冲啊人类!军事与商业航天中的高超声速飞行器
2019-04-19 20:43

冲啊人类!军事与商业航天中的高超声速飞行器

头图来自:东方IC,本文来自微信公众号:小火箭(ID:xiaohuojian),作者: 邢强博士


公元532年,拜占庭帝国的查士丁尼大帝已登基5年。


这一年,他与宿敌波斯萨珊王朝签订了被后人称为“永久和平”协议的文件,终结了旷日持久的战争。


随后,他大力修建君士坦丁堡的城防,努力将其打造成一座”不可能被攻陷的堡垒“。


岁月静好,江山永固。查士丁尼大帝召集在埃及亚历山大港教授物理学的伊西多尔和在君士坦丁堡广为人知的几何学家安提莫斯设计并主持建造圣索菲亚大教堂。




从公元532年到公元537年,在拜占庭帝国充盈的国库黄金、物理学家和几何学家的通力合作和无数帝国劳工的努力下,仅用7年时间,当时世界上最大的教堂便矗立在泛着粼粼波光的博斯普鲁斯海峡之畔。


(这个记录直到帝国崩溃之后很久的1519年建成的位于西班牙安达卢西亚的那座大教堂所打破)


君士坦丁堡,在巅峰时期人口超过50万的大都市,在史书中被称作由大理石、宝石、黄金和艺术组成的城市,拥有着圣索菲亚大教堂,这座让人们形容为”不可能在凡间存在的雄伟建筑“,也拥有着令人生畏的军事科技。



有多少人垂涎拜占庭帝国的财富,就会有多少场大大小小的战役。


浩淼的地中海和广袤的亚细亚依然容不下两种不同的信仰。


不过,在近千年的军事冲突中,拜占庭帝国依然屹立不倒。其秘诀之一,就是希腊火


这种具体配方已经失传的传奇火药,能够剧烈燃烧甚至爆炸。地中海冰冷的海水不仅不能将其扑灭,反而能激发这种火焰舔舐天地的不羁本性。


在公元678年的一场规模巨大的海战中,拜占庭帝国仅凭希腊火就让对方舰队中三分之二的军舰在海面上燃成灰烬。


但是,历史证明,西方帝国的福祉是很难绵延千年以上的。历史的冷酷与淡然,在厚重的历史书上体现地淋漓尽致:前几页还是策马奔腾好不惬意,还是君临天下万邦来朝,但是翻过几页,往往就是血雨腥风与改朝换代。


拜占庭帝国也没能跳出历史的轮回。希腊火的技术的确先进,但是由于长期采取严格的保密制度,结果数百年后,连拜占庭帝国最优秀的工程师也无从得知希腊火的制造工艺。


而君士坦丁堡的坚固城墙和浩淼海疆则分别面临着来自奥斯曼帝国的大炮桨帆船的巨大威胁。


在小火箭的公号报告《聊聊固体火箭发动机的推进剂》中,咱们已经对火药和多种火箭发动机固体推进剂进行了详细探讨。


最早的固体推进剂是被称为中国四大发明之一的黑火药。以硝酸钾、硫磺、木炭混合而成的黑火药早在公元808年便已有文献记载,并在北宋时期用来推动城防部队的火箭。



公元1240年左右,黑火药的秘密被传播到了奥斯曼帝国等地。


黑火药的重要组成成分,充当氧化剂的硝酸钾被奥斯曼帝国称作“中国雪”,而波斯人觉得它的外表像盐,取名为“中国盐”。


黑火药传播到欧洲之后,一直以发射药的身份见证了枪械火炮技术的飞速发展。


天才火炮设计师乌尔班设计的乌尔班大炮,在公元1453年,帮助奥斯曼帝国敲开了君士坦丁堡的大门,顺手埋葬了整个拜占庭帝国。




拜占庭帝国的希腊火的配方已经失传(不过小火箭相信里面的成分主要是:石脑油、硫磺、硝石,可能还有一些磷和石灰石)


还好黑火药的制备工艺没有失传,而且还在给如今的人类提供着绚丽和美好。



黑火药是用硫磺粉和木炭粉(供碳)以及硝酸钾(供氧)按照“一硫二硝三木炭”的比例(硝酸钾75%、硫磺10%、木炭15%)混合而成。 最佳比例应为硝酸钾74.64%,硫磺11.85%,木炭13.51%(质量比)



在奥斯曼帝国的铁骑踏上拜占庭的土地的时候,那坚守城门到最后一刻的士兵,或许会发出这样的疑问:


我们的海军哪里去了?


