领先就领先美国!中国首先造出了“货真价实”的空天飞机

2021-12-05 12:07:25 利刃号

近日,在武汉举行的第七届商业航天高峰论坛中,中国航天科工集团宣布,作为我国新一代天地往返运输系统重要验证项目,我国“腾云工程”现已完成液体火箭发动机、冲压发动机组合体模态转换飞行验证,在项目中迈出了关键性的一步,未来,“腾云工程”将按照预定计划,持续推进研发工作。

虽然航天科工的“官宣”只有这一句话,虽然这个“火箭发动机与冲压发动机组合体模态转换飞行验证”过于拗口,但毫无疑问,对我们来说,这一消息是一个典型的“五十万”消息,而“腾云工程”为代表的“新一代天地往返运输系统”,无疑又是一个“要领先就领先美国人”的项目。

那么,“腾云工程”的“五十万”到底在哪,“要领先就领先美国人”领先在何处呢?先说说“天地往返运输系统”好了,所谓的“天地往返运输系统”,说通俗点就是火箭和飞船,咱们都知道冷战以来,载人飞船已经发展了四代:第一代是苏联“上升”和美国“双子星”为代表的两舱构型,第二代是以苏联“联盟”号为代表的三舱型,第三代是以美国航天飞机为代表的“准空天飞机”,第四代则是以龙飞船、中国新一代载人飞船为代表的“大两舱”飞船。

在这些项目中,最为特殊的是航天飞机,相比宇宙飞船,航天飞机的起飞和一枚火箭差不多,需要大型火箭把它“嗖”地打到轨道里,但是降落和常见的宇宙飞船都不同,其它的宇宙飞船,降落时叫做“弹道式降落”,就是像一枚流星一样再入大气层,打开降落伞落地。而航天飞机则不需要,它的降落可以采用滑翔式降落的方式,像一架大型飞机一样,从外太空进入大气层,进入低层大气后滑翔降落在机场上。相比载人飞船,航天飞机的载重量更大,机内空间更大,居住性更好,几乎就相当于一个小型空间站,因此,到目前为止,航天飞机都被算作是一种划时代的载人飞行器

不过,航天飞机它有个缺点,就是可靠性不好。目前投入实际飞行的航天飞机一共只有美国的五架,结果坠毁两架,死亡航天员十四名,两起失事的航天飞机中,“挑战者”号是在发射中当场爆炸,“哥伦比亚”号则是因为发射中发生的碰撞事故在返回时坠毁。两起事故,实际上都是在发射时出的问题,这也让各路科学家们有了一个新的思路:航天飞机的着陆方式,肯定是老铁没毛病,那如果把它的起飞方式改一改呢?以前指望用火箭把它打上天,整架飞机跟坐在大号炸药包上一样,不出事似乎完全不现实,要是咱们改一改,改为让航天飞机像飞机一样起飞,直接入轨,然后再像飞机一样返回,直接降落在机场上,把最危险的发射环节规避过去,可靠性提高,岂不美哉?

这种两全其美的方式,就是美国人一直孜孜以求的空天飞机,但由于各种因素,美国到目前也没有真的弄出一架空天飞机来。虽然X-37B这种东西,距离空天飞机已经很近了,但它仍然需要一枚火箭把它打上天,只不过在发射过程中X-37B可以呆在整流罩里,可靠性提高,不至于被砸着碰着、在返回时落地成盒。而咱们的“腾云工程”,说一千道一万,比X-37B领先一代,咱们直接就把美国人预想中的空天飞机给它完成了,而且目前的研发进度非常顺利,做的试验也非常成功,这要不是领先美国人那就没有领先美国人的地方了。

