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“星空2号”:第二代高超声速飞行器的啼声

最近,《新闻联播》节目报道了航天科技集团11院的“星空2号”乘波体飞行器试飞新闻。

这是我国首次公布高超声速飞行器近距离拍摄的画面。

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星空2号发射图片

一时间,网上出现两种声音。一种当然是我们熟悉的“厉害了,我的国”式的文章,恨不得把“星空2号”说成是我国所有高超声速技术的集大成者。

另一种,则是“唱衰”——在一篇有代表性的文章中,声称“美国8年前就发射过X-51飞行器,名字就叫‘乘波者’,所以中国在这方面远远落后美国”……

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一篇被迅速删除的“唱衰”文章,但其中观点很有迷惑性

之前笔者写了篇微信公号,批评了第一种观点。

大致来说是这样:“星空2号”只是我国诸多高超声速试验飞行器中,第一个被大尺度公开的罢了。它的许多性能是不如目前已经接近进入实用阶段的飞行器的。而目,前我国也有大量与之类似的新型飞行器陆续要进行试验。无视这些,把所有和“高超声速”有关的概念都往“星空2号”上套,这很不实事求是。

当然,这不意味着“星空2号”就完全是一种“落后”的飞行器,虽然它的助推器系统是用成熟系统改进而来,但这个飞行器本身,还是有大量尚处在试验阶段的“黑科技”的。事实上,笔者认为,它应该是“第二代高超声速飞行器”预研阶段的试验弹之一,后文我们再来说这些。

至于第二种“唱衰论”说法, 由于我国网络管理部门的积极行动,目前已经只有在港台的一些媒体上还能看到残余了。这种说法其实颇具迷惑性,但其实也不值一驳,因为它其实就是个文字游戏。

“我国第一种乘波体”是落后了吗?恰恰相反……

首先我们要知道,“星空2号”按照国际学术界一般使用的“乘波体”概念的话,可不能算是我国第一种“乘波体飞行器”。

按照一般概念,“乘波体”就是利用激波产生升力的飞行器。就所有的前缘都具有附体激波的超音速或高超音速的飞行器。通俗的讲,乘波体飞行时其前缘平面与激波的上表面重合,就像骑在激波的波面上,依靠激波的压力产生升力,所以叫乘波体(Waverider)。

当然,这个“乘波体”概念是有一点过于宽泛了,子弹、炮弹在特定飞行状态下都可以算是“乘波体”了,意义不大。

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XB-70轰炸机按照某种意义就可以算是乘波体飞行器

所以一般来说,只有在飞行器设计阶段就考虑了主动设计激波模式,并利用它达到设计目的的飞行器,才能叫做乘波体。

在“维基百科”里提到,按照这一概念,美国XB-70战略轰炸机原型机就可以算是“乘波体”,因为它的机翼可以向下折叠,捕捉三倍声速飞行时产生的激波,来增加升力。

那么,按照这个概念的话,航天飞机和大部分采用“弹道拉起”技术的导弹再入器,也都可以算是“乘波体”了,因为它们都在再入的时候利用激波产生了升力。

这么说来,至少早在21世纪初,由西工大主持开发的“神龙”飞行器就已经算是“乘波体”了。而采用双锥体弹头设计的“东风-15B”导弹的再入器,更毫无疑问,也是“乘波体”了。

那么“星空2号”又为何被称为中国第一种“乘波体”飞行器呢?


笔者理解吧,这是研制“星空2号”的航天科技集团,给“乘波体”重新下了定义。

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美国的航天飞机和西工大“神龙”也一样都运用了乘波体设计

在2017年发表于《空气动力学报》的文章《基于激波装配法的乘波体设计与分析》中,这么说:

乘波体设计是当前国际上高超声速飞行器气动布局研究的重点和热点之一。乘波体构型在设计状态将激波附着于下表面前缘,阻止了气流泄露,具有很高的升阻比。升阻比是反应高超声速飞行器气动特性非常重要的一个参数,升阻比很大程度上决定了高超声速飞行器能够实现哪一种飞行轨道。对于滑翔式和巡航式高超声速飞行器的气动设计,升阻比往往是非常重要的一个技术指标,因为升阻比直接关系到飞行器能够达到的航程、横向机动能力等关键战技术指标。因此,乘波体往往被选择为高超声速飞行器气动布局的基础构型。

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传统设计的乘波体一般下底面内凹,以捕捉气流

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NASA的X-43A乘波体飞行器,乘波体因为下方压力高, 所以很适合作为超燃冲压发动机布置进气道

