)時代(dai),美(mei)國(guo)在(zai)(zai)空間(jian)(jian)技術方面(mian)連創(chuang)輝(hui)煌,最(zui)后(hou)(hou)以“阿波羅”登月(yue)計(ji)劃為頂點。進入(ru)80年(nian)代(dai),美(mei)國(guo)空間(jian)(jian)技術再創(chuang)輝(hui)煌,航天飛機(ji)的(de)成就至今(jin)無(wu)人超(chao)(chao)過。但進入(ru)21世紀后(hou)(hou),只有伊隆·馬斯(si)克的(de)“獵鷹”和杰夫(fu)·比佐(zuo)斯(si)的(de)“藍(lan)色源泉”等民間(jian)(jian)可重復使用火箭項目在(zai)(zai)折騰,美(mei)國(guo)政府主導的(de)空間(jian)(jian)技術研發(fa)進入(ru)了(le)沉寂,甚至出現發(fa)射(she)軍用衛星必需(xu)的(de)重型運載火箭依(yi)靠(kao)俄羅斯(si)RD180發(fa)動機(ji)的(de)尷尬(ga)。在(zai)(zai)高超(chao)(chao)音速(su)方面(mian),除(chu)了(le)雷聲大、雨點小(xiao)的(de)X-47和X-51計(ji)劃外,也(ye)是靜悄悄的(de)。XS-1計(ji)劃使得人們會心一笑,美(mei)國(guo)又回來了(le)。
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(zhi)后(hou),人們(men)愕然(ran)發現(xian),XS-1遠不(bu)如(ru)想(xiang)象,在概念和技術上(shang)只(zhi)是逆轉的(de)航天飛機(ji)。航天飛機(ji)的(de)助(zhu)(zhu)推級(ji)是一(yi)次(ci)性使用(yong)(yong)的(de),載荷級(ji)可(ke)重(zhong)復(fu)(fu)使用(yong)(yong)。XS-1反過來(lai),助(zhu)(zhu)推級(ji)可(ke)重(zhong)復(fu)(fu)使用(yong)(yong),載荷級(ji)反而是一(yi)次(ci)性使用(yong)(yong)。這(zhe)(zhe)當然(ran)是有道理的(de)。航天飛機(ji)是載人的(de),載人的(de)載荷級(ji)(也叫軌道艙)是最昂貴的(de)部分,重(zhong)復(fu)(fu)使用(yong)(yong)有利于降(jiang)低成(cheng)本(ben)。XS-1是不(bu)載人的(de),只(zhi)用(yong)(yong)于發射(she)衛星,載荷級(ji)不(bu)必(bi)重(zhong)復(fu)(fu)使用(yong)(yong),但更大的(de)助(zhu)(zhu)推級(ji)反而是發射(she)系(xi)統成(cheng)本(ben)的(de)主(zhu)體(ti),所以(yi)這(zhe)(zhe)才重(zhong)復(fu)(fu)使用(yong)(yong)。實際上(shang),這(zhe)(zhe)可(ke)以(yi)看作帶翼、具(ju)有滑翔著陸能力的(de)“獵鷹(ying)”可(ke)回收火箭(jian)。
除(chu)了(le)這一逆轉,XS-1在(zai)(zai)推(tui)進(jin)技(ji)術和熱防護技(ji)術上(shang)沒(mei)(mei)有(you)新意(yi),基本上(shang)是現有(you)技(ji)術的(de)再包(bao)裝(zhuang)。XS-1采(cai)用Aerojet Rocketdyne 的(de)AR22液氫液氧火(huo)箭發(fa)動(dong)機,這是從(cong)航天飛(fei)機主發(fa)動(dong)機改進(jin)而來的(de)。XS-1依然采(cai)用垂直發(fa)射(she),用單級(ji)火(huo)箭推(tui)進(jin)到大(da)氣層邊緣(yuan)后,釋(shi)放載荷級(ji),自身(shen)靠機動(dong)滑翔返(fan)回發(fa)射(she)場。一次性使用的(de)載荷級(ji)則在(zai)(zai)自身(shen)火(huo)箭動(dong)力(li)下進(jin)入近地軌道,任務(wu)完成后在(zai)(zai)返(fan)回中(zhong)焚尸滅跡。由于助推(tui)級(ji)始終在(zai)(zai)亞軌道高度飛(fei)行,沒(mei)(mei)有(you)再入問題,所以也沒(mei)(mei)有(you)多(duo)少熱防護問題。取消熱防護要求大(da)大(da)降低了(le)系統重量和成本。
波(bo)音(yin)計(ji)劃在2019年(nian)進(jin)行(xing)(xing)(xing)發(fa)動機地(di)面(mian)測試(shi),展(zhan)示10天內接連發(fa)射10次的能(neng)力,2020年(nian)進(jin)行(xing)(xing)(xing)飛(fei)行(xing)(xing)(xing)試(shi)驗,可能(neng)進(jin)行(xing)(xing)(xing)12-15次發(fa)射。載荷從無載荷開始,然后從400公斤逐步增加到1360公斤。飛(fei)行(xing)(xing)(xing)試(shi)驗從5倍(bei)音(yin)速(su)(也可表達為M5)開始,逐步提(ti)高到10倍(bei)音(yin)速(su),這是高超音(yin)速(su)了。
天下(xia)武(wu)功,唯快(kuai)不破。高(gao)超音速(su)飛行(xing)器不僅(jin)速(su)度(du)快(kuai),還有(you)強大(da)的機動(dong)能力。彈(dan)(dan)道導彈(dan)(dan)也很快(kuai),但只有(you)有(you)限的機動(dong)能力。正因為如此,彈(dan)(dan)道導彈(dan)(dan)一發射,就(jiu)可(ke)(ke)以(yi)(yi)推算出彈(dan)(dan)道全程(cheng)的大(da)概(gai),反導彈(dan)(dan)就(jiu)可(ke)(ke)以(yi)(yi)按照(zhao)提前量發射了。這好比(bi)鬼子一出炮樓,就(jiu)可(ke)(ke)以(yi)(yi)根(gen)據走哪(na)條路,判斷掃蕩目標、行(xing)進速(su)度(du)和路徑(jing),就(jiu)可(ke)(ke)以(yi)(yi)趕緊埋地雷(lei)了。
反導彈的(de)機(ji)動性(xing)只需要補償(chang)彈道計算(suan)誤差或者目標的(de)有限機(ji)動能(neng)力。
