官方称腾云空天飞机已首飞!相比X37B、航天飞机等航天器好在哪?

2021-11-27 21:44:02 细说科技原创作者

空天飞机是继航天飞机之后的伟大发明,一旦实用化,今后人类往返太空的成本将降低至原来的十分之一左右!其中空天飞机发展过程中还可能以运载器衍生出飞行速度超过15马赫的“亚轨道轰炸机”,现有反导系统都无法拦截。不论是民用还是军用,空天飞机都能够改变现有规则!

“腾云”空天飞机两级分离动态示意图

经过持续几十年的不懈努力,我国在高超音速领域不断取得技术突破,近年来,新装备层出不穷,如今竟然反超美国同行!

2021年7月“过于先进、不便展示”的运载器

今年7月16日,我国的亚轨道重复使用运载器飞行演示验证项目,首飞取得圆满成功,国内各大媒体争相报道。第二天“中国军工”抖音号也报道了,随后在回答网友提问时回答“过于先进、不便展示”。

垂直起飞,水平降落运载器飞行全程示意图

据了解,这架运载器采用的是垂直起飞,水平降落的方式飞行。由于太先进,为避免泄密,我国官方媒体仅公开报道,没有公布任何实物照片、视频资料。

“违背了物理学规律”的成就

2021年10月,英国《金融时报》报道称,中国于7月27日发射一枚火箭,首次利用“部分轨道轰炸系统”推动一个能搭载核弹头的“高超音速滑翔飞行器”环绕地球飞行。该报早前还声称,中国首次进行这样的试验是在8月,这次则称中国在8月13日进行了第二次试验。

报道援引“了解”第一次试验的3名人士的话说,这次试验令五角大楼和情报部门震惊,因为中国成功展示了一种全新武器能力。一名人士说,美国政府的科学家正努力了解这项美国尚不具备的能力,并补充说,中国的成就似乎“违背了物理学规律”。

8月13日那次测试的官方机构低调宣传

相比7月16日那次“过于先进、不便展示”的运载器测试,不久后的7月27日、8月13日的高超音速装备测试,我国官方媒体并没有任何公开报道。由此可见,后来的这两次测试保密级别比7月16日那次还要高,连报道都不允许!

那么,7月16日那次测试和7月27日、8月13日的两次测试又有何不同呢?

根据各方公开的消息和相关公开报道可以确定,7月16日那次属于一种垂直起飞,水平降落的两级入轨空天飞机的下面级测试,即空天飞机的运载器测试;7月27日、8月13日两次测试则是一种水平起降空天飞机的测试。

从实用性、技术先进性来看,显然水平起降的空天飞机比垂直起飞、水平降落的空调飞机更加好用,起码前者起飞地点有更多选择,而或者高度依赖火箭发射架。这意味着后两次测试的飞行器比7月16日那次测试的飞行器更先进、更实用!

11月25日,第七届中国(国际)商业航天高峰论坛在武汉开幕。航天科工官方首次透露,“腾云”工程已经成功首飞!所谓腾云工程就是腾云空天飞机研制项目。

航天科工官方透露的消息

结合各方消息来看,基本可以确定,7月27日、8月13日两次测试的飞行器就是“腾云”空天飞机!

那么,我国的“腾云”空天飞机和美国的X37B、航天飞机和可重复使用火箭又有何不同呢?

回答这个问题之前,我们先来了解下,什么是空天飞机,以及我国的发展现状。

所谓空天飞机就是一种既可以在大气层内飞行,又可以在太空飞行的特殊飞机。由于难度太大,我国决策部门提出了空天飞机4步走战略,最终目标是发展出可单机往返太空的空天飞机。

第一步:着眼现实基于液氧甲烷火箭发动机,发展两级部分可重复使用天地往返运输系统;这种空天飞机只有运载器可以重复使用,轨道器只能一次性使用,且两者均采用火箭动力。

第二步:基于放大第一步技术成果,发展两级完全重复使用火箭动力天地往返运输系统;这种空天飞机的运载器和轨道器均,但两者均采用火箭动力。

第三步:基于第一步与第二步技术成果,换装组合动力发动机,发展两级完全重复使用空天飞机。这种空天飞机的运载器和轨道器均可重复使用,但运载器采用组合循环发动机,而轨道器则采用火箭动力。

空天飞机三步走规划

第四步:在完成前三步规划后再研制基于组合动力系统的单级入轨空天飞机。这种空天飞机的运载器和轨道器直接集成为一个整体,采用组合循环发动机。

第三步那种空天飞机凭借更加高效的组合循环发动机,整体等效比冲比前面两步那两种空天飞机高至少一倍!第四步那种空天飞机是空天飞机的终极发展目标,等效比冲和上一步那种空天飞机差不多,或者略高。

由此可见,我国7月16日那次测试相当于上述第一步或第二步中的运载器测试,而7月27日、8月13日的两次测试则是我国上述第三步中的空天飞机测试,即“腾云”空天飞机测试。

在了解了“腾云”空天飞机的基础知识之后我们就能理解,为什么美国的X37B、航天飞机和可重复使用火箭全都无法和我国的“腾云”空天飞机相提并论了!

