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你懂什么叫战略威慑?中国亚轨道空天飞机有话说

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出品|网易新闻

导语:前几日,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。本次飞行试验,飞行器在酒泉卫星发射中心再次点火垂直起飞,按照设定程序完成亚轨道飞行,最终水平着陆于阿拉善右旗机场,成功实现了我国亚轨道运载器的首次重复使用飞行,推动了我国亚轨道运输技术的跨越式发展。


配图:中国未来或开发亚轨道轰炸器

一、卡门线定义亚轨道空间:天空在哪里结束?

美苏冷战以来,人类对于更高层空间的探索从未停止,但对外太空与地球大气层的分界线一直没有一个公认的定义。为了明确这一点,冯·卡门(钱学森的导师)给出了自己的理解。


配图:卡门线位于大气层和太空之间

众所周知,由于引力原因,海拔越高,大气层越稀薄,而这是一个连续的过程,大气层并不会在某个海拔上突然消失,但在工程学上,不同效应之间却存在一个临界点。

对航空器来说,它之所以能够停留在空中,是因为其与相对静止的空气产生相对速度,这能够在机翼上产生升力(压强差),克服飞机本身的重力进行飞行。这一效应被称为空气动力学,强弱取决于空气密度,空气越稀薄,阻力和升力都随着空气密度变低,就越需要更大飞行速度来产生足够的升力,这也是越高空的飞行器飞行速度越快的原因。


配图:飞机升力由上下压强差产生

太空飞行的原理则与航空飞行完全不同,它不运用空气作为推进和悬浮的介质,太空飞行器停留在轨道上的物理原理是凭借运动产生的离心力抵消地球作用的重力,使太空飞行器在某个轨道上能够稳定运行的速度被称为轨道速度,具体的速度根据轨道高度的不同而有所区别。


配图:飞船轨道基于离心力和重力的平衡

而卡门线的概念,则是考虑到了空气密度随高度衰减的因素,卡门线是支持飞行器以气动飞行所需要的最低速度(航空效应速度)等于轨道速度(航天效应速度)的分界线,大约距离地面100公里。简而言之,在卡门线之上,飞行器必须开始运用太空飞行原理进行飞行来保持高度。

亚轨道区域一般指距离地面20-100公里区间的区域,其中下限为对流层与平流层的界限,上限为卡门线。它处于现有飞机的最高飞行高度和卫星的最低飞行高度之间,严格来说既不属于航空领域也不属于航天领域,但这片空域在未来作战中具备很大的意义,普通的防空导弹打不到这个高度,使众多军事大国均十分重视。

二、飞行器前进为何要靠“打水漂”?

亚轨道飞行器是航空和航天两方面技术高度融合的结晶,空气的阻力会拖慢飞行器的速度,因此在大气层与太空的边界进行飞行需要自身动力来维持速度,同时也需要依靠机翼来提供升力。由于空气稀疏,必须通过足够的速度来获得升力,通常亚轨道飞行器的速度需要达到20马赫左右(但发射初速不达到能够环绕地球的第一宇宙速度)。整体上它通过不断调整这两方面的权重来保持力学平衡,而这也是它轨迹难于预测的来源。


图源:央视新闻

由于这两种原理不断变化的相互作用,在保持极高速的前提下,亚轨道飞行器的飞行轨迹并非普通的弹道曲线,它更像是在卡门线上下弹跳前进,具体轨迹很像水面扔石片产生的“打水漂”。当高度下降的时候,飞行器的机翼产生升力后,它就可以获得升力并能够改变飞行方向,在新闻通稿中描述的“升力体”也验证了这一点;而高度超过卡门线后,空气稀薄则会导致升力下降,最终落入卡门线之下。通过改变每一次的抛射角度和能量,能够在很大范围内调整超越卡门线的最高点、距离,乃至每一次抛射的最低点,总体上使得飞行轨迹变得难以追踪。

亚轨道飞行器的极高速和轨迹不可预测性,以及相比于航天器来说较低的运营成本,受到来自于地面攻击的危险更小,让它在军事应用领域具备很大的潜力。各大国目前对亚轨道飞行器的研发部署上主要是将其设计为导弹防御系统的一个节点,或是起到侦察、监视等作用,将在未来的战争中扮演夺取制高点的关键角色。此外,在亚轨道飞行器总体技术得到突破后,更大的载荷能够赋予其更多样的任务,其中包括起到巡航轰炸任务的亚轨道轰炸器,或是过去提出的天地往返运输系统的概念,能够更经济地向太空中运送有效载荷。


配图:天地往返运输系统示意图

三、“过于先进无法展示”长远价值意义非凡

航天活动是一项最“烧钱”的运动,只有足够实力的国家才能入场,其根源就是每一次航天活动所使用的大部分质量都会废弃在太空中,无法回收。如果这一问题无法被解决,那么可以认为人类对于高层空间的探索活动是不可持续的,不可复用对于很多概念的落实也产生了很大的限制,因此近年来各国都在着力发展“可重复使用”的高空飞行器。


配图:中国亚轨道飞行器想象图

我国在过去已经较好掌握了基于“打水漂”原理的导弹技术,并依靠此技术增强了核威慑,但导弹技术归根结底是一次性的,其发射成本高昂,限制了使用领域。但在此次新闻中,虽然飞行器具体布局“过于先进无法展示”,但明确提到了亚轨道飞行器经过简单的检测就完成了重复飞行,在两次“垂直起飞-水平降落”过程中均取得了圆满成功。这证明了我国在相关领域的技术已经非常成熟可靠,这对于每一次亚轨道任务的降本起到关键作用。

在较长的一段时间内,轰炸机的研发部署是我国空军的一个弱项,我国空军始终缺乏先进的轰炸机,直到目前依然装备着基于数十年前平台的轰-6K,有些不符合大国的形象。除了正在研发的亚音速隐身战略轰炸机外,亚轨道飞行器研发的持续进步,则给我国战略轰炸机的研发提供了另一个思路,避免被对方击落的原理既可以是雷达隐身,也可以是高空高速叠加充分的机动变轨,而20马赫的高速能够让它做到一小时内轰炸全球任何地点的目标。如达到足够的可复用性和载荷,那么亚轨道轰炸器也能够起到相同甚至更好的作用,威慑意义更大。

结语:

以20马赫的速度在卡门线边缘“打水漂”,做出复杂的机动动作,完成侦察或投送任务后还要飞行返回机场。从这个角度看,亚轨道飞行技术的难度是远高于飞机或飞船的。亚轨道飞行器的进一步研发,有助于我国更好建立“三位一体”战略威慑,更能够加速我国对高层空间的进一步开发,对于在大国竞争中夺取制高点有着非凡的意义。

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