高超音(yin)速(su)(su)飛行器的(de)(de)機動能(neng)力大大超過彈(dan)(dan)(dan)道導彈(dan)(dan)(dan),在最(zui)終轉入(ru)攻(gong)擊之前無法判(pan)斷(duan)導彈(dan)(dan)(dan)的(de)(de)攻(gong)擊目標和彈(dan)(dan)(dan)道,最(zui)終只有靠現(xian)在還不存在的(de)(de)高超音(yin)速(su)(su)反導彈(dan)(dan)(dan)或者激光、粒子束武(wu)器來(lai)攔(lan)截,常規攔(lan)截手(shou)段很難奏效。如果還是用鬼子掃蕩作比方,鬼子上(shang)路(lu)(lu)后(hou),有意識(shi)地不斷(duan)改(gai)變路(lu)(lu)徑,迷惑游擊隊,甚至可(ke)能(neng)繞一圈(quan)從背(bei)后(hou)偷襲,這(zhe)地雷(lei)就不好(hao)埋了,只有從村里加強對(dui)四面的(de)(de)觀(guan)察,根據(ju)鬼子的(de)(de)最(zui)后(hou)動向,兵來(lai)將(jiang)擋、水來(lai)土(tu)掩了。換(huan)句話說(shuo),這(zhe)仗要(yao)難打得(de)多。
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)(zai)氣(qi)動(dong)上,由于高(gao)(gao)超音速飛行(xing)的表面生熱巨大,飛行(xing)體(ti)表面的邊(bian)界層(ceng)不再(zai)僅僅是流體(ti)力學(xue)(xue)問題,也是熱力學(xue)(xue)問題。比(bi)如說(shuo),邊(bian)界層(ceng)會(hui)受(shou)熱膨(peng)脹,雷諾(nuo)數(shu)不再(zai)能有效地(di)描(miao)述邊(bian)界層(ceng)和流動(dong)現(xian)象。空氣(qi)動(dong)力學(xue)(xue)與(yu)熱力學(xue)(xue)擰(ning)到一起(qi),成(cheng)為空氣(qi)熱動(dong)力學(xue)(xue)。另外,高(gao)(gao)超音速主(zhu)要工作(zuo)在(zai)(zai)空氣(qi)特別稀(xi)薄的高(gao)(gao)層(ceng)大氣(qi),與(yu)低層(ceng)的稠密(mi)大氣(qi)相(xiang)比(bi),空氣(qi)分子(zi)之間的距離顯著增(zeng)加,空氣(qi)的連(lian)續性假設不再(zai)可靠,需要當(dang)作(zuo)粒(li)子(zi)來處理(li),使得很多(duo)傳統理(li)論(lun)與(yu)方法要重新考慮(lv)。
中國在高超(chao)音速(su)方面卓有成就,傳(chuan)說中的(de)(de)DF-ZF(也稱WU-14)高超(chao)音速(su)飛(fei)(fei)行體已(yi)經試驗了7次,全(quan)部成功。這是(shi)助(zhu)推(tui)(tui)- 滑翔體,還不是(shi)動力(li)(li)飛(fei)(fei)行體。中國對助(zhu)推(tui)(tui)- 滑翔體已(yi)經玩得很純熟(shu)了,A300火(huo)箭彈(dan)采用(yong)(yong)拉起彈(dan)道,射程增加到300公里以(yi)上(shang)(在出口市場上(shang)限制到280公里,以(yi)遵守導彈(dan)技(ji)術(shu)公約要求),這也是(shi)助(zhu)推(tui)(tui)- 滑翔技(ji)術(shu)的(de)(de)應用(yong)(yong)。但助(zhu)推(tui)(tui)- 滑翔更適(shi)合一次性使用(yong)(yong),或(huo)者XS-1這樣(yang)的(de)(de)“偽可重復使用(yong)(yong)”,真正可重復使用(yong)(yong)的(de)(de)高超(chao)音速(su)飛(fei)(fei)行體應該像普通飛(fei)(fei)機(ji)一樣(yang)水平滑跑起飛(fei)(fei)和降落,并在極高空達到高超(chao)音速(su)。這對動力(li)(li)提(ti)出了全(quan)新的(de)(de)要求。
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
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
結果……
傳統的渦輪類(lei)(包(bao)括(kuo)渦噴和渦扇)噴氣(qi)發(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)在(zai)M3左右(you)達(da)(da)(da)到(dao)速(su)(su)度(du)極(ji)限,常規沖壓式噴氣(qi)發(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)在(zai)M5左右(you)也達(da)(da)(da)到(dao)速(su)(su)度(du)極(ji)限了(le)。這是因為渦輪類(lei)和沖壓都是基于亞音(yin)(yin)速(su)(su)燃(ran)燒,進氣(qi)必須減速(su)(su)到(dao)亞音(yin)(yin)速(su)(su),然后再通過收斂- 擴散噴管達(da)(da)(da)到(dao)超音(yin)(yin)速(su)(su)。這樣(yang)的減速(su)(su)- 加速(su)(su)過程(cheng)造成本質阻力,到(dao)一定的時候,阻力增加比(bi)推力增加更快,速(su)(su)度(du)就(jiu)達(da)(da)(da)到(dao)極(ji)限了(le)。火(huo)箭發(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)當然是可以(yi)達(da)(da)(da)到(dao)高超音(yin)(yin)速(su)(su)飛行的,但需(xu)要(yao)自帶氧(yang)化劑(ji),重量較大,危險性也較大,發(fa)生(sheng)泄漏(lou)就(jiu)可能造成爆炸。吸氣(qi)(包(bao)括(kuo)渦輪類(lei)和沖壓)發(fa)動(dong)(dong)機(ji)(ji)(ji)從(cong)空氣(qi)中吸取氧(yang)氣(qi),效率要(yao)高得(de)多,也較安全。
但沖壓(ya)發動機要(yao)用于(yu)高(gao)超(chao)音(yin)速(su),必須基于(yu)超(chao)音(yin)速(su)燃燒。這個超(chao)燃可是不容(rong)易。