而这,恰恰是本文要开始和大家共同探讨的话题:速度


奥斯曼帝国能够在1453年摧毁拜占庭帝国,从军事科技的角度来看,其陆军得益于巨大的火炮威力,其海军则直径受益于桨帆船的迅猛速度。


正如小火箭早些年总结中世纪战争的特点所称:陆上得于力,海上得于速,总体则仰赖于情报。


有关力的探讨,咱们在小火箭的导弹和运载火箭系列中,给出了自公元808年到现在的延续性分析。


而速度,则是神对人类永恒的诱惑,同时也是获取胜利的关键要素



战争打响后,吾将不眠不休,不饮不食,向敌人不停地发起冲锋,直到敌人被我方彻底压倒


这是公元1453年在奥斯曼帝国桨帆船中发出的震天祷文。


健硕的桨手坐在只有波音737经济舱座椅宽度大小的位置上,用全身的力量催动肘部,进而带动10米长的巨桨的划动。


桨帆船相较于传统大帆船的适航性要差很多,而且平时对数百位桨手的补给也是后勤系统的大难题。



但是,桨帆船把人类的力量发挥到了极致。在实战中,大船不再完全依赖风向。


训练有素的桨手团结一致,桨帆船的龙骨则曲线优美。


在冲锋号令下达之后,桨帆船纯靠人力,就能以7.5节的速度(14公里/小时)的速度,持续突进20分钟。


这个速度,是传统风帆战舰平均速度的2倍以上。


类似重装骑兵的战列线冲锋,桨帆船的结队冲锋也同样能够给对手带来巨大的心理压力。


巨大的冲角撞沉了拜占庭帝国的战舰,同时也撕开了千百年来海洋中的无形锁链。


人类在军事科技领域,对速度的追求开始更加极致,直到出现“唯快不破”的信条。



君士坦丁堡陷落之后,过了450年,桨帆船淡出了人类视野。


当年的桨帆船,为了速度,用人力取代甚至对抗风力;450年后,同样是为了速度,人类与风和解。


在公元1903年,人类掌握了御风而行的本领,开始向天空进发。


当时,飞行者1号的速度表的记录是10.98公里/小时,虽然比起450年前桨帆船的14公里/小时的速度还是慢了不少,但是能够摆脱海洋和陆地束缚的人类,前途不可限量。



两年后,1905年,莱特兄弟的改进型飞行器飞行者3号达到了60公里/小时的巡航速度,并开始被军方密切关注。


小火箭定律:迄今为止,在人类工程技术发展史上,几乎没有任何一项尖端技术能够被军方所忽略。不管这项技术的初衷到底是用于提升人类的生活质量还是仅仅用来满足人类的好奇心,最终这些家伙大多都被拿来用于增强军队的作战效能了


从此,学会飞行的人类开启了新的速度提升之旅。



5年后,在1910年7月10日,人类成功地突破了100整数大关,驾驶飞行器达到了106.5公里/小时的速度。



2年后,还是在法国,1913年,人类飞行器的速度超过了200公里/小时。



1920年,人类飞行速度超过了300公里/小时。



1931年,600公里/小时的有人驾驶飞行器的速度纪录诞生。



1947年6月19日,洛克希德公司的P-80喷气式战斗机,飞出了1003.6公里/小时的速度。




公元1947年10月14日,耶格尔驾驶贝尔X-1技术验证机在第50次试验飞行中,在13115米高空,飞出了1126公里/小时的速度,超过了当地声速,终于突破了声障(Ma 1.06)


声障:过去曾被称作”音障“,是指当飞行器的最大飞行速度接近声速时出现的严重阻碍飞行的物理现象,包括飞机升力减小、阻力剧增、动力系统效率下降、出现低头力矩和翼面抖振机翼。




在1958年5月18日,一架YF-104原型机飞出了2259.5公里/小时的速度,宣告人类飞行器进入了2马赫时代。




1966年1月12日,一架XB-70女武神战略轰炸机飞出了3250公里/小时的速度。





1976年7月28日,SR-71黑鸟高空高速侦察机以3529.6公里/小时的速度(这个速度也就是相当于用18分钟16秒从北京跑到上海),把3马赫的载人飞行推向了工程实用化的时代。


若有众生一见佛,必使净除诸业障。——《华严经》


对于飞行器来说,修得高速飞行正果之前,也要净除业障。


在由亚声速向超声速跨进的过程中,声障是一大业障。


在由刚刚超声速向3马赫跨进的过程中,又会遇到热障。


热障:当马赫数超过Ma 2.5,尤其是达到Ma 3.0时,在大气层内飞行的飞行器由于和大气的摩擦,其表面温度会急剧上升,达到300℃以上。这个温度使得飞行器常用的铝合金的结构强度大幅削弱。


早些年,人类工程师通过巧妙设计气动外形,解决了跨声速声障的问题;而热障,则是通过大量使用钛合金(SR-71)甚至是不锈钢(米格-31)来解决的。


声障,解决之道在气动;热障,解决之道在材料;那么,往更快的速度迈进,人类又将遇到怎样的难题,又该如何解决呢?


