12月17日,中国高科技商业航天企业“凌空天行”的“筋斗400”成功试飞,在20千米的高空达到了4马赫速度,消息瞬间引爆网络,全球媒体跟进报道,几天后的12月20日,英媒《每日邮报》深度报道这个新闻,凭良心说,英媒的报道还算客观,但英国读者那种高高在上的姿态却让人非常不舒服!

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在他们的印象中英美才最先进的国家,英国造过超音速协和客机,美国曾生产过3倍音速的侦察机;中国则还停留在过去那种落后的时代,完全不能接受中国造出比英美还先进的飞行器!所以有英国民众直接污蔑“凌空天行”的高音速飞机抄袭了美国的SR-71,证据竟然是两者外观一模一样!

“筋斗”发动机与“云行”飞行器

“凌空天行”是一家成立于2017年6月7日的高科技商业航天企业,专注于高超音速飞行技术与应用服务,日前推出了“云行”系列超音速飞机验证机,突破了超音速飞机的气动、防热、控制等关键技术。“凌空天行”的“云行”系列超音速飞机最为突出技术是“筋斗”发动机和飞行器的高升阻比乘波体气动布局!

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“筋斗”发动机将为2027年首飞的、4马赫+的“云行”系列超音速客机提供动力,这种发动机的推进方式比较特别,不同于常规的涡喷以及涡扇发动机,而是一种全新体制的冲压-爆震燃烧发动机,这种发动机的加持下,使得客机飞行速度将超过4马赫速度飞行!

这个速度差不多就是1.2千米/秒,时速超过4200千米,从中国的最东端到最西端一小时抵达,估计大家对这个没啥概念,这样说吧,从伦敦到纽约跨越大西洋也就1小时多点,这速度是不是很牛逼?而完成这种级别的最关键技术就是这种发动机与特殊的气动布局。

冲压-爆震发动机:究竟是种什么样发动机?

其实这种发动机是两种体制的结合体,一种是冲压发动机,另一种是爆震发动机,使用了轴对称冲压发动机的超音速进气锥和进气道,后面燃烧室位置的是爆震发动机,熟悉冲压与爆震发动机的朋友立马就能脑补出这种发动机的结构。

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画面正中是飞行器,右侧是发动机

这种模式结合了两种发动机的优点,冲压发动机的进气道在低于音速时没有什么价值,只有在高于音速的激波产生时才具有压缩作用,因为冲压发动机就是通过多道反射激波压缩气体的,在高音速条件下效率极高。

爆震发动机是不同于稳定燃烧喷气式发动机的一种特殊工作模式,利用的是燃料和氧化剂混合后爆炸后扩散的冲击波达到推进的目的,爆炸波传播速度是音速的5倍以上,燃料利用率很高,推进效率也极高,目前难点是爆震频率与稳定爆震技术。

爆震发动机有三类,脉冲爆震,旋转爆震和斜爆震,能和冲压进气道结合起来的、并且速度在4马赫的发动机只能是多管脉冲爆震与旋转爆震,因为斜爆震一般用在7马赫+以上的场合,而且难度极大,相信“凌空天行”不会选择这种超高难度的发动机。

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爆震发动机的难点在于爆震频率和稳定性,多管和旋转爆震能解决频率问题,就“筋斗400”公布的外观来看,旋转爆震的可能性比较大,这种发动机的主要结构是一个环形爆震腔,利用特殊狭缝引射结构能在爆震时保持自吸气,也就是说旋转爆震发动机能零速度启动并加速,而环形爆震腔能保证爆震频率足够高!

爆震发动机在速度提高后吸气效率反而会下降,因为没有合格合适的进气道,气流来流没有预压缩,而爆震发动机的狭缝进气本来就会造成效率比较低,冲压进气道解决了进气压缩的问题,配合冲压发动机的活动进气锥调节,同时还有助于保证稳定燃烧,所以两种模式的结合相当完美。

高升阻比乘波体:到底算哪种气动布局

这个乘波体值得了解下,一般的超音速飞行器都非常害怕激波,因为激波是一种高能压缩波,超音速飞行器在高速飞行时会产生一个激波锥,超音速飞行器的后掠翼就是推迟激波的产生,同时飞行器的气动翼面还要躲避这个激波锥!

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然而乘波体却不是,这种启动布局会利用机身上下不对称的结构,上表面躲在激波锥后,而下表面却突出成一个流线型的凸肚结构,利用的就是激波在机腹下反射,对迎面而来的气流进行压缩,造成下表面压力陡增,上下压力差就是机体升力的来源。

这种气动布局在亚音速时效果不明显,但在超音速时在激波压缩产生的高压区的加持下,升力会大幅度提高,看起来就像是驭波而行,乘波体的原理也得益于此。“云行”系列超音速客机的气动布局与发动机工作模式无疑都是超前的,毕竟到目前为止,还没有军用载人飞行器与商业飞行器使用这两种技术飞行。

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中国真抄袭了美军的SR-71?

英媒《每日邮报》的官方报道挺正面的,介绍了中国的“云行”系列超音速客机以及“筋斗400”发动机,同时还列举了英国也曾在超音速客机上有过辉煌的过去,“协和”超音速客机一直都是英国和法国的骄傲,但现在已经全部退役,英媒称除了可惜还是可惜!

