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2017-06-15 刀口 刀口谈兵

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作者:刀口团队 / 刀口


最近一则新闻产生了极大的轰动效应,新华社北京6月6日电(记者李松、胡喆) 我国正在研发水平起降、可重复使用天地往返飞行器,并已完成发动机等多项关键技术地面试验,取得显著进展。在此间举行的2017年全球航天探索大会上,中国航天科工集团公司副总经理刘石泉透露上述信息。

更有信息披露,这项工程被称为“腾云工程”。

在6月6-8日于北京召开的2017年全球航天探索大会(GLEX2017)上,中国航天科工集团公司公开了一种全新概念的组合式空天往返飞行器,也就是俗称的“空天飞机”。

从公开的模型看,组合式空天往返飞行器由两级组成,第一级类似于翼身融合体、倾斜双垂尾设计的大型无人机,第二级则形似一架小型无人航天飞机,由第一级背负。

据中国航天科工集团公司副总经理刘石泉介绍,空天往返飞行器可在地面机场水平起飞,在大气层中加速爬升;到达30至40公里高度时一二级分离,一级水平着陆返回;二级继续爬升进入近地轨道,完成运输任务后再入返回。刘石泉称,空天往返飞行器可以执行航天发射任务,并且能够多次重复使用,具有廉价、安全、便捷、机动等优势。

根据资料,这种空天往返飞行器是航天科工集团“腾云工程”的全部,旨在突破以组合动力、机体/推进一体化技术为代表的核心技术,完善试验设施建设,建成空天飞行器技术综合研究体系。而据中国航天科工三院科技发展部部长助理戴江勇介绍,“腾云工程”涵盖多项关键技术,包括结构和热防护、气动外形设计、组合动力系统等。

其中组合动力是一种新型动力,其基本原理是集成火箭发动机、冲压发动机、航空发动机等不同动力模式,取长补短——飞行器起飞时,使用低速性能最高的航空涡轮发动机;达到一定速度后改用适应在大气层内高速飞行的冲压发动机;到达临近空间,再用火箭发动机进入太空。 

这种组合动力用技术名词来讲就是涡轮-火箭-冲压组合循环发动机(TRRE),属于世界上最高端的空天动力技术。之前,外界总是说中国在各方面的动力技术上都落后于发达国家,但是现在情况已经开发发生重大变化。

据本届大会消息,TRRE目前已经完成了地面试验,今年年底前将开始飞行试验。这意味着我国在组合循环动力上已经达到世界领先水平,为高超音速飞行器的发展奠定了坚实基础。本届大会还公布了“腾云工程”的计划进度——在2025年完成关键技术攻关,2030年完成两级入轨空天飞行器技术验证试飞。

最大的欣喜最大的技术关键--其实是第一级和第一级的发动机

上面的报道林林总总一大堆,即便热爱军事的朋友也看了个云天雾绕。笔者抖个机灵,给你简单的总结一下以便加深理解,正所谓,八股文里有黄金,八股文里颜如玉,就看你会不会或者说能不能看出来。

首先,什么是上面文章说的空天往返飞行器的两级?

简单说,第一级,就是图片中下面那架有大三角翼的大飞机,是在大气层内飞行的(不出大气层)。

第二级,就是大家熟悉的,类似美国X37B空天飞机的“短机翼的小飞机”是要冲出大气层进入太空轨道的。

这里要强调指出的,也是特别提请朋友们注意的是,所谓的“组合式空天往返飞行器”,真正的难点或者说技术瓶颈是第一级,第一级才是关键,第一级才是关键,第一级才是关键,重要的话说三遍(笑)

我们知道,迄今为止世界上还没有一架大气层内飞行的飞机飞到过40公里高空,美国的SR-71黑鸟超音速侦察机,早先的B-70超音速轰炸机都飞不到这个高度,要飞到这个高度,必须要能够达到6倍以上的高超音速才行。

美国的X37B空天飞机还不能叫组合式空天往返飞行器,X37B升空是由“阿特拉斯5号”火箭发射上去的,随后“阿特拉斯5号”就坠毁了。 中国的这架组合式空天往返飞行器实现了两级一起从机场起飞,再分别从大气层内和大气层外安全返回的能力。

说白了,用大火箭发射空天飞机,对于中美俄三国都不是难事,难的是一定要做出一架能驮着空天飞机用高超音速的速度飞上40公里的高高空,再将空天飞机发射出去进入太空的大飞机出来,没有这样的一架大飞机,所谓的空天往返飞行器就是瞎掰。

简单说,空天往返飞行器是由飞机太空航天器组合而成的,真正的技术是飞机,没有飞机,就谈不上重复使用,不能重复使用,不能从普通机场起飞和降落,它的价值也就不存在了,关键在飞机。

高超音速飞行这将是人类划时代的巨大进步!