正片开启:


高超


所谓高超声速,就是达到或超过Ma 5的飞行速度。


小火箭给出以下表格:



之所以把Ma 5作为高超声速的起点,主要还是从动力系统的角度来看的。



在小火箭的《冲压发动机!不断挑战工程极限!》《勒杜克:冲压发动机狂人》冲压发动机系列专题报告中,咱们一起探讨了冲压发动机。




作为一种在该速度范围内将会发挥重要作用的发动机,其动力输出特性将会在Ma 5附近发生重要变化:


虽然飞行器整体的速度是超声速,但是通过进气道内斜激波的减速增压作用,在经过若干斜激波之后,发动机燃烧室内的火焰还是在亚声速气流中燃烧的。这种情况,在大多数超声速战斗机和很多以冲压发动机为动力的飞行器上都会出现。


但是,当飞行速度太快,比如超过Ma 5的时候,斜激波的减速作用很难再把气动控制住,此时的燃烧室内就是超声速气流了。


也就是说,燃烧室内,从亚声速燃烧跃升为超声速燃烧状态


这无异于在狂风暴雨中试图点亮一柄火把


如今,X-43A、X-51和X-37B以及“猎鹰”HTV-2等多种型号的高超声速飞行器成为了人类进行高超声速工程化突破的先锋。


这些飞行器均已经取得了一定程度的成功。但是,实际上过程还是很曲折的。高超声速飞行器从诞生伊始就给了飞行器设计师一记当头棒喝。


2001年6月2日,X-43A高超声速飞行器的第一架原型机准备进行首飞。


一开始,人们对首飞的预期还是很高的。这架X-43A高超声速飞行器由一枚“飞马座”固体火箭助推加速。


按飞行器设计和管理的角度来说,“飞马座”火箭属于成熟技术。


美国有多颗卫星就是由同款火箭发射到近地轨道上的,按理说执行在大气层内平飞的任务,应该是轻而易举的事情。但是,这一天的试验,却出了大事。


还远未到高超声速状态,仅仅是在跨声速阶段,X-43A飞行器就产生了意料之外的振动。


后来,这种振动传遍包括“飞马座”火箭在内的整个飞行器,导致火箭严重偏离设计弹道。最终,测试人员不得不启动了X-43A上面的自毁装置,以免酿成更大的事故。



X-43A是现代高超声速飞行器的代表型号,首飞失败影响深远。在工程技术人员对相关数据进行分析整理后,新的理论诞生了:


高超声速飞行器的总体与制导控制系统与其他类型的飞行器有很大区别,需要专门进行优化。


2004年3月27日,也就是在上次失败3年后,第二架X-43A原型机首飞。



在“飞马座”火箭的助推后,X-43A成功与火箭分离,并依靠自身动力飞行了11秒,达到了7马赫的速度,打破了SR-71高空侦察机创造的3.2马赫的吸气式发动机飞行器的速度纪录,甚至顺手也打破了1967年由X-15火箭动力飞行器创造的6.7马赫的速度纪录。



在光鲜的成功背后,我们深入分析发现,即使是在21世纪,在高超声速飞行器上,工程师依然不得不做出大量妥协才能满足总体设计要求。


比如,为了气动减阻,X-43A的头部尖削,充满科技感。但是,这种头部使得飞行器重心过于后移,稳定裕度大降。


于是,工程师不得不在X-43A的头部整流罩内塞入配重物。


为了能在狭小空间内有所作为,最终199.6公斤的钨块成为了X-43A头部的标配。(钨的密度是钢的2.45倍。)