本文定义生成激波流场的外形为“导波体”,与在流场中追踪流线得到的外形“乘波体”相对应。传统的乘波体设计方法均可以据此定义导波体,例如……导波体也可以认为是锥体的一种。基准流场对乘波体的性能有着根本性的影响,选择导波体就是选择基准流场,是乘波体设计过程的重要环节,也是保证乘波体满足气动、载荷等设计要求的基础。

根据《科技日报》的报道,“作为十一院开展的创新研发项目,星空-2火箭飞行试验任务是在集团公司的支持下,历时三年,成功自主研制的国内首款乘波体气动布局的高超声速试验飞行器。”

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国内在乘波体飞行器方面研究其实不少,也有采用乘波体设计的高超飞行器实际案例

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采用新设计方法设计的乘波体,容积率比此前的乘波体明显增加

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航天科技集团“激波装配法”设计与传统“激波捕捉法”的区别示意图

从时间上来看,航天科技提出乘波体新设计概念的时间和星空2实验任务开始的时间相当吻合。也就是说,在航天科技集团的概念中,运用了这种新的设计方法设计出来的乘波体,才是他们定义中的“乘波体”。

换言之,“星空2号”的所谓“中国第一种乘波体”实际上应该是“第一种按照航天科技集团11院提出的新设计方法,设计的第一种乘波体飞行器”……


按照这个标准,“星空2号”也完全可以说是“世界上第一种乘波体”了……

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论文中提出的新一代乘波体设计示意图,可见其外形更适合容纳大尺寸的弹头

或许是为了方便在宣传的时候抓人眼球,在《科技日报》和中央电视台的报道中,这就成了“中国第一种乘波体”。

航天科技集团气动研究院是我国研究高超声速飞行方面最具实力的单位之一,拥有大型高超声速风洞等研究设施。之前笔者在写微信公号文章的时候,光想起“彩虹”无人机是他们研制的,有点以偏概全了。

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11院在高超声速技术方面的研究也是国内第一集团的,图为其拥有的FD-7高超声速风洞

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……如果11院哪天告诉你他们开发出了高超声速变形战斗机,别惊讶……

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这个“特种进气道”是干嘛的就不用我废话了吧?

(以上3图来源:中国航天空气动力技术研究院官方网站)

运用这种新的设计方法,航天科技集团得以设计出比运用传统理论设计的乘波体飞行器具有更大内部容积,升阻比更高,也就是说载荷、横向机动能力、航程等重要指标都更强大的飞行器。

也正是因为这个原因,“星空2号”可以说是中国开始发展第二代高超声速滑翔器的标志。

是的,你没看错,在美俄正在努力开发高超声速飞行器的时候,中国不仅即将把这种东西投入实用,而且通过公布“星空2号”的方式,宣布已经开始研制“第二代”了。

“星空2号”上测试的“第二代高超声速飞行器”技术有哪些?

我们知道,此前外媒报道中提到的,中国WU-14(也有称DF-ZF)飞行器采用大型助推火箭发射。结合此前“光华奖”的报奖文件,它的飞行速度可以达到“洲际速域”,也就是20马赫左右。根据西方报道,这种飞行器具有很强的横向机动能力,这表明它很可能已经运用了乘波体设计原理。

结合关于重新定义“乘波体”的论文算例看,WU-14的弹体是传统的“扁平”设计,这也和目前大部分乘波体设计类似,其内部容积率有限是比较严重的缺点,对于导弹来说,就是只能容纳“狭长”形状的战斗部,不利于提高威力。

但如果运用了新的计算方法,航天科技集团将有能力研制具备同样、或者更高飞行性能,但同时横截面积更大,容积更大,可以容纳更大载荷的飞行器了。

这对于导弹来说,就非常重要了。

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国际上,“静不稳定”高超声速乘波体飞行器的设计基本是指这种……

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用途是进入火星大气层什么的,基本上它和“星空2号”没什么技术上的相似之处

这样说来,运用新的设计原理设计的乘波体气动外形,这应该是“第二代高超声速滑翔器”的第一条技术标准。

此外,“星空2号”上测试的一些技术也是属于“第二代”高超声速飞行器,例如“高超声速静不稳定飞行于弹道控制”——高超声速,静不稳定……这两个词组合在一起就很厉害了。


大家都知道,由于现在高超声速飞行控制非常困难,气动舵面容易烧蚀或失效,而使用主动力控制又因为控制时间、控制力有限等因素,也很难做到全程始终进行不停的控制,而“静不稳定”飞行器的主要特点就是需要全程时刻对飞行姿态进行调整,才能保证正常飞行。所以,目前为止的高超声速滑翔器一般都采用静稳定设计。