空(kong)氣(qi)(qi)中的(de)(de)(de)壓(ya)力波(bo)以(yi)音速傳遞(di)。常(chang)規燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)的(de)(de)(de)火焰(yan)擴(kuo)散(san)在亞音速進(jin)行,所以(yi)熱(re)空(kong)氣(qi)(qi)的(de)(de)(de)膨脹擴(kuo)散(san)快于(yu)火焰(yan)擴(kuo)散(san)。超(chao)音速燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)的(de)(de)(de)火焰(yan)擴(kuo)散(san)速度(du)(du)超(chao)過(guo)(guo)空(kong)氣(qi)(qi)膨脹速度(du)(du),空(kong)氣(qi)(qi)急劇升溫增壓(ya)但來(lai)(lai)(lai)不及膨脹,積聚的(de)(de)(de)巨大能量最終釋放出來(lai)(lai)(lai)的(de)(de)(de)時候,強大的(de)(de)(de)壓(ya)力形成破壞性的(de)(de)(de)激波(bo),這就(jiu)是(shi)(shi)爆炸。激波(bo)的(de)(de)(de)理論(lun)密(mi)度(du)(du)為無(wu)窮(qiong)大,激波(bo)掃過(guo)(guo)來(lai)(lai)(lai)就(jiu)像鋼板打臉(lian)一樣,而且(qie)是(shi)(shi)超(chao)音速的(de)(de)(de)速度(du)(du),這就(jiu)是(shi)(shi)爆炸威力遠遠大于(yu)燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)的(de)(de)(de)道(dao)理。超(chao)燃(ran)(ran)沖壓(ya)可算(suan)是(shi)(shi)可控的(de)(de)(de)連續爆炸,其燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)控制的(de)(de)(de)難度(du)(du)可想而知,就(jiu)算(suan)達到穩定燃(ran)(ran)燒(shao)(shao)了也只有很窄(zhai)的(de)(de)(de)工作范圍。
多少(shao)年(nian)來,超燃沖(chong)壓就像海市蜃樓,似乎觸手(shou)可及,但又總是飄然(ran)而(er)去。僅(jin)有(you)的(de)成(cheng)功試(shi)驗(yan)早先(xian)只(zhi)(zhi)有(you)秒(miao)級的(de)工作時間(jian),現在延長到分鐘(zhong)級,還都(dou)是在屢(lv)敗屢(lv)戰(zhan)之后。但2015年(nian)國(guo)(guo)防科(ke)大王振國(guo)(guo)教授獲得馮如航(hang)空(kong)科(ke)技精英獎,他是超燃沖(chong)壓專(zhuan)家,頒獎儀式(shi)上卻(que)對(dui)他的(de)成(cheng)果只(zhi)(zhi)字不提,倒是符(fu)合中國(guo)(guo)對(dui)于軍工科(ke)研守口如瓶的(de)傳統。
一次對公眾極為低調,但在行業內不啻于雷霆萬鈞的大會
但于3月6日由美國(guo)(guo)(guo)航(hang)空航(hang)天(tian)學(xue)會(簡(jian)稱AIAA)、中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)工程院主辦、廈門大(da)學(xue)承辦召開的(de)(de)21屆國(guo)(guo)(guo)際航(hang)天(tian)飛(fei)(fei)機和(he)高超(chao)(chao)聲速系統與技(ji)術(shu)大(da)會上,中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)大(da)大(da)方方地揭示(shi)了大(da)量成(cheng)功的(de)(de)試驗和(he)實物圖(tu)片(pian),并(bing)透露(lu)(lu)了中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)已經成(cheng)功地進行(xing)了超(chao)(chao)燃(ran)沖壓(ya)的(de)(de)飛(fei)(fei)行(xing)試驗。更加(jia)驚(jing)人的(de)(de)是(shi),中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)研制的(de)(de)渦(wo)輪- 火箭- 沖壓(ya)組(zu)合循(xun)環(huan)發動機(簡(jian)稱TRRE)將(jiang)在2017年(nian)(nian)底前(qian)開始飛(fei)(fei)行(xing)試驗,如果(guo)成(cheng)功,這(zhe)是(shi)世界第(di)一(yi)。其他(ta)國(guo)(guo)(guo)家(包(bao)括美國(guo)(guo)(guo))慢說組(zu)合循(xun)環(huan),連具有實用意(yi)義的(de)(de)可(ke)持(chi)續(xu)超(chao)(chao)燃(ran)沖壓(ya)都沒有做到(dao)。中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)盡(jin)管沒有透露(lu)(lu)超(chao)(chao)燃(ran)沖壓(ya)可(ke)持(chi)續(xu)工作的(de)(de)時間,但要是(shi)達不到(dao)至少亞小(xiao)時級(ji),研發組(zu)合循(xun)環(huan)發動機是(shi)沒有意(yi)義的(de)(de)。這(zhe)一(yi)階段(duan)的(de)(de)試驗將(jiang)持(chi)續(xu)到(dao)2020年(nian)(nian),在2025-30年(nian)(nian)進行(xing)水(shui)平滑跑起(qi)飛(fei)(fei)- 著陸(lu)的(de)(de)飛(fei)(fei)行(xing)試驗,如果(guo)成(cheng)功,更是(shi)里(li)程碑級(ji)的(de)(de)成(cheng)就。