在这个为了减轻飞行器的每一克重量而奋斗的时代,为了实现高超声速,我们却不得不这么干。说起来还是有些羞耻的。


另外,从试飞数据来看,之前用计算流体力学和风洞试验得来的气动系数、配平角度等参数在高超声速状态下,与实测值相差较大。


实际的飞行状态下,X-43A用了几乎为理论值1.9倍的攻角才终于实现了俯仰通道的平衡。


这说明人类工程师对高超声速状态下的空气的脾气性格还没能深入了解。


现有的已经实现工程化的高超声速飞行器中,前景较好的大多是在再入滑翔段进行高超声速飞行的,鲜有靠自身动力从跨声速阶段直奔高超声速阶段的。


究其原因,同样是总体设计的问题。






小火箭仅举一个例子。


正常情况下,即使是SR-71高速侦察机,通过优化设计,也可以实现喷气式发动机同时满足亚声速、跨声速和超声速3种状态下的高效率工作的要求。


上图为SR-71的J58发动机在Ma 0.0到Ma 3.2的速度范围内,通过调节不同的进气、排气状态来满足不同来流速度条件的发动机工作效率的设计草案。



但是,高超声速飞行器的机身与发动机喷口高度耦合。在现有技术条件下,工程师还只能照顾高超声速状态,而牺牲跨声速状态下的发动机效率。


因内流场不满足跨声速阶段的工作环境要求,目前几乎所有的高超声速吸气式发动机的效率在跨声速阶段都会降低30%左右。



而有些总体设计方案中,高超声速飞行器甚至无法借助自己的力量完成跨声速阶段的飞行,而不得已只能依赖组合冲压、携带助推器等方法。


不过,冲压发动机,这种高超声速时代的动力来源,得到了长足发展。



桨帆船或者其他快速战舰,在中世纪有一个大杀器,那就是位于船头吃水线附近的巨大冲角。


冲角,英文名为Ram。在公元1453年,奥斯曼帝国征服拜占庭帝国的史诗级的战役中,奥斯曼桨帆船手那齐心协力的嘶吼赋予了冲角强大的杀伤力。


如今,Ram-jet则是冲压发动机的专属名词了。跨越了数百年,曾经用于撕开战舰的冲角如今成为了冲破速度障碍的利器。



人类对速度的追求,古已有之,今复加倍。



X-51乘波体技术验证机,是目前可公开的,人类工程技术层面最成熟的高超声速飞行器。


该飞行器总共造了4架,进行了4次飞行试验。



2010年5月26日,X-51A挂载在一架由B-52战略轰炸机改装而成的载机翼下,进入高空。


随后,固体火箭助推器点火,将X-51A加速到Ma 4.8的速度。


然后,固体助推器成功分离,X-51A的冲压发动机成功点火,将其加速到Ma 5.1,成功在2.1万米高空进入了高超声速飞行状态。



2011年6月13日,X-51A的第2次飞行试验启动。但是因发动机进气道没能达到良好工作状态而失败。


2012年8月14日,X-51A的第3次飞行试验开始。因部分气动舵面锁死,飞行器失控,坠入大洋。


2013年5月1日,X-51A迎来最关键的一次飞行试验:就剩1架了,成了,项目继续;失败,项目终结。


B-52H将最后一架X-51A送入高空,随后释放。


固体火箭发动机将X-51A加速到Ma 4.8的速度。


然后,X-51A的超燃冲压发动机启动。


一开始,燃烧并不稳定。但是,突然发动机开始转入非常理想的工作状态,并持续温度燃烧了210秒!


最终,X-51A的燃料耗尽,坠入太平洋。



这次试验取得了大成功。所有370秒飞行的遥测数据,全部收集到。而210秒的高超声速飞行时间,更是超过了之前的飞行器的高超声速飞行积累时间的总和!


至此,冲压发动机技术的成熟度得到了提升,从概念技术一步跃升为先进可行性技术。


上图为X-51A的研发测试团队在最后1架X-51A升空之前的大合影。


小火箭注:注意上图恰恰包含了人类掌握的三种进气道技术,从左至右:B-52战略轰炸机机身上的嵌入式NACA进气道技术(在跑车上仍有大量应用),X-51A的高超声速超燃冲压发动机进气道技术,B-52战略轰炸机机翼吊载的喷气式发动机的亚声速喷气式发动机进气道技术。


不久,美军就发布了新版本的”1小时打击全球“的战略。



NACA嵌入式进气道是什么?就是上图法拉利F40上面的那个。有机会小火箭一定专门开一个专题好好分析该进气道的历史和现在。



所谓全球打击计划,就是在突然爆发战争的时候,军方可以在1小时以内,用常规力量或者核力量精确打击全球任何一个角落。


这种快速反应能力,基于三种武器平台:


一是目前已有的陆基和海基洲际弹道导弹系统;


二是正在开发的高超声速飞行器;