“星空2号”采用静不稳定设计,这意味着:

第一,“星空2号”已经有了在高超声速飞行条件下能不间断对飞行器姿态进行调整的技术手段。

第二,“星空2号”的研制团队对于高超声速飞行条件下的控制率等因素有十分深刻的认识,而且已经有十分丰富的实践经验。

目前位置,大部分高超声速乘波体(传统概念)飞行器的设计,都采用了静稳定设计。

此外,在《科技日报》的报道中,还提到“该试飞器集成了疏导式热防护热系统……”。

这里面,“疏导式热防护”,也是一项新技术,该技术实际上就是把飞行器蒙皮变成一个热交换器,通过在前缘温度较高部位的蒙皮当中埋入导热率高的材料,将热量疏导到温度较低的尾部,从而降低温度较高的飞行器前缘的温度。

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疏导式热防护示意图

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顺便,在《光华耀九州》系列文章写作中,笔者疑惑了很久的“多排翼舵”设计,在11院官网上找到了示意图

这项技术看起来不难,但实践当中,如何选择导热材料,使之与蒙皮本身的材料膨胀率基本一致,避免高温下出现结构破坏;同时导热材料又要具有足够高的导热率,来实现热传导,这些都是技术上的难题。

从航天空气动力技术研究院的官方网站可以看到,至少在2012年,该院已经开始进行疏导式热防护技术的研究。而网络上更是可以搜索到2014年前后该院人员发表的,进行相关试验的论文。

成熟的动力系统和试飞过程

相比之下,“星空2号”的动力系统和试飞过程,就没有那么先进,都是用现成的成熟技术了。

新闻里面提到,该火箭采用“航天科工四院”的成熟火箭助推器。“航天科工四院”就是航天科工集团运载技术研究院。结合相关报道中出现的包装、发射筒外形,可以推断该飞行器使用的火箭助推器就是原航天科工9院(现科工4院9所)所研制的BP-12A导弹的火箭助推器部分。

BP-12A导弹是一种从B-611战术导弹基础上发展起来的导弹,而B-611战术导弹,则是一款为了符合MTCR条约要求而开发的短程地地战术导弹。从技术传承角度看,它有着红旗-2和东风-11的部分血缘。

不过当然了,经过了三代发展,BP-12A已经是一款价格低廉,性能不错的成熟固体燃料火箭——用于进行高超声速飞行试验顺理成章。

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BP-12A导弹

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“星空2号”使用的就是BP-12A导弹作为助推器,所以也直接使用它的发射箱

新闻中关于这一点也有一句话:“依托航天科工四院火箭助推系统,将之投送到预定高度,并分离自主飞行,实现临近空间高超声速滑翔飞行”。

我们可以推断,“星空2号”的试验过程应该是:垂直起飞,在上升到高空后,通过主发动机的燃气舵控制,转弯压低弹道并继续加速。在临近空间高度,达到6马赫最大速度。

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BP-12A已经出口到了卡塔尔……

新闻中提到,该试验飞行器解决了“低空高动压高超声速抛罩”问题,这里所说的“低空”是相比离开大气层外再抛弃整流罩的运载火箭抛罩而言,“星空2号”的飞行试验高度为3万米。

中央电视台报道称,“星空2号”试验飞行器的最大飞行速度为6马赫,自主飞行时间400秒,也就是说,其试飞距离大约为667公里。

可以说,与“星空2号”飞行器滑翔器部分所运用的新一代乘波体气动外形设计、疏导式热防护、静不稳定控制等先进技术相比,采用燃气舵控制,面向外贸市场的BP-12A导弹作为动力系统,确实是“公开的就是落后的”产品了。

不过这不意味着中国没有更先进的,适合高超声速飞行试验的火箭——只不过出于成本和新产品试验中降低不必要风险的考虑,才选用了成熟的BP-12A。


“星空2号”不如HIFiRE先进吗?

集成了这么多“黑科技”,那么“星空2号”和国外同类试验飞行器相比如何呢?

