神秘的升力式亚轨道运载器

晨枫

& E5 n: T+ [, Z  {4 r8 x据微信公号“中国航天科技集团”8月26日消息，8月26日，由中国航天科技集团有限公司一院自主研制的升力式亚轨道运载器重复使用飞行试验获得圆满成功。

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有道是“开篇一张图，剩下靠脑补”。这事连图都没有，就只有凭这几句话脑补了。

+ g- I) o+ f% S/ H$ M3 i* c关键看点：
1、垂直发射，水平着陆
$ K. L, B$ O- L, w/ G2、可短间距重复出动
! [6 W) U! }6 C; P3、亚轨道

航天飞机是第一个垂直发射、水平着陆的航天器，航天飞机也在1981年就开始使用了，2011年停用。从这个角度来说，航天一院这个成功只是迟来的“我也能”。但是且慢，这里有一个极大的区别：短间距重复出动。
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: C7 i* f5 {. r航天飞机每次返回后，没有几个月的大修根本不可能再次出动，越用到后来，大修间隔越长，动辄一年，这是由航天飞机的防热设计决定的。航天飞机的表面贴满放热瓦，不管是机械损坏还是热损坏，都必须在下次出动前更换，否则再入时的高热会造成碎裂和脱落，后果就是灾难性的。2003年2月1日，“哥伦比亚”号最后一次任务完成返航时，就是因为发射时一块保温材料脱落，击中防热瓦，造成的损坏在再入时使得炽热气体穿过放热层，烧毁机翼结构，使得“哥伦比亚”号失稳，导致过载和解体。
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此后，不用防热瓦的再入航天器设计就成为各国的追求目标，航天一院的答案来了。
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) r: |4 A2 G8 U6 v; S# G/ z. F0 E. J不用放热瓦的放热设计不可能单靠材料硬顶，世界上没有已知材料能在再入温度下可重复使用。那就只有用激波设计了。

4 a* @( Z0 N2 u" _  R激波防热是NASA的理查特·惠特康姆提出的。这家伙是奇才，超音速飞行的蜂腰（官名是面积律）、亚音速飞行减阻的翼尖小翼也是他提出的，还都是在50-60年代。那真是“拍脑袋”的时代，是靠硬功夫数学解析和物理思辨的年代，计算机还在萌芽，堆算力硬算是不行的。这样的极端条件也没法做实验。高超音速风洞现在依然是世界级挑战。
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激波是空气受到超音速飞行体强烈压缩时形成的，致密，导热性好。惠特康姆提出，在再入体前方形成一个“激波罩”，可以最大限度地吸收气动加热，并通过激波本身传导开去，最终散发到空间。激波后的气流温度极大降低，防热设计就好办多了。所以，再入的航天器可以像一个圆锥，但在再入时是平底冲前的，就是为了最大限度地产生强烈的“激波罩”。

- n  w4 A! l% o! s4 q这是激波的简单引用。在高超音速飞行的研究里，人们对激波的性质和利用有了更深的了解。高超音速飞行的两大难关是：1、动力，2、防热。中国在两方面都走在世界前面，所以在高超音速武器方面理所当然地走在世界的前面。美国至今没有与东风17相当的武器投入使用。助推-滑翔本身没难度，迈不过去的坎正是热防护。

这也意味着航天一院可能借用高超音速飞行的防热技术来解决可重复使用航天器的再入防热问题，并且可以极大缩短再次出动的时间。消息没有说两次发射的间隔到底有多长，估计是在同一天内。与航天飞机的几个月到一年相比，这就是巨大的突破了。航天一院是怎么做到了，这是保密的。慢说看图猜技，连图也不让看。但只要知道这黑科技很黑，是真厉害，这就足够了。

但是这东西有什么用？消息提到了“亚轨道”。

亚轨道指接近轨道高度但还差一点，不能像卫星一样一圈一圈地轨道飞行，所以用处很局限，一般是轨道飞行前的试验性过渡。
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但航天一院这个既可以是过渡，也可以是亚轨道的新用处，因为亚轨道是高超音速的好地方。

8 R% y* D- M" m  {% q/ C/ _理论最低轨道速度大约28440公里/小时，亚轨道速度比这低，所以航天飞机再入时的速度约为26马赫。但航天一院这个到底低多少，消息没说，就没法猜了。但既然用到亚轨道这个说法，应该比较接近26马赫，如果只有5-10马赫，那就直接说是高超音速了。
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亚轨道飞行指不能在轨道上绕地球飞行，但在更低的高度绕地球一圈还是没有压力的。航天飞机返回时，需要在8000多公里外的夏威夷再入大气层，然后通过复杂的S形飞行，边掉高度，边控制减速，既不能滑翔时间太长，避免累积热量太大，又不能减速过快，气动加热会马上升温到不可接受的程度，就这样，才能到佛罗里达的肯尼迪中心着陆，紧急情况下可以拐一下到加利福尼亚的范登堡空军基地备降场着陆。