三是太空天基对地打击平台。


可以说,X-51A的成功让超燃冲压技术和高超声速飞行器的武器化进程得以加速。



预算


在《小火箭聊美国最新军费预算与武器装备》中,我们对美军最新的军费预算有了比较整体的了解。


而高超声速飞行器更是占据了先进技术研发专项经费的很大份额。


2020财年的军费预算案强调了4项新兴技术,包括:


37亿美元

无人与自主技术:增强在有争议的环境中进行机动和杀伤的能力。


26亿美元

高超声速技术:突破对方的现代侦察和防御系统的新手段。


9.27亿美元

人工智能技术:用机器学习来融合人工智能和高级图像识别技术。


2.5亿美元

定向能技术:用于防御和进攻的大功率激光器


考虑到无人技术是由无人机、无人驾驶地面车辆和无人舰艇等海陆空多军分享的技术,那么高超声速飞行器则成为了2020财年最大的单笔专项经费了。



在最新的2020财年,美国军方对高超声速飞行器的研制专项经费达到了26亿美元


相较于2019财年的13.4亿美元,涨幅达94%


另外,在2020~2024财年,还有一个105亿美元的远期预算来专门扶持高超声速飞行器的研制。


在2009年2017年的8年时间里,高超声速技术在每年3亿美元到5亿美元之间的专项经费的支持下,已经有了快速的发展。


超燃冲压发动机的理论就是在这段时间里得到发展和最终工程化的。


而如今,美国显然是意识到了来自其他军事强国的技术挑战的巨大压力,开始以每年近乎翻倍的速度来加大投入,试图在高超声速领域与其他国家形成新的代差。


飞行


我们知道,当飞行器飞到Ma 2.5以上的时候,气动加热的效应就比较明显了。


而高超声速飞行器的飞行速度超过Ma 5.0,气动加热效应就更加突出。


因此,需要专门的气动计算或者试验方法来进行验证。


气动计算在高超声速领域是比较热门的。


当然,直接使用别人的计算结果并不是小火箭的风格,我觉得还是自己算一下比较靠谱。而且目前能够拿到的美国和苏联相关飞行器的温度场图像没有结合流场的流线展示,不是很直观。


小火箭用用小火箭计算中心计算了7天(算上前后处理,断断续续用了2个月的时间),终于得出了结果。现在在这里分享给所有小火箭好友,希望大家能够喜欢:




上图和上上图是小火箭计算的某型高超声速飞行器再入大气时的流场情况。我的结果是:机头和机翼前缘的最高温度为1655℃



现代防热技术正在努力让传说中的伊卡洛斯的悲剧不再重演,但是飞行器再入大气和高超声速飞行器在飞行过程中的热流是获取高度和速度所必须付出的代价。


不过,目前人类对高超声速状态下的空气的特性还没有形成透彻的了解,建模难免会与大自然的实际情况出现偏差,于是,地面风洞试验就出现了。


上图为某型飞船防热系统地面试验的场景。


上图为X-43A高超声速飞行器的一个1:1全尺寸模型在美国兰利国家空气动力学中心进行地面风洞试验的场景(肚皮朝上)。


另外,冲压发动机也能够在地面的风洞中进行点火测试。

上图为X-51A的超燃冲压发动机在兰利国家空气动力学中心的Ma 5.0高超声速气流中成功实现了点火的场景。


但是,高超声速飞行器是一类代表了人类工程技术水平的飞行器,其总体设计、材料、工艺、动力、结构、导航制导控制等是高度耦合的。


在地面试验中,冲压发动机能够成功点火并实现持续工作,并不能保证未来在实际飞行中不会出问题。


冲压发动机对进气口流场有着非常严苛的要求。高超声速飞行器的攻角和侧滑角往往会受到发动机工作状态的严格约束。


所以,固定在地面上,是很难真正积累飞行的高超声速飞行器的工程经验的。


也就是说,我们不仅要有地面的风洞,还要有可飞行的空中风洞


整个高超声速飞行器的研制和试验过程,应该分为:


计算机模拟、地面风洞试验、空中自由飞行试验


三个阶段。


这些阶段缺一不可,而且往往要并行和迭代进行。


苏联在研制高超声速飞行器的时候,也经历过这些阶段。


在联合了茹科夫斯基中央空气流体动力研究院、巴拉诺夫中央发动机研究院、图拉耶夫联盟设计局、彩虹设计局等单位后,苏联建成了图拉耶沃大型高空高速航空发动机试验基地。


通过大量理论计算,苏联初步掌握了研制高超声速飞行器的一个法门,那就是:


单纯依靠理论计算,是搞不出高超声速飞行器的


于是,在茹科夫斯基空气动力学中心,苏联建成了拥有转速高达17000转/分钟的超级压气机的风洞。


随后,他们又发现了同样的问题:


高超声速飞行器的动力系统和制导控制系统是高度耦合的。光在地面点火也还是不够的。


研究高超声速飞行器的最好方式,就是让她到天上飞几圈看看




苏联的高超声速飞行器研制团队找遍苏联飞行器库,最终锁定了这么一款科研设备:萨姆-5远程地对空导弹。


这款导弹以4台固体火箭助推器启动,4秒后,助推器脱离,然后液体火箭发动机会将导弹加速到Ma 4以上的速度。


强大的动力系统赋予萨姆-5远程防空导弹4万米的射高和300公里的射程!当然,该导弹的设计师明显对当时的半主动雷达导引头的制导精度信心不足,所以干脆就放置了一个重217公斤的弹头!



这是什么概念?答:萨姆-5防空导弹的弹头重量差不多是萨姆-6防空导弹弹头重量的4倍。



Ma 4.0以上的飞行速度和217公斤重的弹头,让1967年就入役的萨姆-5防空导弹即使是在今天也有着足够的作战能力。


2018年2月10日,叙利亚防空部队就是用这样一款有着50多年光荣在役历史的爷爷辈儿防空导弹把一架最新版本的以色列F-16I战斗机击落了。


没错,萨姆-5远程防空导弹就是秉承 大力出奇迹 的理念而设计的武器。



当年苏联的高超声速飞行器研制团队正是看中了萨姆-5地对空导弹的蛮力。


他们采购了一批萨姆-5导弹,并将其列入国家科研设备采购清单。


然后,研制人员拆除了导弹的战斗部,将一台超燃冲压验证发动机安置在导弹顶端。


1991年11月27日,第一次试验启动。萨姆-5导弹强有力的冲压发动机将验证发动机托举到35000米的高空后,超燃冲压发动机点火,在绵延180公里的平直弹道的末端,超燃验证发动机燃烧了27.5秒,其中在5马赫以上的速度范围内工作了5秒,使飞行器的最大速度达到了5.6马赫。


这是世界上首台在实际飞行中达到超燃状态的冲压发动机


1992年和1995年,该团队与法国合作又进行了两次验证飞行,最大速度达到了5.8马赫。



俄罗斯的超燃发动机飞行试验刺激了美国人,促使他们加快了超燃冲压发动机的研究,并提出了与俄罗斯进行合作的倡议。


1997年,两国交换研究资料后,开始正式进行超燃冲压发动机的合作研究。


合作团队沿用俄罗斯团队的试验场地(位于哈萨克斯坦拜科努尔航天中心附近)和验证发动机,依托美国航空航天局(NASA)兰利国家空气动力学研究中心的风洞设备和工程师团队对验证发动机和萨姆-5导弹进行升级改造。


兰利研究中心重新设计了验证发动机的燃烧室和进气道前缘,用更易导热的铜合金替代了原有的镍合金。萨姆-5导弹的弹体被重新优化,阻力下降了6%,总质量减少了124公斤。


1998年2月12日午后,拜科努尔航天中心的阳光与冷风见证了超燃验证发动机终极改良版的发射。发动机不负众望,达到了6.5马赫的速度(这是验证飞行器能够承受的最大速度)



小火箭风格:


萨姆-5远程防空导弹能够在那个年代(1967年)实现Ma 4.0以上的速度,与其液体火箭发动机的高性能有关。按常规有毒推进剂来计算,我发现7.1吨的发射质量,很难把217公斤的弹头推到4万米高空而且具备那样高的速度。


几经周折,我获得了萨姆-5远程防空导弹的液体燃料配方,才豁然开朗:原来不是用的普通燃料。


萨姆-5远程防空导弹的液体火箭发动机使用一种名为AK-27P的氧化剂和一种名为赛门的燃料。


其中,AK-27P是一种复杂的基于发烟硝酸的超级氧化剂。具体成分为:


发烟硝酸 +  氢氟酸 + 磷酸


赛门燃料的配方比较难获得,不过最终还是有了答案:


50%的二甲苯胺 + 50%的三乙胺!