接下来简要介绍:

一、X37B只相当于“腾云”空天飞机的上面级,即轨道器,和我国的“神龙”轨道器是同一种飞行器。

“腾云”空天飞机由下面级(即运载器)和上面级(即轨道器)组成。其中,运载器搭载组合循环发动机,可将运载器以及轨道器一起从0加速到15马赫以上的超高速并飞到100公里左右的亚轨道。轨道器则搭载传统的火箭发动机,在加速到15马赫以上的超高速并飞到100公里左右的亚轨道之后,启动火箭发动机,继续加速,直至达到7.9千米/秒(第一宇宙速度),并进入预定轨道。

美国X37B轨道器返回地面

据了解,目前美国只研制出空天飞机的上面级,即X37B轨道器。至于下面级(运载器),目前还没有任何公开消息。预计美国的空天飞机运载器还没研制成功,否则也不会一直采用火箭发射X37B。

二、航天飞机连最初级的空天飞机都不如,更不用说和“腾云”空天飞机比较。

美国航天飞机由轨道器、外贮箱和固体助推器组成。

总质量高达2040吨美国航天飞机

前面提到,我国的空天飞机分4步走,其中第一步那种最初级的空天飞机和航天飞机最为接近。最初级的空天飞机的下面级相当于航天飞机的外贮箱和固体助推器上面级相当于航天飞机的可重复使用轨道器

最初级的空天飞机中质量、成本大头是可重复使用的下面级,即运载器,而一次性使用的上面级质量、成本占比很小。然而航天飞机则是反过来的,质量、成本大头是外贮箱和固体助推器。

查阅资料得知,航天飞机三部分全重为2040吨,其中轨道器全重为104吨。这意味着每次发射,占总质量约95%的外贮箱和固体助推器均只能一次性使用,只有占总质量仅5.098%的轨道器可以重复使用。

据了解,美国的航天飞机零部件总数超过250万个,是人类有史以来研制的最复杂的飞行器。由于太复杂导致可靠性还很差,5架航天飞机有2架因故障失事,以至于美国NASA不得不让航天飞机提前退役。

吃一堑长一智,为避免美国航天飞机的悲剧重演,我国即便是最初级的空天飞机也尽可能采用简单可靠设计,例如燃料不采用难以储存且高度危险的液氢,而是换成甲烷。

由此可见美国的航天飞机连最初级的空天飞机都不如,更不用说和“腾云”空天飞机比较。

三、马斯克的可重复使用火箭发展潜力远不如空天飞机。

据统计,火箭的单次发射成本中燃料成本占比仅5%左右,95%左右的成本都是箭体制造成本。这也是为什么美国宁愿牺牲部分发射效率也要研制可重复使用的根本原因。

可重复使用火箭成功软着落

马斯克的可重复使用火箭“猎鹰”火箭采用两级设计,其中可回收部分为质量、成本占比很大的一级,相当于第一步那种最初级的空天飞机的下面级。从这点来看,似乎美国的可重复使用火箭性价比和空天飞机有得一拼。

然而,即便可重复使用次数和空天飞机相同,这种火箭的发展潜力也远不如空天飞机。主要原因是有这3点:

1、比冲更低。

可重复使用火箭采用的是火箭发动机,其平均比冲难以超过360秒,而空天飞机运载器的发动机一旦换成“组合循环发动机”,其等效平均比冲将超过800秒!这意味着发射同等质量的物体进入相同轨道,空天飞机所需消耗的燃料将不到可重复使用火箭的一半!

组合动力发动机的各种组合模态

2、必须要有火箭发射塔才能顺利发射。

可重复使用火箭一般都采用垂直发射,需要发射塔才能顺利发射。空天飞机发展到上述第三步以后就可以水平起降!这意味着空天飞机相比可重复使用火箭更加灵活,民用、军用潜力更大。

3、可重复使用占比远不如空天飞机。

空天飞机发展到上述第二步以后就能实现完全可重复使用,而可重复使用火箭只有第一级可重复使用,成本和空天飞机无法相提并论。

虽然我国的“腾云”空天飞机很厉害,但我国打算把它用在防灾减灾、消灭害虫等领域,请某些国家不要过分联想,更不用恐慌。

结论:凭借等效比冲比火箭发动机大1倍以上的组合循环发动机,空天飞机发射入轨的效率更高,燃料成本更低。凭借完全可重复使用概念,空天飞机的使用成本更低,今后发展成熟以后最大的成本就只有燃料成本和日常维护保养成本。美国的X37B、航天飞机和可重复使用火箭在这两方面都无法相提并论。显然,被美国科学家认为可能违反物理学规律的“腾云”空天飞机已经遥遥领先美国同行了!

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