大概搞清楚了“腾云工程”的性质,那么,“腾云工程”到底造出了一个啥样的黑科技玩意,“火箭和冲压发动机组合”到底又有什么奥秘呢?我们接着说空天飞机啊,前边说到空天飞机可以像飞机一样起飞,像飞机一样着陆,这种思路说说容易做起来谈何容易:一是你得同时在飞机上解决几套动力系统,比如低层大气使用涡扇发动机,高层大气使用冲压发动机,大气层外使用火箭发动机,一架飞机上装几套发动机,这系统就复杂到没法看了。因此往往会选择两级入轨:靠一个使用喷气式发动机的“助推飞机”驮着一个使用火箭发动机的“入轨飞机”,形成一个空天飞机“组合体”;二是你得搞出速度足够快的喷气式发动机,毕竟单靠涡扇发动机和涡喷发动机,无法把空天飞机加速到需要的速度,这要让空天飞机带更多的火箭燃料,减弱它的载荷能力,因此空天飞机使用的喷气式发动机,往往必须是超燃冲压发动机;三是一套如此复杂的空天飞机系统,要在整体上解决防热、系统分离、飞行控制、地面制导等大大小小的问题,这工程难度一点儿不比当年美国人搞航天飞机的难度小。

虽然困难重重,但是,中国的“腾云工程”,真的把上边这么多大大小小的问题都给解决了,而且已经做了相当完整的全过程试验。比如,在整个飞行器的设计上,我们的“腾云工程”当前的情况不清楚,但从官宣的未来发展看,是可以做到像一架大型飞机一样,将入轨飞行器和助推飞行器组合在一起,从地面上直接起飞的。在起飞时,用于入轨的飞行器位于助推飞行器的机身背部,形成一个比较奇特的“双机”组合体,这架组合体首先进入高空,一般高度在三万米左右,然后启动超燃冲压发动机,开始进入超音速甚至高超音速状态。加速到高超音速状态后,位于机身背部的入轨飞行器与机体分离,再启动火箭发动机,开始入轨飞行,而助推飞行器则返回机场,入轨飞行器完成任务后,再像一架航天飞机一样,以滑翔的方式在机场着陆,完成任务全过程。

又比如,在飞行器的发动机设计上,“腾云工程”已经搞定了火箭发动机这不用说。从这次航天科工官宣的情况看,我们完成了液体火箭发动机和冲压发动机组合模态飞行试验,这意味着什么?就是我们已经做完了空天飞机从高空启动冲压发动机、加速到高超音速,再到启动火箭发动机、入轨飞行器和助推飞行器分离的试验,不仅跨过了空天飞机研制中一个相当大的“拦路虎”,更是意味着我们已经搞定了研制难度最高的冲压发动机、甚至是超燃冲压发动机,摘取了航空发动机研制皇冠上的明珠,这意义不亚于空天飞机本身。

再比如,空天飞机在设计上,需要解决的问题何止千万。举个栗子吧,空天飞机从高空的高超音速,转为使用火箭发动机动力时,要完成组合体的分离。在高超音速条件下,这种组合体的分离谈何容易,单单是超音速动压和气流流场就需要大量的风洞试验和理论计算。这也是为何“腾云工程”这回专门提了一个“模态转换”,从冲压发动机转换为火箭发动机,意味着组合体的分离试验肯定是做过了,而且非常成功,体现出了我国空天飞机的设计水平。

最后,从“腾云工程”的试验过程看,在最近几年,它很有可能已经做过了两次试验,其中2020年9月使用长征2F运载火箭打上去的“五十万”任务,被认为性能和X-37B飞行器类似,现在来看,该飞行器可能就是“腾云工程”的入轨飞行器,这是一次入轨飞行器飞行试验;2020年10月,西安航天动力所官宣说完成了国产组合动力发动机载机首飞,这可能就是“腾云工程”的助推飞行器,和前边的入轨飞行器加起来,两大主要系统都完成了试验;三是2021年7月被西方国家判断为所谓的“次轨轰炸器”的试验,现在来看,这次试验已经被官宣为“腾云”工程助推飞行器、在轨飞行器的结合与全过程飞行试验,而且同样获得了成功。三次试验全部成功,意味着我国在空天飞机领域,已经发展到了极高的水平,甚至已经接近实用化了。

总之,从当前的情况看,我国的两级入轨、组合动力空天飞机,研发进度和研发成果远远超出大多数人的想象,先进程度也远远不是美国的X-37B那种半吊子空天飞机能比的。可以想见,未来伴随着“腾云工程”实用化,中国航天将进一步提高发射和入轨能力,近地轨道的发射成本也有望进一步降低,快速发射能力将提高到前所未有的水平。中国航天,将在空天飞机领域,正式坐稳世界第一的位置。

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