2022年9月24日,印媒《欧亚时报》报道了一个新闻称中国已经在风洞中测试了高超音速下释放载荷的能力,表示这种技术非常适合高超音速轰炸机投弹,很多业内人士分析认为,中国在开发高超音速武器方面取得了重大进展,并且已经超过了其长期对手美国。

风洞成功测试5倍音速发射载荷?其实是分离次级!

笔者看到这个标题时也是一愣,中国的高超音速技术已经达到释放载荷、发射导弹这种级别了吗?本来笔者就对这类话题比较感兴趣,赶紧点开来一阅,结果发现似乎不是这样,但仔细想想,印媒说得也没错,确实有这个潜力。

据《欧亚时报》援引的《南华早报》报道称,四川中国空气动力学研究与发展中心的林锦洲领导的一个团队表示,他们测试了一种叫做CTS(高超音速俘获轨迹系统)的结构,其方法是使用两个机械臂来保持和倾斜原型飞机及其货物,允许它们在几乎俯仰、旋转和滚转的方式下释放载荷。

是不是有些眼熟?如果各位对中国高超音速技术比较关注的话,估计已经认出来这是一种次级释放技术,准确地说是一种一级和二级的释放技术。

这就是中国的“腾云工程”中的一二级分离的技术,可能有朋友不是特别了解“腾云计划”,下面简要地介绍一下其飞行过程:

  • 1、腾云工程的飞行器一级从地面机场水平起飞,在大气层中加速爬升;
  • 2、到达30至40公里高度、速度为7马赫时一二级分离,一级水平着陆返回;
  • 3、二级继续爬升进入近地轨道,完成运输任务后再入大气返回着陆;

简单地说就是母机将子机驼至高空,然后释放子机后自行加速飞向近地轨道,而母机则返回降落,这种方式对起飞和降落基地没有要求,发射成本相较于火箭也大幅降低,这是空天飞机一种比较容易实现的模式。

这个关键就是一架能加速到7倍音速的大型高超音速一级飞行器,加上一架能在高空启动发动机后直接入轨并且能再次重返大气层安全着陆的飞行器,而这次林锦洲领导这个试验就是将一级和二级分离的技术。

载荷分离为什么还要风洞测试,真有那么难吗?

轰炸机投弹也算是载荷分离,舱门打开,炸弹一个个丢下去不就可以了?确实就是那么简单,但战斗机在投弹后炸弹没有向下落却反而因为气流把炸弹推了上来,结果把飞机撞毁了,这样的案例还真的发生过。

这还是低速下的分离,高速下还要惨烈一些,洛克希德在1960年代时曾设计了一种叫做D-21的3倍音速无人侦察机,最早设计是由3倍音速的SR-71(黑鸟)来作为载机释放的,因为D-21用的是RJ43-MA20S-4冲压发动机,它需要在超音速下才能启动。

因此洛克希德最早的计划是由SR-71带着D-21加速到超音速时再开启D-21的冲压发动机,然后两者分离,测试了三次都比较顺利,但在测试第四次时分离的D-21在超音速气流的作用下失控撞上了SR-71的尾部,最终导致两架飞机都坠毁了。

最终洛克希德还是和美国空军协商,用B-52来带到高空用助推火箭发射,但这计划最后还是没成功,因为这玩意儿是准备高速穿越到中苏境内进行核爆采样的,其中一次在越境采样坠毁在云南原始森林,而且还无法查清原因。后来侦察卫星成熟后,这种飞行器就失去了作用。

超音速分离时不仅有亚音速贴近机身时的气流,从静止气流穿过高速气流(投弹)再到低速气流这个过程中压力差很大,所以炸弹扔出去居然晃悠悠能撞到机身,目前的5代机等从机舱内发射或者投掷弹药都会有一个投弹机构,否则这个导弹或者炸弹根本就不愿意离开机舱。

而在超音速甚至高超音速条件下分离还有激波,远不是航天飞机分离外储箱那么简单(外储箱破坏性分离),因为在空天飞机的分离中,两者都是保证安全!

保证分离安全:必须风洞测试

超音速飞行的激波大家一定是知道的,形成原理为飞行器在大气层中飞行时前方空气会“避让”从飞行器周围流过,空气分子会“通知”前方的分子“避让”,但这个“通知”速度是音速,当飞机超过音速时,这些空气分子无法及时“避让”,会堆积在飞行器前方,形成一个压缩的锋面,这就是激波。

激波呈现的是一个圆锥面,与飞行器的空气动力形状有关,机身越尖锐、速度越高,那么激波的圆锥也越尖,反之则圆锥的角度会大一些,飞行器在空中飞过时,其激波的圆锥会拖在飞机后方逐渐扩大,触碰地面时被听到就变成了音爆。

激波的能量很大,因此在高音速飞行器的进气道中,基本都要将激波排除在外,超音速导弹进气口的激波锥就是干这个用的,但在空天飞机的一二级分离时,二级一定会穿过一级或者一二级形成的激波区,或者两者的激波互相“打架”,各种复杂的涡流甚至导致乱流致使飞行器解体。

另一个则是高超音下不仅会有激波,还有激波压缩的加热,在高温气流下气动作用会更加复杂,但究竟是如何变化,应该如何解决,只有风洞才能告诉我们。

林锦洲领导的团队在2017年时建造了世界上第一个能够在高超音速风洞中抵抗高温超高速冲击波的CTS用于高超音速下的气动环境测试,并且升级了此前的单臂为双臂,两个机械臂有 12个自由度,使得测试的裕度会更大,释放时动作也会更精准。