然而英国民众对于《每日邮报》的正面报道并不买账,反而因为“云行”系列超音速客机的气动外形展开了评论,直接对这种飞行器下了个定义,抄袭了美国在1960年代的SR-71高空侦察机!下面放两张图,各位看看有没有相似之处:

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上图是“云行”系列超音速客机的CG图,下面是SR-71的飞行图:

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在围观群众的角度去看,两者相似度非常高,甚至有人表示这就是SR-71的翻版,然而事实上种花家要说明一下的是,“云行”系列超音速客机是客机,其尺寸绝对不是SR-71可以比的,一般其尺寸至少也得是2倍,应该和协和超音速客机尺寸差不多。

“云行”系列超音速客机和SR-71最大的区别有两个,一个是气动布局,另一个是发动机;首先来说明下气动布局,这个乘波体布局与常规布局最大的不同是机腹部分,常规飞行器的机腹要求是平坦以减少阻力,而机体背部则因为有乘员舱室,所以会有凸起,典型的横截面就如SR-71的这种类型:

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但是乘波体恰恰相反,因为要使用激波压缩来流,机腹必须有凸起,这样才能有效产生并反射激波成一定的角度,而机体背部则由于不能产生激波压缩来流效应而变得比较平坦,简单的说就是和SR-71的机体横截面是倒过来的,下图就能看出部分端倪:

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从上图头部CG效果图和西面的尾部图片,可以很清楚的看到上表面平坦而下表面凸起很多,这猴子那个就是乘波体的典型气动横截面,各位别看长得有点相似就以为是一模一样,SR-71代表的是1960年代的顶尖空气动力学成就,而“云行”系列超音速客机则是顶尖的“乘波体”气动布局,两者完全就不在同一个级别上。

另一个最大的不同是发动机,SR-71的发动机是J-58,这是一种涡喷发动机+引气结构的早期变循环发动机,其原理是从压气级的的第四级引出气流,通过6条管道直接送加力燃烧室,这个能让J-58一直开着加力模式,一般发动机使用加力模式最多也撑不过10分钟。这个动力模式让SR-71保持了3.32马赫、使用常规喷气式发动机的速度记录。

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但是结果也非常明显,SR-71的机长32.74米,机高5.64 米,空机重量30.6吨,全机重量高达77多吨,一般多都是燃油,但是航程却只有5400千米,原因就是加力燃烧模式太耗油了。不过“云行”系列超音速客机的发动机非常节油,因为在爆震模式下的空燃比可以很低。

从这两个角度来看,SR-71与“云行”系列超音速客机根本就不是同一个级别的产物,而是两个时代中空气动力学以及发动机技术的集大成者,所以在没了解技术原理前,千万别轻易下结论,也没必要用一句话概括吸引眼球,这正的评价者会去了解背后的技术,这才是有各位有志青年的逼格。

中国高超音速飞行器技术突破:有井喷之势

不知道各位有没有发现,中国近期高超音速技术突破有点多了,近期第一个报道的HCW,高压捕获翼构型,适合高超音速下的提高升力的技术,这是气动布局;还有是清航空天的冲压旋转爆震发动机,这是动力系统,另外还有MD-19和MD-25高超音速飞行器,这是动力+气动布局。

再有就是“云行”系列超音速客机,很多网友都认为,其搭载的发动机技术验证“筋斗400”发动机最高速度只有4马赫,根本就不是什么高超音速飞行器,其实各位注意了,冲压+爆震发动机的速度并没有限制在4马赫内,而是可以达到7马赫以上,就看进气锥以及进气道的设计了。

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量变最终将会带来质变,中国在高超音速技术上的厚积必将迎来薄发,如果各位还有记忆的话,中国还有腾云二级入轨空天飞机的计划,还有云龙动力单机入轨的空天飞机,随便哪个成功都是划时代的,中国全线气动,这个大手笔就算美国也无法全面跟进,跟不要说早就成为三流国家的英国了,所以英国民众也该认清现实了,他们一直都不愿意承认而已!

延伸阅读:英国的希望“Reaction Engines”已经破产

11月10日,据SpaceNews报道,英国的Reaction Engines Ltd.已申请破产,这家公司几十年来一直致力于高超音速发动机以及空天飞机的研制,但最终还是未能成功,已经于10月31日申请破产,200多名员工已经就地遣散!

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了解的高超音速技术的网友一定对“Reaction Engines”(反应引擎公司)非常熟悉,因为这家公司是目前单级入轨的空天飞机中最合适的“预冷室组合循环火箭发动机”的SABRE 引擎的老东家,中国的“云龙”动力的主要结构与SABRE发动机大致一致,不过两者的技术路线目前差异有点大了。

这家公司近些年来在SABRE发动机上进展还不错,其推出的“Skylon”(云霄塔)空天飞机知名度很高,尽管一直停留在CG图上,但由于各路媒体的宣传,提到“预冷室组合循环火箭发动机”,那么必将会引用SABRE 引擎技术。

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但是近些年来“预冷室组合循环火箭发动机”的SABRE引擎在技术路线上走入了死胡同,据SpaceNews报道,该公司最近一次融资时2016年,欧洲航天局投资了1100万美元,此前美国和英国多家企业对其注入资金,比如BAE Systems 和 Rolls-Royce 在内的大型航空航天公司。但该公司但从2016年之后再没获得有效投资,并且这些公司都没有再注资!

这意味着什么?表示至少Reaction Engines得技术难以获得突破,因为投资反应引擎公司的大佬都是航空航天方面的顶尖公司,技术人员都是人精,他们不看好的技术,不是难度太大就是技术路线已经走不下去了。

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我国的航天科工委主导的云龙动力进展还不错,2022年时种花家曾有一篇详细介绍该发动机的文章,结果引用了该单位的内部PPT,结果被下架了,不过不涉及泄密,只是内部资料适合直接公开,各位别骂我,毕竟我也是围观群众,有人发出了PPT,恰巧种花家看到了而已。

有兴趣的朋友可以私信我,给各位看看咱们自家的“预冷室组合循环火箭发动机”到底是个啥结构,先预告下,这种发动机的结构非常复杂,不是一般人能看懂的!