12倍速于歼-20，央视公开报道，全程沉默，空天飞机好事将近

wakeman

小央视频前段时间发布了一条题为《中国“爆炸弹射”测试神秘物体》的短视频，这条视频颇为怪异，因为全程静音沉默无任何解说，这个神秘物体究竟是什么？

此神秘物体，是既神秘，也不神秘。笔者猜想小央视频团队可能是编辑人员太多了，相互之间又缺乏沟通，这段视频画面其实早在两个多月前就已经在央视关于中科院力学所的超高声速风洞专题节目中报道过。
这段视频反映的其实是，某两级入轨空天飞机的分离风洞试验画面。
有一个事实大家需要明确一下，就是人类至今尚没有成功研制出空天飞机。不论是炒作多年的X-37B，还是我国近年来先后两次成功实施入轨发射试验的“可重复使用试验航天器”，它们都不属于空天飞机，而是属于依靠运载火箭发射入轨的“航天飞机”。

我国对于空天飞机有清晰的定义，这是一种能在机场跑道上水平起飞和降落，即可在大气层内飞行，也可在大气层外飞行的飞行器。动力装置在大气层内使用吸气式发动机，在大气层外用火箭发动机。

空天飞机与航天飞机相比，有两点本质不同：
1.起飞方式不同：航天飞机是垂直起飞，空天飞机是水平起飞；
2.动力不同：航天飞机不论大气层内外，使用的都是火箭发动机，需要自带大量的氧化剂，空天飞机在大气层内使用吸气式发动机无需使用自备氧化剂，或者只需少量自备氧化剂，大气层外再使用火箭发动机；

人类对空天飞机的追求就如同梦想掌握核聚变发电能一样如痴如醉，因为一旦研制成功，将是人类进入空间能力的一个全新的里程碑，有一点可以肯定的是，人类拥有空天飞机的时间会早于拥有核聚变发电能力，而且放眼全球，中国是最接近这一目标的国家。
为什么说，中国最接近空天飞机目标？
因为我们做到了工欲善其事必先利其器，指的就是风洞。

执行此次“爆炸弹射”试验的是JF-22爆轰驱动超高速高焓激波风洞，这是我国在高超声速风洞领域全面领先全球的一款国之重器。
风洞全长167米，能够复现40到90公里高空约30马赫的超高速飞行来流，流场直径可达2.5米，国外同类指标仅有1.5米，直径越大，可试验的飞行器规模越大，试验时间也比国外同类指标高出数倍，参试飞行器规模又大，试验时间又长，获得的数据精度自然就更高，再有就是总温高、总压高，温度可以达到1.8万摄氏度，压力可以达到1万个大气压。
JF-22风洞的每一项指标都是世界领先，此为“全面领先”，用该项目负责人的话说就是，在世界上没有其它风洞可比。

与JF-22并排布置的还有JF-12高超声速风洞，后者建成于十几年前，时至今日，它也仍然是世界领先。

JF-22世界领先，JF-12也世界领先，这岂不是很矛盾的表述？它俩之间谁领先谁？
这丝毫不是什么矛盾的表述，因为两个风洞有着各自不同的舞台，JF-22负责40至90公里高空，JF-12则负责20到50公里的空域，复现速度可达12马赫，二者结合又使我国成为全球唯一一个能够在高超声速领域覆盖全部飞行走廊的国家。

空天飞机要想从地面飞入太空，就需要掌握全部飞行走廊的气动数据与对应高度的发动机工况数据，在这个飞行走廊中有一个高度层对于人类的认知而言仍存在大量的空白，这就是“临近空间”，也被称为“亚轨道空间”，高度是20至100公里。
临近空间大气稀薄，传统吸气式发动机运作效率随高度升高而不断下降，传统航空器难以触达，即便依靠能量优势触摸到临近空间，也会因为气动效率骤然降低而难以长时间飞行。

临近空间也并非不能进入，比如发射航天器用的运载火箭就必然要经过临近空间，不过由于火箭气动相对单一，动力系统又是不依赖大气的火箭发动机，所以人们很难通过运载火箭提高对临近空间的认知。
即便是气动布局稍微复杂的航天飞机也是火箭动力，它也不依赖空气。
欲戴王冠必承其重，对于空天飞机而言，就必须征服临近空间的种种技术障碍，让临近空间成为空天飞机自由翱翔的乐园。