中國的(de)TRRE 采用上下(xia)并(bing)列的(de)基本布置(zhi),共用可(ke)調進(jin)氣口(kou),然后進(jin)氣道(dao)分叉,上半通向(xiang)渦輪(lun)發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji),下(xia)半通向(xiang)火箭(jian)- 沖壓發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji),兩者的(de)噴(pen)口(kou)在擴(kuo)(kuo)散(san)段再度匯合(he)。這種上下(xia)并(bing)排的(de)布置(zhi)巧妙地利用了渦輪(lun)發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)需(xu)要(yao)彎曲、擴(kuo)(kuo)張(zhang)的(de)進(jin)氣道(dao)和超燃沖壓需(xu)要(yao)短直進(jin)氣道(dao)的(de)問題(ti),尾后合(he)并(bing)的(de)噴(pen)口(kou)也巧妙地利用了渦輪(lun)發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)需(xu)要(yao)收斂- 擴(kuo)(kuo)張(zhang)噴(pen)口(kou)和超燃沖壓只(zhi)需(xu)要(yao)擴(kuo)(kuo)張(zhang)噴(pen)口(kou)的(de)特點。可(ke)調的(de)進(jin)氣口(kou)控制(zhi)激波系的(de)形狀和位置(zhi),確保進(jin)氣道(dao)工作條(tiao)件與發(fa)動(dong)(dong)(dong)機(ji)(ji)工作模式最(zui)優匹配。
上涵(han)(han)道(dao)里的(de)渦(wo)輪發動(dong)機在(zai)靜止到(dao)M2之間工作,下涵(han)(han)道(dao)里的(de)火(huo)箭(jian)沖(chong)壓(ya)(ya)(ya)在(zai)需要加速(su)時啟動(dong),這時可以(yi)等效為(wei)加力燃(ran)(ran)燒(shao)室。火(huo)箭(jian)沖(chong)壓(ya)(ya)(ya)也稱(cheng)吸氣(qi)(qi)火(huo)箭(jian)、引射沖(chong)壓(ya)(ya)(ya),用(yong)貧氧富(fu)油的(de)高溫火(huo)箭(jian)燃(ran)(ran)氣(qi)(qi)對沖(chong)壓(ya)(ya)(ya)進氣(qi)(qi)引射增壓(ya)(ya)(ya),并與進氣(qi)(qi)混合(he)燃(ran)(ran)燒(shao),大大提高沖(chong)壓(ya)(ya)(ya)的(de)效率、推力和工作速(su)度(du)。在(zai)M2時,上涵(han)(han)道(dao)關閉,下涵(han)(han)道(dao)進入亞(ya)燃(ran)(ran)沖(chong)壓(ya)(ya)(ya)模(mo)式,然后在(zai)M3-6之間轉入火(huo)箭(jian)沖(chong)壓(ya)(ya)(ya)模(mo)式。在(zai)M6時轉入超燃(ran)(ran)沖(chong)壓(ya)(ya)(ya)和火(huo)箭(jian)沖(chong)壓(ya)(ya)(ya)組合(he)模(mo)式。發動(dong)機以(yi)性質穩定、價格(ge)低廉的(de)航(hang)空(kong)煤油為(wei)燃(ran)(ran)料。
在這次會議上,中國突然公布了一系列新的技術成果
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
中國在過去兩(liang)年里(li)進行(xing)了大(da)量試(shi)(shi)(shi)(shi)驗,驗證了加(jia)速、巡航、機動(dong)等各(ge)方(fang)面性(xing)能,驗證了上下(xia)(xia)涵道的(de)(de)協(xie)調工(gong)作和(he)(he)可靠平順的(de)(de)模(mo)式轉換,有(you)效地解決了低速時的(de)(de)大(da)推力(li)(li)(li)要求和(he)(he)M6時的(de)(de)高比沖要求之間的(de)(de)矛盾(dun)。試(shi)(shi)(shi)(shi)驗證明了下(xia)(xia)涵道里(li)的(de)(de)液體火(huo)箭和(he)(he)雙模(mo)沖壓在M1.5-7之間協(xie)調工(gong)作的(de)(de)可行(xing)性(xing)。2016年,進氣道和(he)(he)噴(pen)(pen)管試(shi)(shi)(shi)(shi)驗完成,M1.8條件下(xia)(xia)的(de)(de)臺架試(shi)(shi)(shi)(shi)驗也完成。M2-6的(de)(de)穩態臺架試(shi)(shi)(shi)(shi)驗已經開始。試(shi)(shi)(shi)(shi)驗驗證了TRRE 的(de)(de)進氣道、噴(pen)(pen)管和(he)(he)燃燒室設(she)計和(he)(he)模(mo)式轉換。試(shi)(shi)(shi)(shi)驗數(shu)據表明,可在1平方(fang)米捕獲面積(ji)下(xia)(xia)達到8噸推力(li)(li)(li),達到設(she)計要求。應該注意的(de)(de)是,8噸推力(li)(li)(li)看起來不(bu)多,但超燃沖壓最大(da)的(de)(de)挑戰是降低阻力(li)(li)(li),其次才是提高推力(li)(li)(li),8噸不(bu)少了。
組合(he)循環發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)不同于變循環發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji),前者(zhe)是(shi)渦(wo)輪類噴氣發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)、亞燃與超(chao)(chao)(chao)(chao)燃沖壓發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)和火箭發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)的(de)組合(he),后者(zhe)為(wei)渦(wo)噴與渦(wo)扇之(zhi)間(jian)的(de)無縫切(qie)換(huan)。前者(zhe)用(yong)于高超(chao)(chao)(chao)(chao)音速(su)與空(kong)天飛行(xing),后者(zhe)用(yong)于常規的(de)大氣層內飛行(xing),比(bi)如(ru)M2一級的(de)超(chao)(chao)(chao)(chao)巡戰斗機(ji)(ji)或(huo)者(zhe)超(chao)(chao)(chao)(chao)音速(su)客機(ji)(ji)。美國空(kong)軍為(wei)第六代(在中國稱為(wei)第五(wu)代)戰斗機(ji)(ji)研(yan)發(fa)(fa)的(de)AETD 發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)就是(shi)變循環發(fa)(fa)動(dong)機(ji)(ji)。