然而这架飞机必须是高超音速的,这个中国航天科工三院科技发展部部长助理戴江勇说的清清楚楚:“之前,外界总是说中国在各方面的动力技术上都落后于发达国家,但是现在情况已经开始发生重大变化。据本届大会消息,TRRE目前已经完成了地面试验,今年年底前将开始飞行试验。这意味着我国在组合循环动力上已经达到世界领先水平,为高超音速飞行器的发展奠定了坚实基础。”

这里要着重重申一遍,所谓的“高超音速”是有指标的,能飞6倍以上的音速才能叫高超音速,飞不了这个速度,那只能叫超音速。简单说,高超音速和超音速是两个概念,绝对不能混为一谈。

对于航空发动机来讲从超音速到高超音速之间有个非常难于逾越的门槛,就是喷气式轴流式航空发动机一般飞不到3倍以上音速,再高必须用亚燃冲压发动机,亚燃冲压发动机也飞不到6倍音速,只能用火箭发动机。

当涡喷发动机将飞机速度提高到3倍音速以上,然后接力的是火箭发动机,火箭发动机将空天往返飞行器第一级加速到6倍音速的高超音速以后,令人欣喜若狂的情况就出现了,接棒的又是属于航空发动机的超燃冲压发动机,超燃冲压发动机有个“怪脾气”,就是没有6倍的高超音速不能点燃,要不然它就不工作。

所谓超燃冲压发动机,就是发动机的燃油要在超音速条件下燃烧再产生推力,有人形容好比在12级台风里点燃一根火柴,其实这个形容也不确切,12级台风每秒才吹多远?而6倍音速相当于每秒2公里的速度,世界上最强台风是18级,中心附近最大风力不过才73米/秒,可见超燃冲压发动机的设计和制造难度,以及它爆发的骇人听闻的巨大推力。

有人说那一直用火箭发动机不结了嘛,火箭发动机燃烧时间太短,不好掌控,也维持不了长时间的高超音速飞行,但是超燃冲压发动机就可以。

通俗的说,中国的组合循环动力发动机是一种“涡喷发动机-火箭-超燃冲压发动机组合循环发动机(TRRE)”,属于世界上最高端的空天动力技术

根据笔者搜集的资料显示,特别是有论文显示,中国的这型组合循环发动机还是串联式,而串联式是目前为止国外完全没有掌握的,最难实现的组合循环发动机组合形式,是三种发动机的的组合。

笔者实在想不出它们是如何组合的,因为根据国外的资料,美国和俄罗斯以及西方各国如英国和德国都在这种组合循环发动机的组合上“折戟沉沙”栽了大跟斗。

我们这里要反复强调和说明的是,这种所谓的组合循环发动机TRRE,说到底不管它们如何组合,组合的难度有多大,最终就是为了达到一个目的=点燃超燃冲压发动机,而点燃超燃冲压发动机后,装有超燃冲压发动机的高超音速飞行器将能以6倍以上的高超音速长时间的飞行,这将是人类划时代的巨大进步!

西方的折戟沉沙与中国的欣然崛起

记得在上个世纪80到90年代,组合式空天往返飞行器的研发曾经盛极一时,各国都推出了自己的型号,比如美国的X33和“东方快车”单级空天飞机方案,德国的桑格尔,英国“霍托尔”,都曾经亮瞎人们的眼球。

虽然西方各国都打着民用航空航天的旗子,但是他们的贼心眼其实是司马昭之心路人皆知,一变脸就能用作军事用途,这是明摆着的。后来美国迫不及待发射的X-37B,就是一架太空战斗机,美国也不讳言X37B的用途,只不过美国始终没有突破组合式空天往返飞行器第一级上面的超然冲压发动机技术,退而求其次,用“阿特拉斯5号”大火箭将X37B垂直送上太空,这个技术中俄等国家其实并不稀罕。

问题是打火箭送空天飞机上太空谁不会啊,中国的长五近地轨道运载能力是25吨,美国的X37B最多15吨,中国的长五同步转移轨道运载能力达13吨,把X37B送到同步轨道都没有问题,所以,X37B真的不算啥。

