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飞行速度达每秒10倍音速中美俄三国全力研发比航

发表时间:2021-01-29 13:15

  航空工业被认为是大国科技实力的标志,其涉及材料、气动、发动机、热能等技术,基础科学是否扎实,在航空领域可以全面体现出来。能够研发火箭的国家比较多,比如伊朗、日本,都有自己的火箭技术,但是不代表在航空领域它们就一定先进。地球的大气层是个稠密的介质,要想在大气层内飞得又快又稳,考验着各国的航空人。

  图注:X-51A最高飞行速度达到6马赫,将超燃冲压发动机技术与乘波体技术结合,形成了秒速达到6马赫以上的飞行器

  火箭技术不需要在大气层内长时间飞行,只要发动机给力就能进入轨道,之后就开始漫长的轨道之旅,不需要过于在乎气动上的问题。那么如何才能在大气层内飞得又快又稳,传统的机翼肯定无法实现,于是西方工程人员开发出来乘波体技术。乘波体的概念最早来自再入大气层的飞行器设计,这是一种具有低翼载荷的三角翼,翼尖稍微下垂,这样下表面上流动的气流会聚集在翼下,形成升力。

  美国在上个世纪冷战期间设计了XB-70超音速航空器,飞行速度为3马赫,采用的就是乘波体技术。1990年代,美空军开始推进高超音速计划,积累了以碳氢燃料为基础的超然冲压发动机技术,研发出SJX61发动机。2005年用到了X-51A无人飞行器上。X-51A最高飞行速度达到6马赫,将超燃冲压发动机技术与乘波体技术结合,形成了秒速达到6马赫以上的飞行器。2013年,X-51A项目中止,标志着从2004年开始、耗资3亿美元的技术示范计划中止,美国也获得了超燃冲压发动机技术与乘波体技术储备。

  从X-51A的气动来看,为长扁平状,这是乘波体技术的标志,头部非常扁平,中部有4片小翼可以偏转,进气道位于机腹位置。扁平的前缘可产生激波系三维超音速流,这样可以实现6马赫以上的飞行速度。2020年,美国计划恢复超燃冲压发动机技术与乘波体技术,牵头机构依旧国防部高级研究计划局,计划用来拦截高超音速导弹。时隔7年,美国再次翻出X-51A技术,也说明该飞行器仍然具备一定的优势,能够作为大气层内高速飞行的技术基础。乘波体的优势比较明显,其上表面与自由流场平行,阻力很小,下表面可形成高压,这就是升力的来源。下表面产生的激波高压不会窜到上表面,因此升阻比是非常高的。上下表面流场不存在干扰,这就大大简化了飞行器的设计,如果将超燃冲压发动机技术结合,那么可以研发出大气层内飞行的高超音速飞行器。

  在军用角度,该技术可以研发出高超音速导弹,不仅射程远,速度也很快。如果在民用领域,可以研发出空天飞机,第一级动力结构为涡轮-超燃双模态冲压发动机,第二级为火箭,这样可以将第一级进化为大型载机平台,可以在普通的机场起降。

  毕竟吸气式超燃冲压发动机可以利用空气进行燃烧,涡轮发动机用于起飞时低速飞行。第二级为火箭级,可以让航空器在一定高度释放后进入轨道,这种模式比航天飞机更加靠谱,主要优势是:第一,不需要使用火箭发射场,可以在各大机场就能起降,比较灵活;第二,第二级火箭级需要在一定高度上释放,大大提升了重复使用的能力,不像航天飞机那样需要巨大的燃料箱;第三,可以携带更多的载荷进入轨道,成本可以更低,这就比航天飞机更有性价比了。超燃冲压发动机技术完全可以达到10倍音速以上的速度,目前中美俄三国都在研发该技术,第一个研发出该技术的国家将改变入轨的模式,可重复使用能力比运载火箭更好。

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