廈門會(hui)議還揭示了(le)其他來自中國的(de)(de)大(da)(da)量(liang)(liang)重大(da)(da)成(cheng)(cheng)果,尤其是(shi)(shi)大(da)(da)量(liang)(liang)成(cheng)(cheng)果都有實物試(shi)驗驗證,這意味(wei)著技(ji)術(shu)水平(ping)接近或(huo)(huo)者(zhe)已(yi)(yi)經(jing)達到實用(yong)程(cheng)度(du)(du),而不是(shi)(shi)純理論或(huo)(huo)者(zhe)純數字仿真的(de)(de)空(kong)談(tan)。比如說,國防(fang)科大(da)(da)已(yi)(yi)經(jing)成(cheng)(cheng)功測(ce)試(shi)了(le)660毫(hao)米(mi)直徑的(de)(de)連續(xu)在這次(ci)會(hui)議上,中國突然公布了(le)一系列新的(de)(de)技(ji)術(shu)成(cheng)(cheng)果旋轉爆(bao)轟發動機(ji),這是(shi)(shi)脈(mo)沖爆(bao)轟發動機(ji)的(de)(de)進一步發展,同樣利用(yong)超燃時(shi)壓力(li)波“自我閉鎖”的(de)(de)機(ji)理,使得(de)燃燒(shao)的(de)(de)溫度(du)(du)和壓力(li)極大(da)(da)升高(gao)(gao),而且產生連續(xu)推力(li),可能突破(po)渦噴、渦扇(shan)的(de)(de)速度(du)(du)和熱(re)(re)效率(lv)局限(xian),成(cheng)(cheng)為下一代噴氣(qi)(qi)(qi)(qi)發動機(ji)的(de)(de)基本(ben)技(ji)術(shu)。北航展示了(le)緊湊(cou)型高(gao)(gao)效換熱(re)(re)器技(ji)術(shu),可以將進氣(qi)(qi)(qi)(qi)溫度(du)(du)迅速降低,不僅(jin)提(ti)(ti)高(gao)(gao)進氣(qi)(qi)(qi)(qi)密度(du)(du)和進氣(qi)(qi)(qi)(qi)道效率(lv),還對熱(re)(re)端部件的(de)(de)起冷卻作用(yong),可用(yong)于減輕防(fang)熱(re)(re)設計帶來的(de)(de)重量(liang)(liang),或(huo)(huo)者(zhe)進一步提(ti)(ti)高(gao)(gao)熱(re)(re)工參(can)數,試(shi)驗已(yi)(yi)經(jing)取(qu)得(de)“令人滿意”的(de)(de)成(cheng)(cheng)功。
在材(cai)(cai)料方面(mian)(mian),中國(guo)新(xin)研(yan)制(zhi)的輕質熱(re)防(fang)護(hu)材(cai)(cai)料采用仿生的陶(tao)瓷表(biao)面(mian)(mian)結構(gou),耐熱(re)能力提高近萬倍。其(qi)他新(xin)型(xing)熱(re)防(fang)護(hu)技(ji)(ji)術包括泡沫(mo)碳(tan)、陶(tao)瓷覆層(ceng)和夾(jia)層(ceng)隔熱(re)、波(bo)紋(wen)夾(jia)層(ceng)與隔熱(re)復合結構(gou)等。中國(guo)科研(yan)人員(yuan)還(huan)研(yan)究出三(san)維(wei)(wei)碳(tan)纖維(wei)(wei)編織技(ji)(ji)術,形(xing)成(cheng)三(san)維(wei)(wei)網格(ge)復材(cai)(cai)結構(gou),避免了傳統二維(wei)(wei)復材(cai)(cai)的界(jie)面(mian)(mian)分離(li)問題。應該指出,這(zhe)些技(ji)(ji)術在航空上也有(you)巨大價(jia)值,三(san)維(wei)(wei)編織碳(tan)纖維(wei)(wei)風扇葉片就是C919的LEAP 發動機的關鍵技(ji)(ji)術之一(yi)。
在理(li)(li)論(lun)方(fang)面(mian)(mian),中(zhong)(zhong)國在高(gao)(gao)超(chao)(chao)音(yin)(yin)速(su)非穩(wen)態(tai)流(liu)動(dong)(dong)理(li)(li)論(lun)、復(fu)雜(za)流(liu)動(dong)(dong)機(ji)制(zhi)和(he)(he)數值仿(fang)真等方(fang)面(mian)(mian)取得(de)突破(po),對物理(li)(li)耦合(he)現象取得(de)深入理(li)(li)解,發現了(le)(le)新(xin)的(de)(de)(de)流(liu)動(dong)(dong)現象,建立(li)了(le)(le)高(gao)(gao)升阻比(bi)高(gao)(gao)超(chao)(chao)音(yin)(yin)速(su)飛行(xing)(xing)器的(de)(de)(de)最優設(she)(she)計方(fang)法,建立(li)了(le)(le)同時(shi)達到降低熱通量和(he)(he)降低阻力(li)的(de)(de)(de)新(xin)方(fang)法。中(zhong)(zhong)國還摸清了(le)(le)碳氫燃(ran)料的(de)(de)(de)熄火(huo)極限,這是(shi)使用碳氫燃(ran)料的(de)(de)(de)超(chao)(chao)燃(ran)沖壓(ya)工(gong)作范圍的(de)(de)(de)理(li)(li)論(lun)極限,對設(she)(she)計至關(guan)重要。中(zhong)(zhong)國在高(gao)(gao)超(chao)(chao)音(yin)(yin)速(su)進氣道設(she)(she)計中(zhong)(zhong)采用彎曲(qu)表(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)壓(ya)縮(suo)面(mian)(mian)。一般來說(shuo),人們對高(gao)(gao)超(chao)(chao)音(yin)(yin)速(su)飛行(xing)(xing)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)空氣熱動(dong)(dong)力(li)學的(de)(de)(de)理(li)(li)解還很(hen)粗淺,所(suo)以已(yi)經飛行(xing)(xing)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)超(chao)(chao)音(yin)(yin)速(su)飛行(xing)(xing)器大(da)多(duo)是(shi)直線、平面(mian)(mian)結(jie)構(gou),把復(fu)雜(za)的(de)(de)(de)三(san)維問題簡化成二維。彎曲(qu)表(biao)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)壓(ya)縮(suo)面(mian)(mian)代表(biao)了(le)(le)更高(gao)(gao)層(ceng)次的(de)(de)(de)技(ji)術和(he)(he)自(zi)信。
