中国航天科技集团公司,8月3日我国在西北某靶场成功发射乘波体高超音速飞行器星空-2,什么是乘波体?


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据中国航天科技集团公司空气动力技术研究院的消息 ,2018年8月3日06点41分,由中国航天科技集团公司空气动力技术研究院研制的高超音速飞行器系统星空-2火箭在西北某靶场成功发射,在经过近10分钟飞行试验,火箭完成主动段程序转弯、抛整流罩、级间分离、释放高超试飞器自主飞行、飞行器弹道大机动转弯等试验程序,最终按预定弹道进入落区。

“乘波体”指的就是一种外形成流线型,其所有的前缘,都具有浮体激波特征的飞行器气动外形(百度的解释是因为乘波体飞行时其前缘平面与激波上表面重合,就象骑在激波的波面上,依靠激波的压力产生升力,所以叫“乘波体”,比喻的很形象)。

它主要用在需要高升阻比和强机动的高声速和超高声速飞行器上,因为它的设计与常规的先有外形决定三维流场再去求解的方法相反,是先有三维流场,再推导出外型,其在高马赫数下具有较的高升阻比,特别是对于马赫数>5的高超声速飞行器来说,它的最大优点就是低阻力、高升力、高升阻比。

因为其上表面没有流程干扰,没有流线型偏转,空气激波被限制在乘波体的前缘,所以可以防止下表面的高压气流“漏到”上表面,这个特点,就使得乘波体飞行器具有很高的升阻比特征。

并且,乘波体外形在偏离设计条件下,仍能保持有利气动性能。

乘波体飞行器的动力一般为“超燃冲压发动机+火箭发动机”、“涡轮喷气发动机+冲压喷气(超燃冲压)发动机+火箭发动机”的组合动力方式,但目前超然冲压发动机在技术上还存在很多难题,比如美国的X-51A“驭波者”,采用的就是“超燃冲压发动机+火箭发动机”的模式,但是其超燃冲压发动机点火时间太短,纯属于一种技术验证“武器”,可以看作美国空军“高速打击武器项目”的基础(HSSW)。

而这次航天科技集团的“星空-2”,采用的发动机组合方式可能相对来说更简单一些,毕竟它是有某火箭直接作为助推系统直接送去预定轨道的,而不是像“X51-A”那样先有B-52挂载升空、投放,再点燃火箭发动机推动的。
图注:美国的X-51A“驭波者”
,其是在飞机上升到一定高度后投放的,先点燃火箭发动机,再点燃超燃冲压发动机。

其实国内对“乘波体”的研究非常之早,要比这次“星空2”项目披露的“航天科技集团空气动力技术研究院”的研究早的多的多。
“星空2”可以看作是这些研究中的一个工程化方案,但是“星空2”具体怎样?那就要看以后的官方披露了。

乘波体又称乘波构型,乘波构型主要依靠激波的压力来产生升力,这种构型多为临近空间高超声速飞行器所采用。超音速飞行器因为要在临近空间内实现长时间高超声速远程飞行,所以设计上要求其必须采用旋成体或升力体或乘波体外形特征来提高升阻比,乘波构型的飞行器在特点上不仅升阻比高,而且在高马赫数下的气动性能也非常好,采用乘波体设计的飞行器的气动外形也可以和动力系统进行高度整合,因为乘波体的下激波可提升发动机的进气压力;当下激波在飞行器的发动机尾部形成等效的扩散喷口,就可以进一步增加超声速的气流。当然实用化的乘波体飞行器不仅要在高升阻比方面考虑,还需要在热防护以及容积率等多个方面进行优化。

X-51A


锆石

采用乘波体设计的高超声速飞行器不仅可以用于航天领域的高效天地往返,而且还能用于军事层面的精确快速打击。美国在1995年就推出了本国的高超声速技术发展计划——“HyTech计划”,该计划主要针对超燃冲压发动机进行研究;次年,美国又推出ARRMD计划,即“高超声速导弹验证”计划,目标主要是让海空军开发一种射程850~1300千米,速度6~8马赫的高超声速导弹,1998年,美国国防部高级研究计划局和波音公司对海空军提出的两种方案进行认证,最后美国海军的“轴对称构型+双燃烧室超燃冲压发动机”方案败给了美国空军提出的“乘波体构型+双模超燃冲压发动机”方案。不过由于超燃冲压发动机的研发进度受阻,到了2001年,美国的海空军又被要求各玩各的,于是空军开了一个HySET计划,海军开了一个HyFly计划。

乘波构型飞行器其所有的前缘都具有附体激波



新型曲外锥乘波前体进气道(CCWI)的一体化设计方法

到了2003年,美国空军研究实验室重新启动了一个名为SED-WR“超燃冲压发动机验证器-乘波体”的计划,这个研发计划最终于2005年诞生了一款名为X-51A的高超声速飞行器,X-51A分别在2010年5月26日、2011年6月13日、2012年8月15日以及2013年5月1日进行过四次飞行测试,不过仅有第四次才成功,目前也停止了项目。除了X-51A,美国的HTV-2、俄罗斯的锆石以及美国和澳大利亚联合研发的HyShot V都属于乘波构型高超声速飞行器,HTV-2在经过两次失败测试后已经搁置;俄罗斯的锆石也是经过多次失败后才在2016年取得首次成功试射,不过目前还没有装备;相比于上述的,HyShot V在2016年和2017年的两次测试都取得了圆满成功,我国的星空-2虽然属于后起之秀,但是其潜在的威力不容小觑。
HTV-2

HyShot V


星空-2