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5月30日,美國SpaceX公司成功發射了載人的“龍”飛船。在航天飛機停飛9年後,美國終於再次擁有了載人空間發射的能力。這不僅圓了馬斯克的夢,也給身陷困境的特朗普解了5分鐘的套。
但是在太平洋的另一端,中國科學院力學研究所悄悄地發表了一條消息,範學軍團隊在超燃沖壓發動機地面試驗中實現了連續600秒的運行時間,打破了美國X-51研究機210秒的世界記錄。2016年,印度宣布實現了超燃沖壓推動的M6高超音速飛行,但發動機只工作了5秒鐘。不久前,科技部公佈的第二屆全國創新爭先獎名單裡,北航的高超音速強預冷團隊獲獎,也引起了人們的極大關注。這兩樣突破性技術的意義非同小可。

2013年,美國X-51A“乘波者”創造了以M5的速度連續工作210秒的世界紀錄
高超音速是航空航天科技的最前沿。這也是介於大氣層內的航空和大氣層外的航天之間的灰色但多彩的區域。大氣層內的航空科技難以突破M3的熱障,大氣層外的航天科技難以解決高機動飛行問題,介於兩者之間的高超音速飛行不僅可以M5-20的超高速飛行,還具有可觀的機動能力。
在2019年國慶70週年大慶的時候,中國高調展示了東風17高超音速導彈,這代表了當前高超音速的最高水平,但這還是高超音速滑翔彈(簡稱HGV)。換句話說,導彈用火箭發動機推進到近地高度後,改變姿態,轉入高超音速滑翔。
與彈道導彈相比,HGV的飛行高度低,由於地球曲率的緣故,地面雷達的探測距離遠遠低於彈道導彈,預警機的巡航高度也不能根本解決問題。在軌道上的天基探測在理論上沒有視界局限,但傳統導彈預警是根據導彈發射時的巨大尾焰和初始軌跡來推斷彈道的,HGV在發射時依然有尾焰問題,但轉入滑翔後,可以通過機動能力完全擺脫簡單彈道,使得導彈的航跡無法預測。
在探測到發射後立刻用星載雷達全程跟蹤在理論上是可能的,但中軌道衛星跟蹤需要巨大的星載雷達,低軌道衛星則需要密集星群和“動對動”無間隙接力跟蹤。紅外光電跟蹤不僅有類似的光學孔徑問題,還要面對複雜的地球表面熱環境中檢測微弱的HGV熱特徵的問題。在可預見的將來,天基探測還有難以克服的技術困難。沒有有效的跟蹤,就談不上有效的攔截,所以HGV的突防能力比速度更快但彈道呆板的彈道導彈更高。