) j) R* O/ l$ R7 g" \$ O: @$ H采用更先进的防热设计，并控制亚轨道速度，比如说起滑速度降低到20马赫，更长、更浅的滑翔是可以做到的。也没有谁说亚轨道最多只能绕地球飞行一圈，多几圈没有什么不可以，只是不在轨道高度上而已，无动力滑翔的话，每飞一圈要掉一点高度和速度。
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, ^/ g  j5 ^# F! f' U但反制就麻烦了。最低轨道高度月160公里，航天一院的亚轨道没说多高，算100公里。这肯定超过常规防空导弹的拦截范围。也不能用反卫星的办法对付，因为没有可重复的轨道参数可观测。也不能按照反导弹的路数来，因为没有简单弹道了预测拦截点。说穿了，这好比大号的可回收、可重复使用的高超音速导弹，但把速度、高度都放大了，也比“一般”高超音速导弹更难拦截。
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火箭助推、大气层内起滑的高超音速滑翔器是中国的拿手好戏了，东风17只是公开的部份，只是这是一次性使用的，但真是升力式的，弹道式的中国不玩了，太简单粗暴，没劲。航天一院这东西也明说了，“升力式”就是说具有气动飞行能力，不是弹道式的。
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但可重复使用了又有什么用呢？

1 y& E4 W3 z2 b+ m这就要看航天一院的升力式亚轨道运载器有多大了。往大了想，这就是亚轨道轰炸机，半小时内打遍世界；往小了想，这是亚轨道侦察机，可以对高价值的敏感目标精确确认。消息没说用什么火箭发射的，所以有多大也没法猜了。其实亚轨道轰炸机的急迫性没有那么大，毕竟发射一次不易，载荷不大，靠这打击重要目标，不如直接用带末制导的弹道导弹或者高超音速导弹。好事就往从严的方向想吧，是亚轨道侦察机。

+ a- _( x; x' L& u. j" Y什么目标需要亚轨道侦察机？这应该是机动的高价值目标，需要与待命的打击手段紧密衔接，那就只有敌人航母了。
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2 K+ Y& f3 ^' e. B. f+ h, x7 l航母的最大航速“只有”30节，貌似比飞机慢多了，也在卫星的窥视下无法隐藏，但航母实际上并不容易发现和跟踪，也不是看到一艘大船就能认定是航母，需要高分辨率的精确目标确认。

卫星有重访间隔问题，几小时算短的，长的需要几天、几十天。航母一昼夜可轻易狂奔1000公里，不时刻紧盯着，一不留神就跑没了。

卫星绕着轨道飞，宽视场的分辨率一塌糊涂，窄视场的需要精确知道往哪里看，而且需要航母正好在轨道下方的倾角之内，否则变轨不仅消耗宝贵的星载燃料，还很费时间。在全球全时覆盖的小卫星星座形成之前，卫星监视可以用作普查，但直接提供反舰弹道导弹的瞄准坐标还不行，至少时间上衔接不上，等发现了、识别确认了、数据传送到导弹了、发射了，这中间的时间太长，容易错失战机。
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超地平线雷达可探测几千公里外的大型目标，但受到电离层的影响很大，精度在几十到几百公里级，根本不可能用作导弹瞄准。

, X1 c: W9 _' u$ F$ A飞机要好多了。但飞机能窥探航母，航母的舰载战斗机就能打掉探头探脑的飞机。平时还好办点，战时根本没法用。大洋那么大，要能在海上大海捞针，只有速度低、航程大的大型飞机，这些飞机也最容易打。

但在普查（卫星、超地平线雷达）的引导下，亚轨道侦察机不仅在半小时内可抵达世界上绝大多数海洋，还能机动飞行，搜索目标。可回收、可重复出动不仅降低使用成本，也可反复出动，增加搜索面积，有用性更是成倍提升，不怕航母使劲躲。找到了，还怕东风21D、东风26B甚至更远射程的东风咬不上吗？

9 a: K& N- U" X9 I* k. x/ w至于高超音速飞行中红外、光学、雷达的可用性问题，中国已经公开多个论文，展示了有效技术。在亚轨道高度，空气更加稀薄，问题比更低高度（如3-4万米）的热障和黑障问题反而小。

) G( |1 E2 E. k7 I. `当然，这只是猜测。可能航天一院就是在为空间旅游预研呢。

% i; o. @' }, r; y+ I说起来，这不是升力式亚轨道运载器第一次发射，上次是2021年7月21日，当时没有马上接着再出动。被问到为什么没有图片的时候，航天一院只有一句很牛气的话：“过于先进，不便展示”。
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2 M7 k+ b; K4 t& t  ~" b这也不宜和8月4日发射的“可重复使用试验航天器”混为一谈，那是明确“在轨道运行一段时间后”再回收的，外电指出，已经在轨18天了，还在期间释放了一颗小卫星。这应该是对标美国X-37的气动辅助变轨的航天飞机，和航天一院的亚轨道飞行器是两回事。那也是神器，2020年第一次发射的时候谈过，现在这个是第二次发射了，这也是另外一个话题了。

史节

晨枫手真快。这知识储备，杠杠的。

testjhy

从一些卫星发射信息中可以挖掘出土共这两点估计已经完成：
  T9 f% J  O! J' c+ ]    全时全天候航母侦察
    星上处理，指星上识别目标直接发到关键位置，跳过地面接收、处理、传输，保证导弹时效

