过于先进,不便展示!可重复使用航天器:神龙空天飞机横空出世?

过于先进,不便展示!可重复使用航天器:神龙空天飞机横空出世?

据澎湃新闻报道,2022年8月5日,我国在酒泉卫星发射中心,运用长征二号F运载火箭,成功发射一型可重复使用的试验航天器,这是长征二号F运载火箭第18次执行发射任务。
试验航天器将在轨运行一段时间后,返回国内预定着陆场。

让大家比较诧异的是,所有的新闻报道中就只有CZ-2F的发射照片,却没有任何可重复使用并返回的航天照片,这让吃瓜群众们更是好奇,这种神龙不见首尾的到底是什么飞行器?

中国版X-37B?

2021年7月16日,中国航天科技集团有限公司突然宣布一则重磅消息,其一院研制的亚轨道重复使用演示验证项目运载器在酒泉发射中心起飞,按照设定程序完成飞行后,平稳水平着陆于阿拉善右旗机场,首飞任务圆满完成。

是不是很熟悉的味道?旧瓶装新酒还是新瓶装老酒呢?当然这个我们不在意,因为当年最强文案就出自于此,国防科工局新闻宣传中心官方抖音账号“中国军工”17日在回应“这条消息为何只有文字没有照片”时说道:

“过于先进,不便展示”。

这描述实在太过暴力,所以一时间风靡网络,成了最佳文案的代名词!那么这种飞行器到底是个什么样的飞行过程,先进程度究竟如何呢?

神龙见首?

2007年,网络上出现了一张在轰六下挂着的一架神秘飞行器,机身上有五星红旗的图案,旁边“神龙”俩字清晰可见,神龙开始出现在大众的视线内,但正当大家以为会不断有神龙这个神秘飞行器消息继续出现时却失算了。

此后关于神龙的消息简直就比中国载人登月的消息还少,2011年1月8日,陕西电视台新闻报道了“我国跨大气层飞行器试飞成功”的画面,但官方却没有任何详细资料公布;

2012年6月,湖北媒体报导指,中国正在研发的神龙类似美国X-37B的无人太空飞机;

2018年两会期间,中国中央电视台报道指,中国一种空天飞机正在研发,曝光的图片与2007年的非常相似。

垂直起飞,水平降落

“神龙”飞行器有机翼和尾翼,属于垂直起飞、水平降落的机型,需要火箭将其运送到近地轨道,因此其载具CZ-2F火箭原来载人的整流罩内塞进了“神龙”飞行器,而顶部的逃逸火箭则被取消,一位“神龙”飞行器是无人驾驶的。

这个类型非常类似于美国的X-37B,这是波音公司开发的可重复使用的航天器,其长度为8.92米,翼展4.55米,最大起飞重量为4.99吨,有效载荷空间为2.1 x 1.2 米,由于其需要重返大气层以及多次使用,5吨的机体内除了结构重量与变轨的燃料外,载荷大约只有250千克。

2010年4月22日,X-37B首次发射入轨并在12月3日成功在加利福尼亚州范登堡空军基地降落后已经多次使用,最长的一次在轨2年多。但对于X-37B上到底有什么载荷,在轨任务性质,美国军方却保持缄默,几乎就没有透露出任何信息。

神龙飞行器如何返回?

上天不难,回来才是难点!当然对于能载人航天器返回的中美两国来说返回也不难,主要难点还是在于其可控与重复使用上,因为其实一架事实上的飞行器,而不是气动状态非常笨重的飞船,因此它在穿越大气层时遭遇的条件极端恶劣。

与航天飞机类似,在这种类似飞机的神龙飞行器上因为激波产生的高温分布是不均的,如何在返回过程中利用激波提高升阻比,类似于高超音速状态下的驭波者,或者你也可以理解为乘波体,这个自然得益于我国在高超音速领域的进步,DF-17的的乘波体这种滑翔高超音速技术都是通用的。

因此一项技术获得突破,也许能带来全线突破,因为后面有一大波飞行器等着呢,就像我们首先突破的滑翔高超音速技术,这种技术分为轴对称高超音速和乘波体高超音速,前者技术相对要求比较低,而后者要跟更高,滑翔高超音速突破后就变成了弹头,想往哪里装都可以。

而滑翔高超音速突破后,这不神龙飞行器也突破了,在它的未来就是空天飞机,可能各位并不是十分清楚神龙飞行器的概念,这个玩意儿目前就只有中美两国拥有,其他国家还只有干瞪眼的份。

神龙飞行器是垂直起飞,水平降落的类型,就目前而言这是最先进的方式,但显然这与我们想象中的空天飞机有很大的区别,以现在的技术,我们能实现空天飞机的飞行模式吗?到底还有多大的差距?