有不少人认为，中科院力学所实施的此次“爆炸弹射”试验就是腾云空天飞机的两级分离试验，这样表述对吗？并不一定。

先来理解一下，央视为什么将其表述为“爆炸弹射”，这里的“爆炸”指的是JF-22超高声速风洞“爆轰驱动”的驱动方式，该风洞正是利用正向爆轰驱动的顶流，才获得了全面领先的各项性能，以往国际上都是反向爆轰，通常能量很有限，无法实现我们JF-22的性能。
能否实现顺畅地分离，是研制两级空天飞机的一个重要技术瓶颈。两级空天飞机不同于传统的两级运载火箭，后者分离时的气动条件相对单一，前者则不同，两级空天飞机的一级与二级皆是带翼飞行器，分离碰撞风险大。
比如早在去年某单位就进行过一次在6马赫条件下的两级空天飞机的风洞分离试验，两级分离时产生的冲击波在两级之间来回震荡，从而减慢了二级速度，这对于要达到入轨速度的二级飞行器而言是不利的，而且这种震荡也影响了二级飞行器的姿态，使其产生了奇怪的倾斜，从而增加了两级之间分离时的碰撞概率。

当时研究人员给出的解决方案是，通过改变两级飞行器的相对运动，建立一种在不同飞行情况下更安全的分离方法。
中科院力学所此次分离试验则给出了一个看起来更加高明的两级空天飞机分离方案，可以看到背负着二级飞行器的一级飞行器背部有一条导轨，二级通过导轨向前移动离开一级，这样一来就能平稳地穿过一级飞行器高超声速飞行时产生的激波，这个设计可谓是匠心独具。

为什么说此次试验并不一定是腾云空天飞机？首先，中科院力学所与承担腾云空天飞机项目的某单位并不隶属同一集团，当然也不能排除两家可能的合作关系，毕竟我们是全国一盘棋。但也要知道，我国空天飞机领域正呈现的是百花齐放的发展业态，并行推进的空天飞机项目又何止一两个。
在众多空天飞机项目中，公开报道的，并已经有实际飞行试验经历的还是两大传统航天龙头企业：航天科技集团与航天科工集团。
航天科工集团的项目就是曝光度最高的腾云空天飞机，该项目早在5年前就已经实现腾飞一号组合动力模态转换首飞试验，并计划在两年后实现技术验证飞行试验，2030年完成两级入轨空天飞机的研制。

空天飞机要想实现从地面滑跑起飞进入太空，就需要一款能够适应低空、中高空、太空不同高度层的发动机，也就是说需要组合涡轮、涡扇、冲压、火箭各种动力模态，此为组合动力发动机。
可以说，航天科工集团的时间表是最为激进的，但他们也有激进的底气。因为承担腾云空天飞机动力研制任务的航天科工集团某单位恰好就是我国飞航发动机专业户，半个多世纪的时间里向用户交付了大量涡喷、涡扇、冲压发动机、固体火箭发动机等各型动力产品，发动机种类非常齐全，对于他们而言，研发空天飞机组合动力发动机是有着先天优势的。
该单位研制的“云龙组合动力发动机”就是面向我国可重复使用单级/两级入轨运载器、空天飞行器动力需要，提出的基于液氢燃料的多循环深度耦合预冷发动机，与欧洲的云霄塔空天飞机计划配置的SABRE预冷组合发动机类似。

此种动力对发动机预冷器的工况要求极为严苛。因为组合动力发动机在大气层内长时间高速飞行条件下，气流温度急剧升高，发动机材料难以承受，这会导致压气机等高性能部件无法工作，单纯依赖材料性能提升去硬抗，并不是高效率的办法，最佳的办法就是材料耐热性能提升的同时，通过主动降温的设计实现温度控制。
预冷技术就是引入进气主动降温，事实表明，承研云龙组合动力发动机的某单位是有实力的，他们早在三年前就完成了云龙发动机原理样机的研制任务，并且顺利开展了后续试车任务，并在两年前就实现了预冷器在5马赫热态试验中实现毫秒级降温近1000℃。
原理样机已经问世三年，这也意味着工程样机即将问世，照这个进度，如期实现2030年两级入轨空天飞机研制任务是可以预期的，即便有所迟延，到2035年之前也是完全有把握的，这个时间节点也会远远领先于西方。

空天飞机的另一家主力单位便是航天科技集团某单位了，他们并没有云龙发动机承研单位的发动机全品类覆盖的先天优势，但是他们有宇航产品优势，意思就是说，他们运载火箭产品多，发射经验也丰富，因此航天科技集团因地制宜推出了符合自身条件三步走规划：
第一步：2025年实现火箭动力部分重复使用，一级带翼运载器背负二级火箭，一级将二级送入预定高度后可控返回地面机场着陆，二级自主入轨释放载荷，该型运载器起飞级将配置80吨级液氧甲烷发动机；