升级后的设备可以在风洞最高速度6马赫的条件下模拟“卸载”二级飞行器,并由高速摄像机记录下卸载过程中的数据以便改进气动结构或释放机构。其他国家目前在测试的仍然只能单体测试,无法进行组合测试,《南华早报》称,改进后的设施在全球高超音速竞赛中遥遥领先。

印媒《欧亚时报》是不是有点标题党了?还真没法说,因为这个机构同样能释放高超音速滑翔炸弹或者高超音速导弹,因为两者的分离原理是一样的,所以印媒强行往军事上扯淡也可以,技术上确实没有壁垒。

高超音速飞行器一旦实用化,那么未来的走向就是民用和军用,军用就是高超音速作战飞机,需要发射导弹或者滑翔武器,又或者直接投掷炸弹等。民用的话就是全球数小时抵达的高超音速客机,或者直接向近地轨道发射航空器,或者发展亚轨道航天器等等,无论是全球旅行还是太空旅行,成本都将大幅度降低。

中国的空天飞机:腾云计划

笔者可以明确地指出这个计划的应用方向就是2016年提出的腾云计划,这是中国计划在2030年前实现的二级入轨空天飞机。

此空天飞机与彼空天飞机不一样!

说起空天飞机,估计大家一定会想起8月5日发射的“神龙”空天飞机,但这种大家都将其称为“空天飞机”的神龙却不是真正的空天飞机,只能被称为航天飞机。

“神龙”和NASA的X-37B以及内华达山脉公司的“追梦者”其实是同一种类型的飞行器,三者都是用火箭发射入轨的,在近地轨道上完成任务后再返回地球,不过与飞船不一样的是这三种飞行器可以在跑道上降落,因此它的着陆场选择比较自由。

追梦者

这个模式与航天飞机没有任何区别,因此只能将这三款飞行器归类到航天飞机类别,只是体积上比航天飞机更小,使用成本和灵活性也比航天飞机更具优势。

真正的空天飞机是怎么样的?

空天飞机有三个条件,水平起飞,进入绕地轨道,再返回水平着陆,能满足这个条件的即可获得空天飞机的资格。说起来很容易,但做起来实在是太难了,因为这种飞行器会经历从0速度到超音速、高超音速与第一宇宙速度这种变态的速度改变。

到目前为止只有火箭发动机可以在这个要求下完成任务,但问题是火箭要携带氧化剂,比如氢氧燃烧的质量比达到了1:8,要是只带液氢,那火箭重量降低幅度实在是相当的大,而空天飞机的目的就是在大气层内先使用空气中的氧气,到了空气稀薄的高空再开启火箭发动机,以节省大量的氧化剂。

同样没有任何一种单一的成熟发动机可以满足这个变态的要求,就目前而言基本都是组合模式,比如以下几种:

  1. 涡轮基+超燃冲压:TBCC;
  2. 火箭+超燃冲压:RBCC;
  3. 涡轮基+火箭+超燃冲压:TREE;

而且在这三种发动机中,只有TREE才是适合从地面到太空这种单级入轨空天飞机的,而RBCC则比较适合导弹,另一个TBCC则比较适合大气层内的高超音速飞行,因此目前的空天飞机也形成了两种模式:

  1. 单级入轨空天飞机;
  2. 两级入轨空天飞机;

单级入轨的比较理想的发动机是TREE,也就是涡轮基+火箭+超燃冲压,这几种发动机会轮流工作,零速度下涡轮发动机启动,空天飞机起飞并加速至5倍音速,这个过程比较关键,因为超燃冲压发动机需要5倍音速才能启动。

或者在涡轮发动机启动到超音速后启动亚燃冲压推进到5倍音速再切换成超燃冲压,确实也有亚超一体的发动机,最终将飞行器推进到30~40千米高空,达到7马赫时由于大气压已经降至平原地区的1%以下,已经无法支持吸气式飞行器工作。

因此飞行器的发动机必须切换到火箭模式,将飞行器送入近地轨道。这就是单级入轨,从30千米~200千米以上,火箭工作了大部分时间,而超燃冲压和涡轮发动机工作了大部分时间,但却不得不戴着它一起飞向太空,因此问题就来了,带着这些死重是不是太浪费火箭燃料?

所以二级入轨的空天飞行器就被提出来了,就像腾云工程的飞行器,一级飞行器的参数可是有点吓人:

  • 1、基本参数:机体长度为80多米,总重量高达140多吨!
  • 2、动力系统:发动机为六台涡轮基组合循环的涡火冲组合动力发动机,
  • 3、起飞方式:和普通飞机一样在机场起飞,
  • 4、最高飞行高度:最大飞行高度3万米以上,
  • 5、最高速度:依托于涡火冲组合动力发动机,其最高速度可达7马赫以上

这种方式,二级飞行器分离后就是一架轻装上阵的航天飞机,返回直接降落于机场,而一级高超音速飞行器则可以继续返回机场执行下一趟任务,分离后的效费比要比单级入轨的空天飞行器要更有优势,并且技术难度也更低,而且还有高超音速飞行器这个副产品,是不是很优秀?(完)

参考:

https://eurasiantimes.com/china-conducts-hypersonic-bombing-as-scientists-evaluate/

https://www.scmp.com/news/china/science/article/3193407/chinese-researchers-simulate-hypersonic-bombing-wind-tunnel?module=perpetual_scroll_0&pgtype=article&campaign=3193407