嗯,如果各位小火箭好友能够有机会打开萨姆-5导弹的液体燃料箱闻一下的话,会是浓烈的鱼腥和进攻性很强的山楂味道的混合感觉。


当然,这燃料配比,燃烧产物还是非常非常刺激的,一定会给人留下深刻的印象 。


追溯高超声速飞行器的缘起,我们可以发现桑格尔博士和钱学森博士如同两颗恒星,熠熠生辉。



在第二次世界大战后期,德国对美国的参战和欧洲第二战场的开辟感到压力山大。但是,苦于没有能够将炸弹投送到美国的载具,难以对美国本土构成威胁。(V-2导弹的最大有效射程仅为320公里。)



实际上,在V-2导弹诞生之前,桑格尔博士就提出了一个大胆的构想,并且几乎就快完成原理样机的制造了。



桑格尔博士设计的飞行器长这个样子。



而桑格尔博士提出的弹道则更是充满了黑科技的味道:不是V-1导弹那样的巡航导弹弹道,也不是V-2导弹那样的弹道导弹式的弹道,而是后来被人们说成是“打水漂”式的弹道。


飞行器在稠密大气边界上下漂移,利用稠密大气与稀薄大气的密度的不同而带来的不同大小的动压,在多次弹跳中实现超远距离的飞行。上图取自桑格尔博士的原稿。



这是小火箭将桑格尔博士的弹道用蓝笔描粗的样子。



按照桑格尔博士设计的跳跃式弹道,从德国发射的飞行器以跳跃滑翔的方式,完全能够飞到美国,甚至能够远及南美洲。


这是桑格尔博士设计的飞行器用于风洞试验的模型。



可惜该计划为了给V-1导弹和V-2导弹让路,给硬生生地被取消了。



不过,桑格尔博士其实还是应该高兴的。在他研究跳跃式弹道的时候,身边一直有一位漂亮的女博士陪伴。她就是比桑格尔小6岁的艾琳博士。


她对力学和电磁学都有深厚的造诣,对人类的冲压发动机技术有突出贡献,同时是少有的获得过奥伯特金质奖章的女性。


二战后,桑格尔夫妇继续进行物理学研究。图为桑格尔夫妇与阿瑟·克拉克一起讨论。


当时为美国空军中校的钱学森博士提出了“钱学森弹道”,也就是助推-滑翔式弹道。

上图是当年他向大家讲解如何用这种弹道从纽约飞到巴黎时的场景。


钱学森与桑格尔的弹道都有助于高超声速飞行器进行超远距离飞行。两种弹道的差别见小火箭画的上图。


钱学森弹道以助推-滑翔为特点,强调滑翔段的稳定和优化,而桑格尔弹道则强调多次跳跃。


在所有的高超声速军用项目中,有三个值得特别关注:


一个是美军AHW助推滑翔高超声速飞行器;


另一个是猎鹰HTV系列高超声速飞行器;


第三个是SR-72下一代飞行器。


AHW助推滑翔高超声速飞行器实现了钱学森弹道的工程化应用。



公元2011年11月18日,夏威夷当地时间凌晨1点30分,在夏威夷考艾岛,掩映在沙滩与群山之间的密林中,美国空军的某军事基地,一枚固体火箭成功点火


这是由一枚北极星二级潜射弹道导弹加上高超声速助推滑翔第三级组成的试验飞行器。


该试验成功验证了钱学森弹道(助推-滑翔弹道)的可行性,对新型气动外形、新型导航制导控制算法和现代防热系统进行了综合考验。


位于美国亨茨维尔的导弹防御中心办公室和位于阿拉斯加的远程预警雷达也参与了此次试验。


AHW高超声速飞行器飞出了一个漂亮的低伸弹道,全程弹道高度控制在卡门线(100公里)以下,因此躲过了远程预警雷达的侦测。




在高超声速滑翔过程中,制导系统工作良好,起飞30分钟后,弹头精确命中了距离发射场3700公里的夸贾林环礁里根靶场的预定目标。


这是人类首次将钱学森弹道付诸实践,完成了高超声速飞行器的精确打击试验。


2014年8月25日,AHW进行了第二次试验,发射地点在阿拉斯加科迪亚克太平洋航天中心。


具体坐标为:


北纬 57° 26′ 9″ N; 西经 152° 20′ 16″ W


不过这一次,火箭升空仅4秒就失控自毁了。



HTV-2猎鹰项目则更为激进,终极目标是实现以Ma 17+,也就是2.1万公里+/小时的速度,实现全球快速到达和快速打击。


上图为一枚美国空军采购的诺斯洛普·格鲁曼公司的米诺陶IV运载火箭发射HTV-2高超声速飞行器的场景。摄于2011年8月11日。



迄今为止,HTV-2共进行了2次飞行试验。



HTV-2的首飞,发生在2010年4月22日。


那一天,太平洋出奇地平静。一枚米诺陶IV运载火箭从加利福尼亚州范登堡空军基地腾空而起。随后,整流罩打开,HTV-2高超声速被释放出来。


完成调姿操作后,HTV-2压低弹道,进入滑翔状态。



原计划,这次飞行,HTV-2要以Ma 20的极快速度滑翔7700公里,然后坠入夸贾林环礁附近海域(和当年的和平卫士洲际弹道导弹的10枚分导子弹头的目标一致)