关键是你能把X37B这样的空天飞机用飞机在机场起飞送到太空,再各自能返回机场降落,那才是真本事。

想航空就航空,想航天就航天,这才是组合式空天往返飞行器最大的魅力,所以国外干脆叫“航空航天飞机”。

这其中最有实用价值和超凡魅力的是英国的“霍托尔”空天飞机。英国“霍托尔”空天飞机外形和普通飞机基本一样,可完全重复使用。它采用4台吸气式喷气发动机和液氢-液氧火箭发动机的组合动力装置。起飞时吸气式喷气发动机首先启动,速度达到马赫数5、高度为26千米时停止工作,这时火箭发动机启动,直至进入200千米高的近地轨道。

“霍托尔”空天飞机的概念是1982年10月英国宇航公司提出的。“霍托尔”从伦敦飞到悉尼只需45分钟,所以能为未来的高超音速民航机提供必要的技术储备。“霍托尔”的起飞方式不同于美国航天飞机,也不同于普通飞机。它采用火箭发射车辅助,采用这种起飞方式可降低起飞重量达70吨。

发动机是“霍托尔”最关键技术,原定采用罗·罗公司设计的RB545吸气式氢氧发动机,它是高度先进的单一机体式发动机,总重2.5吨,兼有喷气发动机和火箭发动机的功能和优点,有两种工作状态:空气喷气发动机工作状态和液氢-液氧发动机工作状态。但经过几年的详细研究,英国宇航公司和罗·罗公司都感到,无论从经费上还是从技术上,都无力独立承担“霍托尔”的研制开发工作。加之国际形势的变化和世界航天发展方向的改变,最终于1988年决定放弃“霍托尔”计划。

说起来英国比美国还贼,如果“霍托尔”真的成功了,岂止可以用在民航运输上,稍微一改就是一架战略轰炸机,那么英国就成了世界航空航天规则的制定者,还能将美国甩几条街,问题的关键是“霍托尔”的那台神器发动机始终研发和造不出来,可见发动机仍然是最关键的。

至于抗烧蚀、结构和热防护、气动外形设计等当时的世界已经有了更高速度重返大气层的洲际导弹做参考并不像发动机这样困难。

更露骨想将航空就航空,想航天就航天的组合式空天往返飞行器用于军事的是美国的“东方快车”

美国“东方快车”空天飞机的方案与英国的类似,最大特点是以超音速燃烧冲压发动机为主发动机(注意与中国“腾云”组合式空天往返飞行器发动机的类同),是航空、航天两用运输系统。

1986年2月4日,里根总统向美国国会发表国情咨文,此时正是挑战者号航天飞机悲惨事故发生的一周之后。里根总统强调,他继续支持美国的载人航天计划,包括航天飞机计划和已经提出的永久性载人空间站计划。同时,他还批准了国家空天飞机计划(俗称新的东方快车计划)。里根说:“我们计划研究新的‘东方快车’,它能从杜勒斯机场起飞,加速到25倍音速后进入地球轨道,或在2小时内飞抵东京。”里根的讲话标志着美国官方的空天飞机计划正式开始。

这种飞行器原定有三大用途:高性能军用飞机;高速民航飞机;空间运输系统。东方快车计划的第一期目标是研制两架X-30试验型飞机,它能够在跑道上水平起飞,加速到入轨速度,然后返回大气层并水平着陆。

虽然美国国会和政府原计划在1990年底做出决定是否研制X-30全尺寸试验机,但由于技术、经费和政治等方面的原因,决策时间一推再推,直到1993年夏,美国决定放弃X-30试验机计划,并将东方快车计划调整。后来,东方快车计划也不了了之。

中国近几年流行一句话“想法很丰满 现实很骨感”,美国和西方从上世纪80年代对航空航天飞机点燃的热情,随着不可克服的困难最后都变得很骨感,说来说去其实就是发动机的问题始终没有解决。

这么多年来美国和西方对“组合式空天往返飞行器航空航天飞机”始终情有独钟但是却屡战屡北,近几年更是提出“一小时全球打击计划”,基点都是依托研发成功超燃冲压发动机以实现高超音速飞行上。

图 美国野心勃勃的黑燕高超音速飞行器计划,计划的最终目标是实现有人载荷一小时全球打击,但是惨遭失败被国会取消拨款。

2013年美国的HTV-2进行了两次拼命一搏,先用大火箭将HTV-2发射到200公里的太空,再以20倍音速进入大气层,结果两战两败,刚刚进入大气层就烧毁了。

美国空军用B52战略轰炸机发射X51A高超音速导弹,先点燃火箭发动机,再试图点燃超燃冲压发动机,结果仅仅达到5马赫(5倍音速)速度就再也上不去了,严格的说5马赫还达不到高超音速的及格线,等于失败。