我们来看看与它性质相似,美国空军出资,由NASA和澳大利亚联合研发制造的“HiFIRE”为例吧,像WU-14、AHW这类使用大型火箭的飞行器与这类小型试验飞行器不大一样,缺乏可比性。

按照前面那篇“唱衰”文章的说法, HIFiRE飞行速度可达8马赫,而且也是“乘波体”,所以当然是比你先进多了!美国还有超燃冲压的X-51飞行器,名字就叫“乘波者”,当然也是先进咯。

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HIFiRE高超声速试射计划图

那我们就来说说:

HiFIRE火箭是美国空军研究实验室和澳大利亚国防科学与技术集团、波音、BAE公司联合进行的试验。

按计划,该试验飞行器将测试9个不同构型的高超声速飞行器的试验。这其中,2017年进行的HyShot V(HIFiRE4)试验飞行器看起来已经有点高超声速乘波体的样子,它的最大飞行速度达到了8马赫。根据NASA的描述,该飞行器的试验过程是,首先用火箭将其送入太空,然后在再入大气层过程中测试控制机动。

该飞行器的设计任务是:探索高空高超声速飞行的控制率。

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2017年,HIFiRE 4号飞行器达到了8倍声速

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从其外形可以看出,它依然是下表面内凹的传统设计,按照“航天科技标准”,它不能算“乘波体”……

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HIFiRE的控制上,采用直接力控制,使用线性作动器,通过喷射氮气来控制偏航,试验时间仅有5秒

显然,它的技术水平是比不上大气层内起滑,并且已经采用“静不稳定控制技术”的“星空2号”的——HIFiRE 4还在“探索”高超声速飞行器的控制率,而“星空2号”已经能够成熟运用静不稳定控制。因为技术成熟度较低,所以它的试验窗口只有5秒。与“星空2号”的400秒相比……

如果用飞机来打比方,HIFiRE 4在技术成熟度上相当于当年测试矢量推力技术的X-31,而“星空2号”,相当于已经安装了成熟矢量推力系统的YF-22……大家自己琢磨这里面有多少差距。

不过,我们也不能小看了美国在高超声速技术领域的水平,至少按照美国制定的实验计划,技术水平超越“星空2号”的HIFiRE试验也是有的。

这就是,原定2016年要进行HIFiRE 8试验,要测试一种采用超燃冲压技术的乘波体飞行器。该试验的目标,是在实现8马赫速度下使用超燃冲压发动机推进的水平飞行。

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原计划2016年就要试验,但现在已经拖到2019年(还可能继续拖)的HIFiRE8试验飞行器,它的测试时间提高到30秒,有很大的提高……

不过,目前这个试验进度已经赶不上了。


​按照调整过的计划,将在2019年进行试验,不过,其测试时间也只有不到1分钟。

不过,超燃冲压发动机,中国也已经进行过试验,根据2016年“冯如奖”,2017年“光华奖”的相关评奖文件,我国已经有不止一种超燃冲压发动机试验机\弹进行过超燃冲压飞行试验。中国的超燃冲压发动机,采用普通航空煤油作为燃料,从实用化角度来说,已经比采用含氢燃料的美国超燃冲压发动机更接近实用了。

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超燃冲压发动机呢……此前报道过的“凌云”可就是……

由此推断,超燃冲压发动机何时与类似“星空2号”的试验体结合,进行类似HIFiRE 8的试验,只是时间问题而已(由于中国进行相关研究的单位很多,且保密程度较高,目前其实说不准这样的试验是不是已经进行过了)。

由于“星空2号”的技术水平远高于HiFIRE 4,而中国的超燃冲压发动机也不比美国同类试验产品技术落后。那么可以肯定的说,装上超燃冲压发动机的“星空3号”(假如用这个名字的话)飞行器的相关性能参数,肯定比HIFiRE 8要高,而且更接近于实用化。

总体而言,通过上面这些分析,我们可以得到一个令人震惊——其实说实话在高超声速技术领域我觉得这个结论不怎么“震惊”——的结论:

“星空2号”表明中国已经接近完成第一代实用化高超声速滑翔飞行器,正在为研制第二代高超声速飞行器进行准备。

“星空2号”,是为第二代高超声速滑翔器进行相关技术验证的低成本试验平台之一。

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那么第二代高超声速导弹啥样呢?美国当年画的“快鹰”虽然外形可能和现实相去甚远,但至少概念上还是有接近的——超燃冲压动力的高超声速乘波体导弹(按照宽泛的概念,没有弹翼,超音速飞行,就可以算是乘波体了)

其实。“星空2号”的公开,也是我国对自身高超声速技术的一种炫耀性展示,对于美国相关专业的研究人员来说,不难GET到这个信号。

毕竟,作为一种战略性新技术,公开本身就是威慑——尤其是当你大大咧咧展示出来的成熟技术,其实在别人那边,还刚刚开始进行理论探讨的时候……

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