不过,9分钟后,HTV-2飞行器的表面就被高温和大动压撕扯开了。只好提前终止试验,让HTV-2飞行器坠入太平洋。


1年多后,在2011年8月11日,HTV-2的第2次试验,同时也是该型号的最后一次试验,开始进行。


同样,在第9分钟,飞行器因为高温,提前终止试验。



HTV-2不再有第3次试验了。


因为该拿到的气动数据和热流数据都已经拿到了,而且足够用了。

上图为HTV-2高超声速飞行器的调姿发动机正在努力减小飞行器的攻角,以便压低弹道。



整个猎鹰项目已全面升级,从单纯追求高速度,到开始追求高可靠性和可重复使用。


该项目已交给洛克希德·马丁公司,以商业化的方式运营了。 





SR-72是代替SR-71的下一代无人高超声速飞行器,由洛克希德·马丁公司联合洛克达因共同开发。


该机能够拥有以Ma 6的速度飞行的能力(是SR-71速度的2倍)



TBCC发动机技术将在该机上得到验证:也就是较为传统喷气式发动机和现代的超燃冲压发动机共用进气道和喷口(外观上),但是使用不同的内流通道,在不同的来流速度下,使用不同类型的发动机,形成组合动力。


在低速飞行过程中,盖板1开启,盖板2闭合,喷口扰流板5收起,由传统喷气式发动机3产生推力;到高速飞行阶段,盖板2开启,喷口扰流板5打开,超燃冲压发动机4启动,接力工作。



双发、单垂尾、高超、TBCC,SR-72目前能确定的指标还较少,小火箭持续跟踪中。


早些年(1993年),俄罗斯也有一个类似的基于超燃冲压发动机的高超声速飞行器的计划。



在高超声速飞行器的自由飞行试验领域,印度也比较努力。


2016年8月28日,印度用一枚固体火箭将高超声速验证飞行器送入高空。随后,该飞行器的超燃冲压发动机点火成功,液氢燃料成功利用了大气中的氧气,将飞行器加速到Ma 6.0。


继苏联/俄罗斯、美国、某个国家之后,印度成为了第4个独立掌握了以超燃冲压发动机驱动飞行器做高超声速飞行的技术的国家。


商业


如今,工程师们再次面临着类似当年突破声障时的挑战,但是当年的大无畏精神应该同样能够在今天帮助我们勇敢地向高超声速领域迈进。


小火箭认为,对于工程师来说,用技术来为全人类造福才是最终的目的。因此,在军事领域有所突破的高超声速技术如果能够商业化,用在跨越洲际的航班上或者亚轨道太空旅游上就好了。





2003年10月24日,协和超声速客机退役。


这款能以Ma 2.04的速度跨越大西洋飞行的客机的退役,标志着人类的民航业进入了更加注重成本与收益的庸俗时代。


小火箭期待过去的人类探索精神能够在高超声速时代回归!


洛克希德·马丁公司的下一代客机方案


波音公司的下一代客机方案。


更高的飞行效率,更低的超声速噪声,是未来的商业化飞行器的追求目标。


上上图是洛克希德·马丁公司的下一代客机方案;上图是波音公司的下一代客机方案。


但是,这样的飞行器还是太慢了。


车马满,一生只够爱一人的生活,固然浪漫。但是,只有高超声速飞行器,才能让我们更快地飞到我们所挚爱的那个人身边。







祝愿人类的高超声速飞行器和亚轨道飞行器能够早日实现商用载人飞行。


X-20和X-30飞行器的概念,或许已经随着时光的流逝而沉入历史的尘埃,但是这些,我相信所有小火箭好友仍在记着,仍在盼望设想的早日成真。



祝愿高超声速飞行器的动力、防热和制导控制技术能够发展得越来越好。


祝愿人类早日完善基于理论计算、计算机仿真模拟和自由飞试验三阶段相结合的高超声速飞行器研制体系。


祝愿我们能够有更多更好的商业化亚轨道固体火箭和中型液体火箭来支持有关高超声速飞行器的基础科学研究和工程化实践!


全文结束,感谢大家!


本文来自微信公众号:小火箭(ID:xiaohuojian),作者: 邢强博士

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