瀚海狼山:5马赫喷气飞行这个世界级难题,被率先突破

2020-06-02 08:48:42   




创新Z先奖2020年的第二次评奖,评选的研究团队奖有3个非常显眼:1是“水下发射大型固体运载火箭研制团队”;2是“空间高速交会飞行器系统研发团队”;3是“高超声速强预冷空天动力研究团队”。这3大团队的成绩,瀚海狼山(匈奴狼山)认为都应该和当前和未来占领世界军事科技的最高峰为研发目的。明白了这一点,就不难大致猜测出是什么项目。第1个的水下发射大型固体运载火箭。很明显,运载火箭能在陆地和水面上保证100%发射成功就不得了了。谁没事要跑到水下去发射固体火箭和卫星?真正需要水下发射的大型固体运载火箭只有一类,这就是潜射洲际导弹。因此这个项目,不是浪2就是浪3。考虑是大型固体,而且又是刚刚获奖。那么大概率不是已经研发成功多年的浪2,而具有全球战略意义的浪3的可能性极大。



第2大项,空间高速交汇飞行器系统。有人认为是外太空的航天器对接项目。但是航天器对接并非交汇;而是同轨道接近,速度和方向大致相同才能对接;而且航天器对接大部分是民用项目。空间高速交会飞行,说白了就是空间高速碰撞,因此这个项目更像是大气层外的高速反导。这个也具有全球战略意义而且是最新的。明白了以上2大项目,剩下的第3个就让人一头雾水了。什么是高超声速强预制冷,而且还是空天动力?其实这个就是未来空天飞机的氢能源单级入轨系统。研发空天飞机一直是人类最近100年来的最大梦想之一,但是一直没有实现。目前人类要进入太空,只能靠化学火箭。化学火箭需要自带燃料和所有氧化剂。而且入轨前要抛弃一大部分,才能保证一小部分的有效载荷入轨。虽然抛弃的大部分现在已经有回收技术。不过综合成本仍然下不来。



而现在飞得最快最高的普通飞机,也不过可以飞到3万米高度略微超过3马赫的速度。再高就不行了,因为此时飞机的涡轮已经无法从空气中吸收足够的氧气,此时就需要切换到火箭发动机。可是切换到火箭发动机以前,飞机最好加速到5马赫以上,这样再切换到火箭发动机入轨最省能量,但是3到5马赫这个中间的2马赫,最好是采用高速冲压发动机。这样的空天飞机,就需要叠床架屋一般的携带至少3大类发动机系统。这就是普通的涡喷发动机、冲压发动机和火箭发动机。任何1种在其他2个阶段的飞行中都是无用的累赘。这样的空天飞机不但体重巨大而且根本飞不到太空。美苏等在冷战时期曾经考虑过空天飞机两段入轨,其实就是用一种大飞机驮着一架小飞机,这样的效率也很低。那么有没有一种新概念的发动机,可以整合普通的涡喷、冲压和液体火箭发动机的所有优点,但是外表看就是一台单纯的发动机呢?
有种发动机叫做“协同吸气式火箭发动机”英文的缩写是“Sabre”,意思恰恰是马刀或者佩刀,因此就俗称佩刀发动机。这其实是一种以液态氢为燃料。在5马赫速度和3万米以下时,用空气中的氧气作为氧化剂,然后燃烧飞机自带的液态氢当动力。当超过这个速度和高度数值是,则关闭飞机的进气道,直接用携带的液氧和液氢加速到25马赫入轨。而整个飞行过程中,发动机和喷嘴都是用同样的一套。外表看来整个飞机也没在入轨前抛弃任何部件,是理想中的真正空天飞机。



不过其难度就在于,凡是烧液氢的火箭,都叫低温高能技术。而当大气层内的飞行物速度达到5马赫时,此时吸收进来的空气温度已经超过1000摄氏度。如何与仍然处于零下200多度的液氢结合燃烧就是个技术大问题。于是有人想到了用氦气换热,只需要在0.01秒内,机可以将通过进气道吸入的1000摄氏度的高温空气,瞬间冷却到零下150度!这样再经过内部复杂的3次换热循环系统,和液氢结合稳定的燃烧。所以叫做“高超声速强预冷空天动力”。这种发动机在2马赫时推重比高达14;在冲压阶段推重比也是最高的;因此是空天飞机在平飞入轨前的最佳动力。目前英美的联合实验只搞到了3.3马赫;而谁谁家的团队很可能已经完成了5马赫的理想指标试验。因此大有可能在全球率先制造出第一架真正的空天飞机。那可是天地之间任意遨游,随心所欲定点投弹了。