目前大多數高超聲速飛行器的設計都是“直線”外形
中國(guo)(guo)(guo)還在大(da)量興建高(gao)超(chao)(chao)(chao)音(yin)(yin)(yin)(yin)速風洞(dong)。理論前(qian)沿只有(you)得到實驗驗證(zheng),才能成為可靠(kao)的(de)指(zhi)導工具(ju),對于已經突破(po)傳統理論應用范圍(wei)的(de)高(gao)超(chao)(chao)(chao)音(yin)(yin)(yin)(yin)速研究來(lai)說,更是如此。中國(guo)(guo)(guo)的(de)高(gao)超(chao)(chao)(chao)音(yin)(yin)(yin)(yin)速風洞(dong)有(you)科學院力(li)學所的(de)當前(qian)世(shi)界最大(da)的(de)JF12風洞(dong)、航空航天院即將完工但比JF12更大(da)的(de)FD21風洞(dong)、國(guo)(guo)(guo)防(fang)科大(da)的(de)M6低噪聲風洞(dong),當然少不(bu)了(le)綿陽的(de)可以模擬長達600毫秒的(de)M4-7高(gao)超(chao)(chao)(chao)音(yin)(yin)(yin)(yin)速試(shi)驗裝置,JF12只能模擬100毫秒。這(zhe)些(xie)風洞(dong)是蓬勃興起的(de)中國(guo)(guo)(guo)高(gao)超(chao)(chao)(chao)音(yin)(yin)(yin)(yin)速研究的(de)底氣。
回到(dao)XS-1,其(qi)液(ye)氫液(ye)氧火箭是“阿波(bo)羅”計劃的(de)(de)(de)(de)(de)(de)“土星(xing)V”就采用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)技術,而沒有(you)采用(yong)更先(xian)進(jin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)超燃(ran)(ran)沖壓或者任何形(xing)式的(de)(de)(de)(de)(de)(de)吸氣發(fa)(fa)(fa)動(dong)機(ji)。XS-1依(yi)然采用(yong)低效的(de)(de)(de)(de)(de)(de)垂直(zhi)發(fa)(fa)(fa)射(she)(she),完全依(yi)靠蠻(man)力把載(zai)(zai)(zai)荷托(tuo)入空中。航天(tian)飛(fei)(fei)(fei)機(ji)軌道(dao)艙(cang)(包括載(zai)(zai)(zai)荷艙(cang)、駕駛艙(cang)和(he)燃(ran)(ran)料(liao)、發(fa)(fa)(fa)動(dong)機(ji))的(de)(de)(de)(de)(de)(de)重量(liang)為110噸,最(zui)大(da)載(zai)(zai)(zai)荷25噸,但(dan)整個航天(tian)飛(fei)(fei)(fei)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)最(zui)大(da)起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)重量(liang)竟(jing)達2000噸,其(qi)他的(de)(de)(de)(de)(de)(de)都(dou)是發(fa)(fa)(fa)射(she)(she)后就拋棄(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)助(zhu)推(tui)器(qi)、外部燃(ran)(ran)料(liao)箱。兩(liang)臺助(zhu)推(tui)火箭的(de)(de)(de)(de)(de)(de)推(tui)力各12500kN,加軌道(dao)艙(cang)三(san)臺主發(fa)(fa)(fa)動(dong)機(ji)共產(chan)生(sheng)5525kN,起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)需(xu)要超過30000kN 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)推(tui)力!相比之下(xia),飛(fei)(fei)(fei)機(ji)依(yi)靠機(ji)翼在滑(hua)跑(pao)中產(chan)生(sheng)氣動(dong)升(sheng)力,可(ke)用(yong)低得多的(de)(de)(de)(de)(de)(de)能量(liang)升(sheng)空。最(zui)大(da)起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)重量(liang)為254噸的(de)(de)(de)(de)(de)(de)波(bo)音(yin)787-9只(zhi)需(xu)要兩(liang)臺320kN 級的(de)(de)(de)(de)(de)(de)渦扇發(fa)(fa)(fa)動(dong)機(ji)就可(ke)以起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei),這還(huan)是考慮到(dao)一臺發(fa)(fa)(fa)動(dong)機(ji)在起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)中故(gu)障(zhang)情況(kuang)下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)單(dan)發(fa)(fa)(fa)強行繼續起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)所需(xu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)推(tui)力。波(bo)音(yin)787只(zhi)有(you)載(zai)(zai)(zai)客(ke)量(liang)數據(ju),沒有(you)載(zai)(zai)(zai)重量(liang)數據(ju),但(dan)最(zui)大(da)起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)重量(liang)相似的(de)(de)(de)(de)(de)(de)C-17可(ke)載(zai)(zai)(zai)重78噸。垂直(zhi)起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)航天(tian)飛(fei)(fei)(fei)機(ji)與滑(hua)跑(pao)起(qi)(qi)飛(fei)(fei)(fei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)常(chang)規飛(fei)(fei)(fei)機(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)效率(lv)和(he)經濟性差別不言而喻。