彈道導彈(RV)與高超音速滑翔導彈(HGV)的探測距離比較
正因為如此,HGV成為各國軍事科研的重點。中國不僅有東風17,還有東風26,也具有高超音速滑翔的能力。俄羅斯的“先鋒”是洲際HGV,達到M27的極高速。美國落後了,在一大堆令人眼花繚亂的快車道研發計劃之後,現在總算開始有點頭緒了。但HGV的射程取決於助推段達到的高度或者大氣層內的改平加速,前者增加了扎猛子返回到水平起滑的平滑過渡的難度,後者是把本質彈道的助推段強擰變軌了,損失能量。比HGV更高層次的是高超音速巡航導彈。
巡航導彈是一個容易引起歧義的稱呼,這其實是對所有在射程內絕大部分距離上都是有動力飛行的導彈的總稱,掠地飛行的高亞音速巡航導彈只是巡航導彈的一種。大部分戰術導彈不稱為巡航導彈是因為火箭發動機只工作很短時間,射程內主要部分都在滑翔飛行。這不僅對彈道導彈如此,空空導彈、空地導彈甚至反坦克導彈也如此。常見導彈中只有反艦導彈、陸攻巡航導彈是全程有動力飛行的。高超音速導彈採用超燃沖壓發動機後,也是全程有動力飛行,所以稱為高超音速巡航導彈(簡稱HCM)。
與HGV相比,HCM的射程更大,彈道更難探測。HGV的能量全部來自於助推級的火箭發動機。自帶氧化劑的火箭發動機在重量上比可以從空氣中吸取氧氣的噴氣發動機總是吃虧的。以煤油-液氧火箭為例,理想燃燒的空燃比為15:1。也就是說,每一公斤航空煤油需要15公斤氧氣才能完全燃燒。用液氧可以節約體積,但重量還是一樣的。如果氧氣可以來自空氣,在理論上,這15公斤的液氧重量就全部可以轉用於煤油,射程的增加不言而喻。
噴氣發動機更長的工作時間也意味著可以有更長的加速時間,可以用較低的初始能量達到同樣的最高速度,並在最高速度上維持更長的時間。噴氣發動機更大的能量也意味著容許更大的機動性,因為機動是要消耗能量的。與HGV只能做相對簡單的橫向機動不同,HCM可以做更加複雜的機動,甚至迂迴攻擊。
HCM的助推器只要加速到超燃沖壓的點火速度就可以了,因此對助推器的要求大大降低,有助於降低助推器的體積和重量。較小的助推器意味著較小的發射時熱特徵,而超燃沖壓本身的熱特徵遠遠小於火箭發動機,這意味著HCM實際上不可能由天基探測捕獲,進一步提高抗早期預警的能力。高超音速導彈本來就攔截困難,無預警攔截就幾乎不可能了。如果說HGV還有可能知道大禍即將臨頭,HCM就是死都不知​​道怎麼死的了。

