高超音速腾云工程进展顺利:一二级分离测试!斜爆震发动机达9马赫

日前央视公开了我国最高速度可达10千米/秒的JF-22风洞，很多媒体都解读这是全球第一，领先西方至少20年云云，但笔者全看到了一个完全不一样前景，我国在2016年时吹过最狂妄的牛正在渐渐实现：2030年前二级入轨的腾云工程进展非常顺利！

何为腾云工程？水平起飞，直接进入近地轨道

新华网曾于2016年9月13日报道，中国航天科工集团公司副总经理刘石泉日前在武汉举行的第二届商业航天高峰论坛上首次披露了“腾云工程”的“空天飞机”计划，这是一种可以重复执行航天发射任务的一二级结构飞行器，它的飞行过程是这样的：

• 1、一级飞行器驼着二级从地面机场水平起飞，在大气层中加速爬升；
• 2、到达30至40千米高度时一二级分离，一级飞行器水平返回并着陆机场；
• 3、二级继续爬升进入近地轨道，完成运输任务后再入大气返回，等待二次使用；

这种二级入轨结构全部可以回收使用，并且在稠密大气层内飞行时可以直接使用大气中的氧化剂，免去了携带大量氧化剂的空间与重量，节约出的重量可以增加载荷，载荷系数会大幅增加。

比起一级入轨的飞行器来看，二级入轨少了在30~40千米以上的要携带的一级死重，因为到达这个高度以后吸气式的动力设备已经不能使用，脱离后返回，直接由二级单独入轨更具成本优势。并且一二级全部回收，剩下的成本只是燃料费用，能以数量级成本下降的优势代替未来的火箭发射。

但这种发射方式却存在两个相当大的难题，一个就是一二级的分离，在极高超音速下分离子级简直就是一项地狱级任务；另一个就是用什么发动机将这台飞行器推进到30~40千米高空呢？而且还得是7~10倍音速？

一二级分离测试：到底有多难？

在央视新闻7月16日报道的视频有两个片段着重介绍了分离，第一个是在风洞中的分离的场景，笔者已经截图并制作了GIF图，各位可以仔细感受下极高超音速下分离的过程：

从画面中大家能看出分离前一级飞行器已经在高超音速的激波热效应下尖端已经达到了很高的温度，并且还在不断冒出火花，而二级正要从这个尖端滑出并进入高超音速的气流中。

很多朋友应该不是很明白如此简单的过程为何要在风洞中反复试验？将二级加速飞离一级不就结了吗？但事实上这个过程非常复杂，我们先来看看一级和二级的规模，一级的机身长度超过80米，总重量高达140多吨，分离时飞行高度在3万米以上，速度这超过7马赫。

超音速飞行器形成的激波

在极高超音速条件下的空气动力过程非常复杂，第一个就是高超音速下形成的激波，这是飞行器速度超过音速时形成的一种强压缩波，当飞行器穿越另一个飞行器形成的激波过程是非常复杂的，必须要多次试验才能找到最佳分离方式：

但分离并不是总是在理想的情况下进行，比如正常分离在30~40千米高度，速度超过7马赫！但要是非正常分离呢？比如分离失败，速度更高，高度也更高，此时应该怎么办？所以必须要风洞里吹个明白，得有应急预案不是吗？

另外要是出现了意外情况需要紧急抛离二级又该如何处理？此时的速度和高度都没有到分离要求，速度更低，高度也更低，在稠密大气层中分离又会是怎样的结果，所以按科学家的要求，必须在各种速度下都能成功分离的方案才可能会被腾云工程选中。

什么样的结构能处理如此高速分离？

腾云工程的实在非常有前景，笔者也天马行空的想象了腾云工程的分离方式！大家应该都见过航天飞机的运输方式吧，也就是用一架大型运输机背驮式运输航天飞机，中间用高强度连接杆，腾云工程也可以直接参考，在内部安装几枚爆炸螺栓即可，等到分离时啪啪啪炸了即可，是不是很完美？