第二步：2030年实现火箭动力完全重复使用，一二级均为带翼运载器，一级将二级送入预定高度后可控返回地面机场着陆，二级自主入轨释放载荷后再入大气层可控返回地面机场着陆，该型运载器起飞级将配置200吨级液氧甲烷发动机；
第三步：2040年实现两级组合动力入轨，完全重复使用。飞行步骤与第二步计划一样，但动力方案完全不同，一二级带翼运载器均将配置适应各自任务高度的“吸气式组合动力发动机”。

目前航天科技集团针对第一步计划已经先后两次成功发射亚轨道重复使用运载器，且第二次发射就是重复使用，计划配置的液氧甲烷发动机也正在持续试车，为两年后实现第一步目标奠定了坚实基础。

完成第一步之后的第二步也会比较容易，毕竟我国已经成功实施两次可重复使用试验运载器的入轨发射任务，第二次发射的在轨时间长达276天，综合技术性能已经可以与X-37B比肩。
最难的是第三步计划，其与第二步之间的时间跨度长达十年，即便如此，针对第三步的关键技术攻关也早已开始，其所使用的组合动力是也是预冷组合发动机，与航天科工集团的云龙发动机类似。
通过比较可知，最有希望率先首飞的真正意义的两级入轨空天飞机还是航天科工的“腾云空天飞机”，所以文章前半部分叙述的中科院力学所的空天飞机风洞分离试验与腾云空天飞机应该是两码事。

要知道中科院本身就是立足于基础科学领域研究的单位，航天科技集团与航天科工集团则是立足于工程实现与应用的单位，就其定位而言，中科院力学所的工作往往更具基础创新价值，其探索的也都是更为先进的未来技术。
中科院力学所不仅提出了更具优势的导轨式两级分离方案，还提出了新型空天动力方案：驻定斜爆震发动机。

两大航天集团的空天飞机项目都是基于预冷组合动力实现，此种动力中的超燃冲压动力，随着飞行速度的增加性能开始急剧下降。斜爆震发动机与普通的超燃冲压发动机相比，能在更高的飞行马赫数下保持较高的燃烧效率，另外还具有燃烧室长度短、重量轻、飞行阻力小及易于重复启动等优点，是空天飞机更有前景的动力选项。
再比如，中科院力学所的JF-12高超声速风洞与JF-22超高声速风洞，在没有这两个风洞前，我们就没有高超声速与超高声速风洞吗？
当然有了，比如中国空气动力研究与发展中心官网就大方地介绍了十几款超高声速风洞，其中有一款2米激波风洞的性能就达到了24马赫，不然我们那么多东风快递、嫦娥五号、天问一号是怎么多快好省地研制出来的。JF-12与JF-22对于我们的意义在于，让本就在高超声速领域领先的我们，进一步巩固领先优势。

力学所主要是进行先进技术的预先研究，同时可以为其它兄弟单位提供更为先进的风洞设施，共同促进国家的科技军工事业的快速发展。
任何新生事物的发展都有其客观规律，都有一个成长进步的过程，现在有些人一提到空天飞机，就盯着它的弱点，比如结构重量大导致干质比太低，运力不高。

然而空天飞机及其衍生技术的未来应用场景却是极为广阔的，比如组合动力发动机可以用于高超声速导弹、空天飞机一级运载器可以发展为点对点全球到达的高超声速运载器、空天飞机还有着更为灵活的快速进入空间能力，这些优势性能即可军用，亦可民用。

空天飞机概念最早是由我国航天带头人钱学森于上世纪四十年代末率先提出，钱老当时就设想一种背负入轨运载器的两级空天飞机，回国后他也十分重视空气动力学研究，在上世纪八十年代军工大裁撤的年代，也是他力主保留了我国最大的风洞群。后来在载人天地往返运输载具的评选中，在给载人飞船投出关键一票后，钱老又寄语年青一代航天人：
航天事业的又一重大发展是空天飞机，尤其是把它作为用半小时即可横跨2万公里的民航工具，所以空天飞机应是21世纪的重大成就。21世纪的中国人一定要在空天飞机上显一显身手，一件国家大事！

以JF-22超高声速风洞为例，它所能达到的试验速度极限是30马赫，这一速度几乎是歼-20战斗机的12倍，基本就可以实现钱老当年的设想。

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