在(zai)(zai)(zai)氣動上(shang),XS-1在(zai)(zai)(zai)尺寸上(shang)相當于公務飛(fei)(fei)(fei)機(ji)(ji)(ji)(ji),在(zai)(zai)(zai)氣動布局上(shang)與航(hang)天(tian)飛(fei)(fei)(fei)機(ji)(ji)(ji)(ji)很相似,但機(ji)(ji)(ji)(ji)翼(yi)具有大型翼(yi)梢小翼(yi),作(zuo)為(wei)替代垂尾(wei),正常(chang)垂尾(wei)的(de)位置(zhi)要(yao)用(yong)(yong)于搭載載荷級。XS-1的(de)氣動控(kong)制(zhi)能(neng)(neng)(neng)力(li)估(gu)計也比航(hang)天(tian)飛(fei)(fei)(fei)機(ji)(ji)(ji)(ji)有所提高(gao),改善(shan)了機(ji)(ji)(ji)(ji)動性,降低了對著陸(lu)場的(de)跑道要(yao)求。但機(ji)(ji)(ji)(ji)翼(yi)升力(li)可(ke)能(neng)(neng)(neng)不足以實現在(zai)(zai)(zai)滑跑中起(qi)飛(fei)(fei)(fei),這(zhe)使得(de)XS-1的(de)返回依然只能(neng)(neng)(neng)在(zai)(zai)(zai)指(zhi)定(ding)著陸(lu)場進行,否則在(zai)(zai)(zai)偏(pian)遠的(de)備降場著陸(lu)的(de)話(hua),無(wu)法靠(kao)自身動力(li)返回發射場,還是要(yao)勞駕(jia)NASA 的(de)專用(yong)(yong)波音747駝在(zai)(zai)(zai)背(bei)上(shang),這(zhe)就費事了。中國的(de)采用(yong)(yong)TRRE 的(de)空天(tian)飛(fei)(fei)(fei)機(ji)(ji)(ji)(ji)將(jiang)能(neng)(neng)(neng)從普通(tong)機(ji)(ji)(ji)(ji)場起(qi)飛(fei)(fei)(fei)和著陸(lu),技術(shu)水平(ping)差距不可(ke)同日(ri)而語。
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
在廈門會議(yi)(yi)上,中(zhong)(zhong)國方面一口氣發表(biao)了(le)所(suo)有347篇論文中(zhong)(zhong)的(de)(de)272篇。如果這只(zhi)是主場現(xian)象的(de)(de)話,2016年在亞特(te)蘭大舉行(xing)的(de)(de)第20屆會議(yi)(yi)只(zhi)有89篇論文。中(zhong)(zhong)國軍工向來有很深的(de)(de)保密(mi)傳統(tong),官方對很多(duo)已經在光天化日之下的(de)(de)“天下保守得最差(cha)的(de)(de)秘(mi)密(mi)”還拒不承認,慢說(shuo)深藏水(shui)下、不為人(ren)們(men)所(suo)知的(de)(de)真(zhen)正(zheng)秘(mi)密(mi)了(le)。考(kao)慮到高(gao)超(chao)音(yin)速的(de)(de)軍用(yong)潛力,廈門會議(yi)(yi)上中(zhong)(zhong)國的(de)(de)大動作不同尋常。美國《航空(kong)周刊》稱(cheng)這是中(zhong)(zhong)國對整個(ge)西方的(de)(de)叫板(a shot fired across the bow ofthe West)。
廈(sha)門會(hui)議(yi)還完整透露了中(zhong)(zhong)國(guo)的(de)(de)(de)(de)高(gao)超(chao)(chao)音(yin)速研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)計(ji)劃(hua)。國(guo)家自(zi)然科(ke)(ke)學(xue)基金會(hui)出資1.5億人(ren)民幣,在(zai)2007-16年(nian)(nian)(nian)之間(jian)組織了9年(nian)(nian)(nian)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)計(ji)劃(hua),涵蓋全(quan)國(guo)的(de)(de)(de)(de)科(ke)(ke)研(yan)(yan)院(yuan)所(suo)和高(gao)校,涉及(ji)高(gao)超(chao)(chao)音(yin)速的(de)(de)(de)(de)所(suo)有(you)(you)主要方面。計(ji)劃(hua)分三(san)(san)(san)階段,前四(si)年(nian)(nian)(nian)打基礎,中(zhong)(zhong)間(jian)兩年(nian)(nian)(nian)擇優深入,最后三(san)(san)(san)年(nian)(nian)(nian)成果(guo)集(ji)成,尤其是要有(you)(you)實物。整個計(ji)劃(hua)有(you)(you)三(san)(san)(san)個目標:1、健全(quan)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)體(ti)系,完善設計(ji)方法;2、取得關鍵技術(shu)突破;3、打造人(ren)才(cai)隊伍(wu)。