但在7月16日的央视报道中却完全不是这种结构，笔者认为这种最佳方式却似乎完全不能使用，下图就是分离结构，各位想到了吗？

居然是导轨分离，很快笔者就想明白了，如果采用航天飞机这种有很大距离（1-2米）的连接再用爆炸螺栓的话，作为抛弃式分离没有问题，因为可以不考虑一级的姿态让其翻滚远离一级，一点毛病都没有！

但问题是一级要返回地面回收，所以这种分离的风险就太大了。因为此时两级都需要控制姿态不至于相撞，难度实在太高，而用导轨式就没问题了，二级沿着导轨与一级渐渐分离，并且还有“穿透”一级的激波并形成自己激波的过程，两者分离比较平稳，基本上能在各种速度下平稳分离，笔者猜测，不同速度下二级分离应该也要考虑不同速度，这个可操作性很高。

动力单元：斜爆震、TRRE？还是协同吸气火箭发动机？

动力单元室腾云工程中最最关键的部分，原因也挺简单的，因为需要有一种发动机能从零速度推进到7~10马赫，目前除了火箭外还没有任何一种成熟的动力，但科学家研究二级入轨的腾云工程明显就不打算用火箭！

驻定爆轰的斜爆震发动机：稳定工作7马赫，

在这篇介绍JF-22风洞的整体报道中，还有几个露面不多却极其惊人的镜头，比如笔者在下面截取的几个镜头说的就是一种极其先进的航空发动机：驻定斜爆震发动机

截图中有几个相当有信息含量的参数：斜爆震、9马赫和RP-3煤油，相信很多朋友都不知道这几个说法代表什么意义，下文笔者就试图以最简单的语言解释下这个说法背后的意义。

爆震发动机与斜爆震发动机

目前的涡喷、涡扇以及超燃冲压以及各种组合发动机甚至火箭使用的稳定燃烧过程，这种过程我们可以用等压燃烧来理解，它的原理是将混合了燃料和氧化剂的混合物点燃后不断维持燃烧，并维持大致恒定的压力，所以叫做等压燃烧。

这种燃烧方式火焰稳定，但却有一个很大的缺点，内部燃烧传播速度为亚音速，而且压力受到发动机燃烧室结构影响无法提高，因此等压燃烧有一个毛病就是效率不高，而且空燃比中的燃料浓度范围比较窄，耗油率比较大。

而爆震发动机则是等压燃烧，它的原理更简单，即混合了氧化剂和燃料的混合物在爆炸浓度范围内点燃，内部燃烧传递速度为超音速，一般传播速度可达5~6马赫，这种燃烧方式的优点时空燃比很低，非常省油，效率极高；但有一个致命缺点是推重比与爆震频率直接相关。

因此目前成熟的脉冲爆震发动机往往是频率不太足，现在突破方向集中在旋转爆震，这种发动机使用环形燃烧室，爆震频率可控，小型爆震发动机已经进入了实用阶段，但大型爆震发动机仍然在研制中。

旋转爆震也存在一个问题，低速提速慢，高速受到进气道影响无法无限制提高速度，但斜爆震发动机不存在这个问题，最高速度可达14马赫以上，它的原理是激波驻定爆轰，估计很多朋友都无法理解这个名词：

请注意代表激波的红色线条

首先我们必须要理解下激波是一种压缩波，穿过激波的气流会受到压缩，而在斜爆震发动机的进气道设计结构中存在一个倾斜结构，这个结构会让激波反射逐渐变得紧密，而进入进气道的气流在穿过这些激波时会被不断压缩，直至产生极高的温度。

此时在进气道中掺混燃料，让其均匀和气流混合，在被激波压缩到燃点时就会被点燃，或者使用火焰稳定器点燃也是可以的，每次点燃混合了燃料的混合物都会发生一次小型爆炸做过程，此时因为爆轰波的影响会改变激波，但随着排气这个激波又会恢复的爆炸前的形态，一直会在相同的位置出现，所以才叫做驻定爆轰的斜爆震发动机。

