伴随着生产力逐步解放,人类对交通速度的追求也没有一刻停止过,高速铁路运营时速已达350公里/时,曾经的协和式客机更是突破了音速,然而我们并没有满足。那么,除了陆地、海洋、天空之外还有没有可以利用的交通空间?
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协和式超音速客机
当然有,海拔100公里是国际公认太空与地球大气层之间的分界线(卡门线),只要冲出卡门线进入太空空间,飞行器就犹如鱼入大海,轻轻松松可以实现20马赫以上的极速飞行。
运载火箭时至今日仍然是人类进入太空的主要工具,即便是曾经盛极一时的航天飞机依然摆脱不了火箭的影子。
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阿丽亚娜-5运载火箭
运载火箭由于动力燃料完全自给,需要携带大量氧化剂,体积重量往往十分庞大。运输效率相比传统航空器也要低得多,目前世界主流火箭近地轨道运力大多在10至20吨左右,同时造价高昂,难以满足平民化交通需求。
什么时候进入太空可以像民航客机一样便捷?早在70年前我国航天之父钱学森就率先提出火箭客机概念,它可以像飞机一样在跑道滑跑起飞,到达一定空域高度后释放入轨飞行器进入太空空间飞行,如此一来从美国到欧洲的跨大西洋航线就只需不到半小时。
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航天飞机依然摆脱不了火箭的影子
后来的航天飞机也是脱胎于此方案,然而现实却是人类迄今为止尚没有实现钱老的火箭客机梦想。
为圆梦火箭客机梦想我国航天人已经在路上,近日航天科技集团空气动力技术研究院圆满完成了两级入轨空天飞行器风洞自由分离试验,为两级入轨空天飞机研制开辟了新通路。
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我国两级入轨空天飞机风洞分离测试
钱老火箭客机方案用如今概念来看,就是两级入轨空天飞机,这是一种融合航空与航天两大空间飞行技术的全新飞行器,它与航天飞机相比,最大不同之处在于不需要由火箭垂直发射升空,而是使用涡扇发动机提供动力水平起飞。
历经70年时间人类也没能造出空天飞机,为什么如此艰难?传统航空飞行器一般都在3万米以下空域飞行,距离100公里卡门线还有足足7万米高度差,这一空域大气稀薄传统航空发动机难以正常工作,气动条件也发生了很大变化,科学家将该空域定义为“临近空间”,空天飞机研制的最大难关就是如何穿越临近空间。
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临近空间
两级入轨空天飞机在3万米以下空域使用涡扇发动机飞行,3万米以上空域启动超燃冲压发动机,接近100公里卡门分界线时使用火箭动力进入太空空间。
此次完成的两级入轨空天飞行器风洞自由分离试验,就是为了验证高超音速条件下两级飞行器分离的气动设计可靠性。事实上这也并非空气动力技术研究院第一次攻克空天飞机关键技术,早在去年该院就曾在新研制的FD-21高能脉冲风洞中完成了1万公里每小时量级氢氧燃烧推进试验。
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FD-21高能脉冲风洞氢氧燃烧试验
空天飞机研制难度要比航天飞机大得多,需要配置的科研生产单位相比传统项目也要多得多,我国选择的是两大航天集团(航天科技与航天科工)联合研制路线,目前已经公开的型号就是航天科工集团大名鼎鼎的腾云空天飞机工程。
从空气动力技术研究院公开试验画面可知,一级飞行器气动外形有了明显变化,它采用双三角翼高升力体、大升力面、双倾斜垂尾布局。
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国产两级入轨空天飞机气动布局
相比以往公开造型最大不同之处在于主翼翼尖有大角度向下倾斜布置,此举目的在于增强飞行方向稳定性,制造压缩升力,缩减双外倾垂尾面积,利于二级轨道飞行器在临近空间高超音速条件下的分离操作,历史上XB-70女武神轰炸机也有翼尖向下倾斜布局。
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XB-70轰炸机主翼翼尖也有向下倾斜布置
临近空间飞行器实际上大家并不陌生,本月初刚刚亮相不久的DF-17乘波体导弹就是一款典型的临近空间飞行器,其飞行全程70%以上的航路都在临近空间,所以该弹战斗部采用了升力系数更高的乘波体布局,就像是一架小型无人飞机。
没有压力就没有动力,压力越大往往可以激发潜能。21世纪初期为了应对大型载机水面舰艇挑战,我们攻坚克难集中了大量人力财力资源,相继研制出DF-21D、DF-26、DF-17、星空-2号等助推-滑翔高超音速导弹,系列型号突破也极大程度助力了国产空天飞机研制工作,可算是意外之喜。
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DF-17
两级入轨空天飞机研制难点多集中于一级飞行器,因为它需要攻克涡扇/超燃冲压一体式发动机,要实现两种发动机工作状态的有序转换,还需要攻克临近空间气动布局及相关分离技术,值得庆贺的是目前腾云空天飞机工程已经实现腾飞一号动力模态转换试飞。
二级入轨飞行器则相对容易,早在8年前我们就已经完成跨大气层飞行器试飞工作。该级飞行器研制难点主要是材料,因为它需要连续两次甚至多次穿越大气层,会产生上千摄氏度的高温烧蚀,通过观察多款带翼东风快递战斗部可知,这对于我们来说早已不再是难题。
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两级入轨空天飞机一级飞行器
大力推进空天飞机研制工作也是航天之父钱学森的毕生追求之一,执行此次两级入轨飞行器分离试验的空气动力技术研究院就是在钱老亲自指挥下创立,他也曾多次建言年轻一代航天人一定要重视空天飞机研制工作。
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腾云空天飞机工程子系统攻关
空天飞机有着极为重大的军民两用价值,作为地球货运工具,它可以凭借23马赫速度(时速2.8万公里)成为1小时级环球到达的快速运输平台,也可作为快速进入空间的高效飞行器,实现卫星载荷的高效便捷发射。服务国防任务时,它更是天基对抗的撒手锏。