與彈道導彈相比, HGV的彈道要飄忽得多


但HCM的彈道更加低平,更難探測,也可達到更高的射程和機動性
HCM是終極高超音速武器。美國曾經想一步到位,直接發展HCM,但卡在動力問題上。X-51雖然達到210秒,但這是高度優化的實驗條件,而且工作時間太短,離實用化還有巨大的距離。在美國“先放一放”的時候,中國悄悄趕上來了,而且一下子在兩個關鍵技術上取得突破。
在各種已知的航空動力中,火箭發動機的工作時間太短,常規渦輪類噴氣發動機難以突破M2.5以上的速度,常規的亞燃沖壓也很難突破M4,因為阻力的增加已經快於推力的增加了。只有超燃沖壓能用於HCM。這也是沖壓發動機,屬於噴氣發動機,但沒有常規渦輪類噴氣發動機的渦輪機械。超燃沖壓在外觀上就是一截空心筒子,但這空心筒子大有講究。
與亞燃沖壓相比,超燃沖壓的進氣壓縮、燃燒和形成推力都是在超音速條件下進行的。與亞燃沖壓需要把進氣降低到亞音速、然後把燃氣加速到超音速相比,大大降低了阻力。但在超音速條件下,不僅燃燒難以穩定,還有高溫問題,很容易超過結構材料的耐溫極限。範學軍團隊的主要貢獻在於熱端部件主動冷卻技術。
以燃燒為原動力的發動機通常都有某種冷卻。汽車發動機基本上採用液冷,循環的冷卻液從發動機帶走熱量,然後把熱量通過散熱器向空氣中散發;噴氣發動機主要依靠空氣流動和燃氣噴出帶走熱量。但主動冷卻在發動機熱端部件(對超燃沖壓來說,就是燃燒室和噴嘴)表面下遍布毛細管,通入碳氫燃料,在流動中帶走熱量,降低表面溫度。碳氫燃料吸熱升溫後,實際溫度超過點燃溫度,但由於無氧環境而只是升溫,並不燃燒。但碳氫燃料注入燃燒室的時候,一方面自然地降壓氣化,另一方面與進氣中的氧混合併自然燃燒,比通常的點燃更加高效可靠。
碳氫燃料是燃油的高級形式,進一步的話可容易地轉變為液氫,吸熱和燃燒效率更高。但液氫的製備和儲存比碳氫燃料要復雜,常溫常壓下的穩定性也不如碳氫燃料。範學軍團隊用的是成本更低、穩定性更好的碳氫燃料。
主動冷卻的道理不復雜,優點也明顯,但惡魔就在細節之中。碳氫燃料在毛細管裡的流動需要考慮淤塞問題。毛細管的分佈更是有大講究,過於細密沒有必要,過於粗疏則達不到目的。更大的問題是,在流動網絡裡,優勢流動(preferential flow)使得流動的分佈偏離預想的均勻,一束看起來差不多的管路里,路徑“順”的流量可能高於需求,路徑“不順”的則可能流量不足,必須通過精細的管徑、彎頭設計來平衡流量分佈,確保均勻吸熱。路徑之間中途互聯可以在部分路徑淤塞的時候,用繞流彌補,但使得優勢流動的問題進一步複雜化。毛細管內的流動還需要避免流體加熱氣化後導致氣阻的問題。
範學軍團隊不僅解決了大量理論和設計問題,還在懷柔建造了大型測試裝置,解決了工程問題,使得研究成果達到很高的技術成熟程度。
根據力學所的介紹,範學軍在普林斯頓獲得博士後,成為力學所研究員、博導,擔任某部委運載技術專業組專家、國家重大專項燃料組專家與某重大專題技術首席。他在國內率先開展主動冷卻發動機技術研究,在力學所懷柔基地建成首套主動冷卻技術綜合試驗平台,技術上處於國際領先水平。他領導研製成功了我國首台主動冷卻燃燒室並通過長時間試驗考核。近年來,共發表國內外雜誌論文50多篇、會議論文與國防技術報告100多篇,發明專利申請30多項、已授權近20項。2006年,榮獲國防科技二等獎;領導的技術研究團隊榮獲了國家重大專項2011年度優秀研究團隊獎,個人獲得2013年度先進個人二等獎;同時獲得首屆“沖壓發動機及其組合循環發動機科學研究興舟獎”;2016年獲得國務院“政府特殊津貼”;2017年被聘為中科院特聘研究員。但這不是中國高超音速科研大軍裡唯一的尖子隊,北航的高超音速強預冷團隊是另一個。
主動冷卻技術提高發動機熱端部件的耐熱能力,進氣強預冷可以進一步提高。不久前,英國的SABRE發動機實現了強預冷,可在0.01秒內將1000度的進氣冷卻到零下150度。這是很了不起的成就。北航團隊的具體技術和應用沒有公佈,但也是同樣性質的。
強預冷不僅大幅度提高發動機熱端部件的耐高溫極限,還急劇縮小了進氣體積,提高了進氣密度。這使得在同樣的進氣口體積流量下,壓氣機的體積流量大幅度降低;或者在同樣的壓氣機體積流量下,大幅度提高氣流中的氧含量。前者可以等效為提高了進氣口流速的上限,使得同樣的發動機技術可以在更高的速度下工作;後者對空氣稀薄的極高空特別重要,可以使得噴氣發動機可以在更高的高空穩定工作,降低空氣摩擦阻力,否則就需要使用重量大、成本高、工作時間短的火箭發動機了。SABRE正是這樣的。