图 看着挺唬人的吧?X51A高超音速不及格,只有5倍音速

说到这里,我们就知道本文开头说的中国已经完成涡轮-火箭-冲压组合循环发动机(TRRE),属于世界上最高端的空天动力技术。TRRE目前已经完成了地面试验,今年年底前将开始飞行试验,这句话的伟大意义和弥足珍贵了。

图 论文上赫然显示我国已经试验成功超然冲压发动机

有了它中国将改变世界

歼20的总设计师杨伟在接受《中国航空报》采访时,说起2016年在珠海航展上的歼-20,杨伟仍是显得很淡定,他说歼-20只是走向“中国制造2025”的途中完成的一个小目标。杨伟说,走出“黑暗森林”那一刻,谁掌握了科技创新的话语权,谁就能成为规则的制定者。

杨伟这个“歼20只是小目标”的说法让很多军迷朋友大惑不解,歼20已经是很先进甚至有点科幻色彩的飞行器了,难道这个小目标后面的大目标更加先进和科幻,更加令人惊喜?

的确如此,随着中国的涡轮-火箭-冲压组合循环发动机(TRRE)目前已经完成了地面试验,今年年底前将开始飞行试验。“腾云工程”的计划进度——在2025年完成关键技术攻关,2030年完成两级入轨空天飞行器技术验证试飞,这个惊喜很快就要到来。中国围绕着“腾云工程”衍生的高性能军用飞机;高速民航飞机;空间运输系统也将飞翔和穿梭在空天之间。

军迷最关心的恐怕是“腾云工程”能不能衍生出一款战略轰炸机了,笔者认为这种可能是非常现实的。我们自己保密的原因就不说了,外电报道,特别是美国军方报道,中国已经成功的进行了7次WU-14高超音速飞行器试验,获得圆满成功,再入速度达到10马赫(音速)。WU-14高超音速飞行器是美国国防部给中国于2014年1月9日首次测试的一种高超音速滑翔载具(hypersonic glide vehicle;HGV)起的代号。

在WU-14科学试验的基础上,中国已经获得了临近空间以高超音速滑翔的经验和科学数据的积累,加上今年年底前涡轮-火箭-冲压组合循环发动机(TRRE)的成功试飞,就可以实现组合式空天往返飞行器第一级的首飞。那么不久的将来,中国的高超音速战略轰炸机也将指日可待,中国将率先实现“一小时全球打击”的能力。

笔者简单计算了一下,按照第二级国产空天飞机15吨的重量,组合式空天往返飞行器第一级要想驮起这15吨的第二级空天飞机,至少需要230吨的重量。这个重量恰好就是一架重型轰炸机的重量。将来中国高超音速战略轰炸机的军事优势包括精确目标打击、一小时全球打击的武器投送、对导弹和航天防御的高生存性。

高超音速的速度在时速6179公里至12359 公里,即在马赫5至马赫10之间。

这里要提醒的是,“组合式空天往返飞行器衍生的高超音速战略轰炸机”,是在距离地面30-40公里的高高空采用“钱学森弹道”水漂式滑翔飞行的,美国的战略导弹防御系统GMD和萨德系统的雷达由于地球曲率的影响,最低探测高度不低于237公里,美国的战略导弹防御系统和萨德根本不可防御,这必须要说说清楚。

空军司令马晓天宣布的我国远轰是不是这一款高超音速战略轰炸机,目前还是个秘密,这个秘密不久就会揭开,届时才会真相大白。

图 “腾云工程”去掉上面的空天飞机,下面的第一级俨然就是一架高超音速战略轰炸机

图 我国863计划204专项展示的空天飞机“方案5”与“腾云工程”基本一致,“方案5”机长约83米是个庞然大物,完全可以看做是一架高超音速战略轰炸机

毛主席在建国前的政协会议上说过这样一段话:“让那些内外反动派在我们的面前发抖吧。让他去说我们这也不行那也不行吧。中国人民的不屈不挠的努力,必将稳步地达到自己的目的。”“我们正在前进,我们正在做我们的前人从来没有做过的,及其光荣伟大的事业。我们的目的一定要达到,我们的目的一定能够达到。”

不错,那个时候,我们当然会成为空天甚至海洋和陆地规则的制定者!

小时候我们戴上红领巾曾经宣誓“时刻准备着”!

那么我们现在将“时刻期待着”!

我们的目的一定要达到,我们的目的一定能够达到!


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