空天飞机需要怎样的发动机?

X-37B和神龙飞行器的发动机是在太空中工作的,仅仅是用来机动,其膨胀比适合在真空条件下运行,要从地面起飞,这个难度还真不一般。

火箭发动机不合适,这种自带燃料和氧化剂的模式,在太空中使用是最合适的,但在大气层中时却不合适,原因很简单,氧化剂占了大量重量与空间,大气层内时可以使用大气中的氧气,但出了大气层又能以自带氧化剂的模式工作在火箭状态。

常规喷气式发动机也不能用,因为它可以工作在吸气模式下,但却无法超过2-3倍音速,因为再高这种发动机的吸气风扇就变成了阻力风扇,速度再高需要亚燃冲压与超燃冲压发动机,这种发动机的最高速度可达6-10倍音速。

空天飞机需要从零速度地面起飞,然后利用大气层中的氧气直至60千米高度,然后变成火箭发动机再飞向太空,在这个要求下,目前需要的发动机需要如下几种模式:

涡轮-冲压组合动力(TBCC);火箭-冲压组合动力(RBCC);涡轮-火箭组合动力(ATR);三组合发动机(T/RBCC);

这三种都是适合高超音速飞行甚至直接进入近地轨道的,但应用场合有所不同,TBCC适合高超音速飞行器,比如载人的高超音速战斗机;RBCC适合导弹,ATR能用在空天飞机上,但比较暴力,不太经济,三种组合发动机比较适合空天飞机,但从最经济的角度来考虑,显然TBCC更适合,一般这种模式有如下几个工作模式的发动机组成:

1、涡喷发动机(涡扇不适合高速);2、亚燃冲压发动机;3、超燃冲压发动机;4、火箭发动机模式;

冲压发动机不能零速度启动,因此需要一个初始速度,基本将会由涡喷发动机提供,亚燃冲压发动机的燃烧室气流仍然是亚音速的,而超燃冲压发动机的气流速度已经是超音速,目前亚燃冲压发动机问题都不大,问题的关键是超燃冲压发动机。

现在超燃冲压发动机取得突破比较多的是氢燃料,因为可以用液氢来冷却进入进气道的气流,这会让超燃冲压的推进效率增加,但液氢很难保存而且体积巨大,目前都希望用碳氢燃料来取代氢燃料,显然这个技术要求更高。

美国目前公开已经有突破液氢燃料的X-43A,其最高速度可达10马赫,因为预冷进气道气流效果非常好,但如上文所说缺点明显,因此到了X-51时转而用碳氢燃料,但碳氢燃料预冷效果不好,在7马赫以上时估计就要歇菜了,因此在最后需要需要启动火箭发动机,将飞行器送入近地轨道。

2022年7月5日,西工大公开了7月4日的一个煤油燃料火箭冲压组合循环发动机火箭/亚燃、亚燃、超燃、火箭/超燃的多模态平稳过渡和宽域综合能力,突破了热力喉道调节、超宽包线高效燃烧组织等关键技术的试验。

其模式应该是RBCC,也就是火箭-冲压组合动力,其平稳过渡的能力确实令人惊讶,因为能让这些模式在一台发动机内平稳过度工作显然不是一件容易的事情,未来在重复使用的轨道飞行器是可能的。

不过如果要作为真正的大型载人空天飞机,要突破的却是涡轮-冲压-火箭的发动机!据坊间传闻,目前在7月4日公开的只是一个“比较先进”的测试,而在7月3日则有更先进的测试没有披露。

在零速度启动到高超音速,再到火箭模式,有一种发动机可以满足这个苛刻的要求,这种就是脉冲爆震发动机,目前在死磕的已经不是传统的脉冲爆震发动机,而是旋转爆震发动机,尽管距离实用仍然有距离,但希望还是有的,而且它的结构要远比TBCC简单得多。

延伸阅读:变循环发动机能工作在冲压发动机模式吗?

变循环发动机是为美国六代机研制的发动机,但其实早在SR-71时代,美国就已经折腾出了J-58这种超越时代的变循环发动机,不过有资料称变循环发动机可以工作在冲压模式,比如J-58的冲压模式如下图:

笔者专门去查了大量资料,但发现冲压模式只是一个误解的说法,变循环只是在低压压气机将部分气流在某些条件下引导出来进入燃烧室或者进入后燃室(加力)燃烧以改变涵道比,改善低速与高速下的经济性,并不是一种冲压工作模式,各位朋友需要了解一下。