( s7 o5 k0 D- G8 V4 }当然，多一种侦察手段可增加目标确认的可靠性
- a. `1 S# M" J) N1 Z6 z. O2 N更愿意是一种进攻手段。

潜水员

上一次航天院发布同样消息是一年前的2021年7月。当时对没图的官方说法是
  I4 l+ b# h; p2 _1 I过于先进，不便展示

晨枫

testjhy 发表于 2022-8-26 06:17
从一些卫星发射信息中可以挖掘出土共这两点估计已经完成：
) l+ V) a3 j" B    全时全天候航母侦察
7 O5 }' g8 v2 r5 l$ Q    星上处理，指星上识 ...

+ T! `) A9 a, @' x+ d. n5 z9 n( C现在进攻问题已经解决了，需要的是更加迅捷、可靠的侦察手段。

晨枫

潜水员 发表于 2022-8-26 07:49
* ~; ?: X/ B4 f1 ^7 v上一次航天院发布同样消息是一年前的2021年7月。当时对没图的官方说法是
过于先进，不便展示 ...

哈哈，好一个“过于先进，不便展示”！

得大自在

好！
看到消息时不明觉厉。
& a5 z2 f6 Y) Y% E感觉若能驮一个氢弹什么的，能随时以极高超音速射向华盛顿，那么美帝在台海动辄介入什么的就要再三掂量掂量了。

晨枫

得大自在 发表于 2022-8-26 08:35
好！
; H, u3 W" [; u) g7 V看到消息时不明觉厉。
( w( P0 D/ }( g  ?感觉若能驮一个氢弹什么的，能随时以极高超音速射向华盛顿，那么美帝在台海动辄 ...

那就不比重复使用了，太麻烦。

kkilo

不知道是真是假，据说是20分钟到任何一个国家的首都。

lazyMAN

"激波是空气受到超音速飞行体强烈压缩时形成的，致密，导热性好。惠特康姆提出，在再入体前方形成一个“激波罩”，可以最大限度地吸收气动加热，并通过激波本身传导开去，最终散发到空间。激波后的气流温度极大降低"
利用激波散热恐怕不行。首先激波本身很薄，即使导热性能再好也带走不了多少热量。 其次，激波后的气流温度极大增加而不是降低。

晨枫

lazyMAN 发表于 2022-8-26 14:43
( ~# h- n' W, E( \" J6 V"激波是空气受到超音速飞行体强烈压缩时形成的，致密，导热性好。惠特康姆提出，在再入体前方形成一个“激 ...

激波层的厚薄还要看导热率吧。与空气（尤其是稀薄空气）相比，激波的导热率可是好太多了，带走可观的热量。

% |: R) K7 p! C% T! I% {/ |& K- R激波层内温度很高，但激波后的“尾流空间”里气流温度是减速、降温的。这个降温不是相对于激波波锋前的自由空气，而是相对于气动加热。

lazyMAN

晨枫 发表于 2022-8-27 06:41
# F3 i2 e# e' [6 d( p* K激波层的厚薄还要看导热率吧。与空气（尤其是稀薄空气）相比，激波的导热率可是好太多了，带走可观的热量 ...

( P  S/ G# O4 V) t: u激波厚度大概是纳米到微米级的。对于钝体飞行器激波发生在飞行器前方，和飞行器没有接触。对于尖锥体，也只有最前面的点接触，利用激波散热可行性不高。由于是强烈的非等熵流动，激波后尾流的温度比激波前的空气温度高。另外，所有超音速飞行器都会产生激波。如果能利用激波散热， 大家都一样。我国的亚轨道运载器应该还是使用绝缘层隔热。只是时代进步了，材料的durability更好了.

老财迷

lazyMAN 发表于 2022-8-27 21:09
激波厚度大概是纳米到微米级的。对于钝体飞行器激波发生在飞行器前方，和飞行器没有接触。对于尖锥体，也 ...

$ W' x! q2 E2 a仅靠绝缘层隔热，回来后肯定要仔细检查，恐怕一天内或一周内都不能再次使用了。

下山虎

看来实验效果不错，立项了
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“亚轨道运输新技术立项，未来可一小时内到达全球各地---中国运载火箭技术研究院微信公号  
　　近日，国家自然科学基金委员会官网发布了《关于2022年国家自然科学基金集中接收项目评审结果的通告》，由火箭院研究发展部牵头申报的“亚轨道远程空天运输系统总体设计与控制技术”项目顺利通过评审，获得立项支撑。这是国家自然科学基金委员会工程与材料科学部交通与运载工程学科历史上第一个立项的航天类重点项目。航天也首次被列入交通与运载工程学科的重点发展方向。”

晨枫

下山虎 发表于 2022-9-15 18:06
看来实验效果不错，立项了
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/ N  L. S3 t+ k3 i# |3 V1 Z“亚轨道运输新技术立项，未来可一小时内到达全球各地---中国运载火箭技术研究 ...

好，看来这事有谱了。