斜爆轰波流场结构的突变

注：驻定斜爆轰、驻定斜爆震、驻定爆轰斜爆震，其实指的都是同一种发动机，央视公开的名称为驻定斜爆轰发动机，各位还是用这个说法更合适。

9马赫还用RP-3航空煤油

熟悉超燃冲压发动机的朋友一定都知道，超燃冲压发动机很难超过7马赫，因为煤油在这种情况下无法稳定燃烧，速度再高，比如9~10马赫的超燃，用的一定是氢燃料，但氢这种东西不好保存，所以局限性太大。

但这次央视公开的斜爆震发动机直接就稳定工作在了9马赫左右，这是一个相当了不起的成就，航空煤油的能量密度高，非常容易保存，而且成本很低，这才是发动机理想的燃料！而另一个比较理想的效果是斜爆震的速度适应性非常好：

超燃冲压速度适应不太好是因为速度增加后激波压缩的环境也改变，最佳点燃区间会变化，一旦超出燃烧室或者点燃时压力超过激波压缩的压力，就会造成熄火或者不稳定燃烧。

但斜爆震却没有特别严重的问题，因为调整斜爆震的倾斜板角度即可调整激波位置，根据不同速度调整不同角度即可，这比固定的超燃冲压进气道要好太多了。所以从理论上来看，斜爆震发动机可以稳定工作在7~14马赫的区间，这是滑翔高超音速的区间，一直以来都是吸气式高超难以企及的速度，现在有了斜爆震，未来实现也就有了可能。

除了斜爆震还有哪些发动机堪当大任？

驻定斜爆轰其实并不是没有问题，它最大的问题是启动速度太高，目前大约需要6~7马赫才能启动这种牛逼的发动机，所以存在很大的局限性。目前主流的吸气式高超音速发动机主要有如下几种：

1. 脉冲爆震发动机；
2. 旋转爆震发动机；
3. 超燃冲压发动机；
4. 涡轮冲压组合发动机（TBCC）；
5. 火箭冲压组合发动机（RBCC）；
6. 空气涡轮火箭/冲压发动机（ATR）;
7. 协同吸气式发动机（SABRE）；
8. 涡轮辅助火箭增强冲压发动机（TRRE）

这几种发动机中，旋转爆震、协同吸气式发动机SABRE和涡轮辅助火箭增强冲压发动机TRRE这三类发动机比较有前途，各位一定很好奇，为什么超燃冲压不在里面？

其实原因很简单，超燃冲压有个推力陷阱，在4~5马赫时工作不稳定，在导弹这些武器中可以用火箭直接跨越这个速度区间，但大型飞行器很难做到这一点。

• 旋转爆震发动机可以零速度启动，也可以不存在推力陷阱，这种发动机目前成熟度是比较高的；
• 协同吸气式发动机SABRE也是一个不错的选择，这种是吸入空气并预冷压缩后作为火箭的氧化剂，可以实现单级入轨；
• 涡轮辅助火箭增强冲压发动机TRRE使用火箭助推稳定超燃冲压发动机的推力陷阱期间稳定燃烧的问题，这也是比较有前途的一种发动机。

斜爆震可以与TRRE组合形成大气层内碳氢燃料在14马赫以上的极高超音速飞行，SABRE其实性能相当不错，只是结构有点复杂，相对而言，斜爆震与TRRE的结构要比SABRE简单得多。

延伸阅读：JF-22的30马赫，到底有啥用？

很多朋友认为JF-22能达到30马赫的速度都觉得非常了不起，但对于人家问为什么要在大气层内飞行超过30马赫却一时语噻，确实有点想不明白，大气层内速度只要超过25马赫以上就能直接进入近地轨道了，为什么还要那么快？

可能这些朋友都理解错了，在大气层内飞行超过30马赫并不是不可能的问题，也不是达到个速度就一定要入轨，完全可以高速飞行不入轨，毕竟是可控动力飞行嘛。

而另一个问题则是从月球、火星等天体的载人飞船以及无人探测器返回时其速度就是接近第二宇宙速度，也就超过10.8千米/秒，要模拟这种极端高超音速下的气动效果，只能使用JF-22风洞来模拟。