SABRE的工作原理,像層層盤起來的蚊香一樣的預冷器是關鍵技術。橙色=冷卻劑的流動方向,紅色=空氣進氣方向,藍色=空氣出氣方向

SABRE熱力學循環簡圖,藍色=空氣路線,紫色= 氫路線,綠色=氦迴路,紅色=燃氣路線
SABRE的全稱是Synergetic Air Breathing Rocket Engine,大意為伴生吸氣火箭發動機。這是一種用於水平起飛、單級入軌航天飛機的新概念混合動力發動機,用強預冷使得從空氣中吸取氧的工作狀態可以一直維持到M5和超高空,然後轉入火箭動力,進入空間飛行。
具體來說,進氣在預冷器(PC)裡強預冷後,通過壓氣機(AC)達到高壓,一部分進入燃燒室(CC),與預燃後熾熱的貧氧富氫燃氣混合燃燒,通過噴嘴(Nozzle)產生推力;大部分空氣進入預燃室(PB),與氫氣混合燃燒後,加熱氦氣。氦氣受熱膨脹後,推動氦氣渦輪(HeT)驅動壓氣機。做功降溫後依然有很高溫度的氦氣通過換熱器(HX4)使得液氫受熱氣化,形成高壓,推動氫氣渦輪(HT1)驅動液氫泵(LHP)從液氫儲罐(LHT)裡抽取液氫。降壓後的氫氣還有足夠壓力,繼續推動另一台氫氣渦輪(HT2),驅動氦氣製冷壓縮機(HeC),用於預冷器,就像電冰箱裡的氟利昂壓縮機提供製冷劑一樣。事實上,氦在這裡就相當於氟利昂。
SABRE的熱力學循環相當複雜,但也很精巧。SABRE的設計原意不是用於超燃沖壓的,使用吸氣火箭發動機正好迴避了超燃沖壓的難題,大氣層內的高超音速飛行也只是過渡階段,只是為大氣層外的火箭動力飛行提供盡可能高的起始速度和高度。但是適當簡化後,SABRE的思路也可以用於超燃沖壓。比如說,取消氦迴路,燃料泵出來的燃料直接進入預冷器和熱端冷卻系統,加熱氣化產生高壓,推動的渦輪直接驅動燃料泵。這樣,連預燃室都可以取消了。
主動冷卻和強預冷都屬於超燃沖壓發動機的熱管理技術。人們經常關注於超燃沖壓的燃燒穩定性問題,這確實是巨大的技術挑戰,就像可控爆炸一樣艱難,但熱管理是同樣巨大的難題。中國在2017年裡程碑式的廈門國際會議上,就暗示了超燃沖壓技術已經達到相當高的技術成熟程度。現在熱管理技術也達到了很高的技術成熟程度,沒有公開的只是帶先進熱管理的完整的超燃沖壓發動機的高超音速飛行試驗。
超燃沖壓實用化的意義是怎麼強調也不過份的。國慶70大慶上隻公開了東風17的外觀,射程沒有公佈,據估計,在1800-2500公里範圍。採用超燃沖壓、從HGV改為HCM的話,只需要較小的助推火箭就可以起飛,大量氧化劑佔用的重量可轉為燃料,極大地增加射程。即使計入更重的超燃沖壓發動機和輔助系統,射程的增加也是可想而知的。即使不可能增加15倍的射程,而只能增加5倍,也能在大體相同的全系統尺寸和重量情況下,達到9000-12500公里的射程。如果說東風17還只是“嘉手納快遞”的話,“超級東風17”就不只是關島快遞了,而是“夏威夷快遞”、“洛杉磯快遞”了,軍事意義不言而喻。

東風17很厲害了,但如果這是HCM,那就不只是“嘉手納快遞”,甚至不只是“關島快遞”,而是“夏威夷快遞”、“洛杉磯快遞“了
中國的具有軍工意義的高技術研發具有保密傳統,完整的帶熱管理的超燃沖壓試驗到底是進行了沒有,成功與否,外界只有猜測。但在不遠的一天又有哪個地方悄悄申報了一個創新獎,或者在哪一個重大慶典上猛然推出全新的HCM,人們也不必太驚訝。
在太平洋的另一邊,美國在3月19日試驗成功C-HGB,這是三軍通用的HGV,但還在採用第一代的雙錐體(也稱旋成體),而不是東風17採用的更先進的乘波體。另一方面,美國負責國防科研的國防部副部長格里芬在談到高超音速研究的時候,特別提到美國在熱管理方面的缺門,使得本來射程達到3000公里的高超音速導彈的射程降低到1000公里。如果說中國離HCM還差臨門一腳,美國則還沒有過中場。高超音速是少有的中國占決定性領先地位的軍工科技,這恰好也是對未來戰爭至關重要的核心軍工科技。先進熱管理技術進一步拉大了中國的領先距離。

[ 本帖最後由 yeungph 於 2020-6-5 11:21 AM 編輯 ]



有無測試VIDEO?


引用:
原帖由 神棍老子 於 2020-6-5 01:02 PM 發表
有無測試VIDEO?
冇VIDEO又點?冇人逼你信喎.
信既咪信囉, 唔信既過十年咪知真假.






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