在(zai)廈(sha)門,不僅(jin)國(guo)家隊的(de)(de)(de)(de)綿陽的(de)(de)(de)(de)國(guo)家空氣動力研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)與發展(zhan)中(zhong)(zhong)心、北(bei)京的(de)(de)(de)(de)科(ke)(ke)學(xue)院(yuan)力學(xue)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)所(suo)積極很活躍(yue),航天科(ke)(ke)工集(ji)團第三(san)(san)(san)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)院(yuan)、三(san)(san)(san)十一(yi)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)所(suo)、中(zhong)(zhong)航工業(ye)沈陽飛機設計(ji)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)所(suo)、中(zhong)(zhong)航商飛、燃(ran)氣渦(wo)輪研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)院(yuan)、運載火(huo)箭技術(shu)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)院(yuan)、國(guo)防科(ke)(ke)大、西(xi)工大、南航、北(bei)航、廈(sha)大等都有(you)(you)積極參加。《航空周刊(kan)》稱之為(wei)協調有(you)(you)效、舉國(guo)發力的(de)(de)(de)(de)高(gao)超(chao)(chao)音(yin)速科(ke)(ke)研(yan)(yan)計(ji)劃(hua),不僅(jin)具(ju)有(you)(you)驚人(ren)的(de)(de)(de)(de)深度、廣度,而且在(zai)相對較短的(de)(de)(de)(de)時(shi)間(jian)里就取得了多到令人(ren)暈(yun)眩的(de)(de)(de)(de)重大成就(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(yi)本正經(jing)的(de)(de)(de)(de)權威專業(ye)雜志這(zhe)樣堆砌驚嘆(tan)詞是很少有(you)(you)的(de)(de)(de)(de)事(shi)情。
中國(guo)(guo)在(zai)高超音速領域敲(qiao)響了(le)戰鼓(gu),但(dan)選(xuan)的(de)(de)地方很(hen)小眾、很(hen)專業(ye),該(gai)聽(ting)到的(de)(de)人想不(bu)(bu)聽(ting)到都不(bu)(bu)行,不(bu)(bu)需要聽(ting)到的(de)(de)人依(yi)然(ran)在(zai)懵(meng)懂(dong)之中。中國(guo)(guo)不(bu)(bu)想成(cheng)為威(wei)脅,但(dan)老(lao)虎和(he)眉善目的(de)(de),可不(bu)(bu)能(neng)當病貓了(le)。
這(zhe)些年來(lai),中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)在(zai)(zai)科學研究與工(gong)業技(ji)術各方面取得了巨大的(de)(de)成就(jiu),但中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)依然是(shi)(shi)發展中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)家(jia)(jia)。在(zai)(zai)眾多(duo)傳(chuan)統(tong)領域(yu),中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)還(huan)(huan)有(you)(you)(you)很多(duo)方面落后于(yu)世(shi)界(jie)先進水(shui)平,例(li)子不勝(sheng)枚舉(ju),畢竟發達國(guo)(guo)(guo)家(jia)(jia)的(de)(de)發達不是(shi)(shi)在(zai)(zai)睡懶覺(jue)中(zhong)(zhong)從天上掉(diao)下(xia)來(lai)的(de)(de),別人(ren)也(ye)在(zai)(zai)努(nu)力(li),別人(ren)的(de)(de)起點還(huan)(huan)更(geng)高(gao),中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)只有(you)(you)(you)靜下(xia)心(xin)(xin)、扎實努(nu)力(li)。但傳(chuan)統(tong)領域(yu)畢竟是(shi)(shi)傳(chuan)統(tong)領域(yu),發展還(huan)(huan)在(zai)(zai)繼續,速(su)(su)度總是(shi)(shi)在(zai)(zai)慢下(xia)來(lai)的(de)(de),假以時日,不懈追趕(gan)的(de)(de)中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)是(shi)(shi)可以追得上世(shi)界(jie)前沿的(de)(de)。從電冰箱、彩電還(huan)(huan)需(xu)要全國(guo)(guo)(guo)一(yi)盤棋攻關到殲-20、C919和(he)天宮、神舟,中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)就(jiu)是(shi)(shi)這(zhe)樣(yang)一(yi)步一(yi)步過(guo)來(lai)的(de)(de)。但在(zai)(zai)顛覆性的(de)(de)新(xin)領域(yu),大家(jia)(jia)的(de)(de)起點都是(shi)(shi)一(yi)樣(yang)的(de)(de),中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)有(you)(you)(you)信心(xin)(xin)、有(you)(you)(you)能力(li),也(ye)正在(zai)(zai)發力(li),直沖世(shi)界(jie)前沿,高(gao)超音速(su)(su)正是(shi)(shi)這(zhe)樣(yang)一(yi)個(ge)領域(yu)。更(geng)快,更(geng)高(gao),更(geng)遠,我(wo)們的(de)(de)目標是(shi)(shi)星辰大海。中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)(guo)加油!