发现·材料之美：碳纤维硬核的外表下 有着谜一样的柔情

10月21日，据国内最新发布的相关新闻报道，中国航天空气动力技术研究院（又称中国航天科技集团公司第十一研究院）下属的空气动力理论与应用研究所已圆满完成两级入轨高升力体空天飞行器的的高速风洞模型自由分离试验，两级上下并联的高升力体飞行器风洞模型成功实现分离，为未来国产某型两级入轨空天飞行器的研制成功提供了重要的技术保障。 从公布的相关视频和图片资料分析，该两级入轨高升力体并联飞行器风洞模型，明显是为了我国将来使用的天地往返可重复使用航天飞行器而研制的。而重复使用航天飞行器运输系统，将实现我国航天运输由一次性使用向重复使用的重大跨越，大幅提升我国进出空间的能力，为更有效和平利用宇宙空间提供更强大的技术支撑。本文则根据国内外的相关公开资料，对我国两级入轨并联高升力体空天飞行器的性能和指标做一背景介绍。实际上，早在20世纪中期，冯·布劳恩和我国的钱学森院士就共同提出了重复使用天地往返运输系统的概念。可重复使用天地往返运输系统是指：可以重复使用的、能够迅速穿越大气层、自由地往返于地球表面与太空之间的多用途航天器。然而目前我国使用的长征系列，开拓者系列，以及国外的大多数发射航天器的运载火箭都只能一次性使用，使用成本居高不下，发射周期较长，随着未来航天器的应用越来越普遍，人们对降低航天器发射成本的呼声越来越高。相对于一次性运载火箭，可重复使用的空天飞行器有以下几个特点：1、发射成本大幅度降低。由于空天飞行器的全部或部分部件可以重复使用，可以极大地减少搭载的航天器发射费用，只需担负后期维护费用。发射周期缩短。2、传统的一枚运载火箭，从研制到发射可能需要一年甚至几年的时间，而可重复使用运载器由于无需重新研制和生产，所以大大缩短了发射周期，一般而言，可重复使用空天飞行器可以在数周内实现再次发射，紧急情况下一个星期之内就能实现第二次发射升空入轨。3、能够更为灵活地完成任务。可重复使用的空天飞行器既可载物，作为运载工具，也可以乘员，作为天地往返的工具，它还可以做较长时间的在轨停留和空间机动。因此，它可以方便地为空间站予以补给、进行空间作业以及进行科学实验，最后安全地返回地面。然而，具有上述种种优点的可重复使用的空天飞行器的研制道路并不平坦，美国研制的航天飞机就是一个悲剧性的范例。1981年4月12日，美国“哥伦比亚”号航天飞机首飞成功，成功地突破了带翼飞行器高超声速返回的防热、制导导航控制以及重复使用火箭发动机等一系列技术难题，实现了天地往返运输系统的部分重复使用。航天飞机是世界重复使用空天飞行器发展史的第一个重要的里程碑。但航天飞机并没有实现降低发射费用的初衷，每次发射航天器使用成本比一次性运载火箭还要高，原计划1到2个月就可进行一次重复飞行也并没有实现。特别是由于可靠性技术不过关，数次机毁人亡的空中大爆炸最终彻底断送了其前途，而不得不全部退出现役，美国的宇航员现在只能依靠俄罗斯的联盟号一次性运载火箭进出国际空间站，可以说是一个绝大的讽刺。可重复使用空天飞行器的发展在国际上进入了低潮。近年来，随着美国X -37B无人可重复使用空天飞机、可多次使用的猎鹰-9型火箭的研制成功，从而再次鼓舞了各航天大国研发重复使用航天运输系统的激 情，掀开了人类重复使用航天运输系统发展历史上的新一页。我国从20世纪80年代就联合航天和航空工业部门，共同开展了小型航天飞机论证研究，虽然最终决定载人航天还是使用一次性使用的长征2F改进型火箭，但也没有放弃可重复使用航天运输技术的研究。经过近四十年的研究，已逐步形成了适合我国具体国情的重复使用航天飞行器的发展方案。尤其是“十二五”（2011至2015年）以来，我国在火箭构型重复使用、升力式火箭动力重复使用、组合动力重复使用等三种技术途径上，均取得了重要技术进展，为后续的工程研制及应用奠定了良好的技术基础。在可重复飞行器外形构型选择来看，由于高升力体布局没有机翼或具有很小的翼面，主要依靠其机身来产生飞行所需的升力，其底面一般较为平缓，上表面隆起，使得升力体具有很高的容积特性；同时由于结构简单、机身钝度较大，极大降低了飞行器防热难度和热防护系统附加质量。因此，高升力体布局逐渐成为天地往返运输及再入机动打击飞行器的重要选择。从本次公布的相关图片和视频来看，我国研制的两级入轨空天飞行器方案属于并联方式，即运载器和轨道器是并联在一起。采用陆基发射、垂直或水平起飞方式，当达到一定高度时，助推器与轨道器分离，助推器无动力滑翔返回，助推器经过返回段、能量管理段、着陆段后，最终完成水平着陆，而轨道器继续上升，进入地球低轨道，绕轨道运行并执行发射航天器或载人任务，至少可将2吨的有效载荷发射入轨，同时也可用于实现轨道或次轨道轰炸作战任务。完成任务后，轨道器无动力滑翔返回，同样经过再入段、能量管理段、着陆段后，水平着陆。该两级入轨空天飞行器将采用涡轮、火箭、冲压多种先进动力进行有机融合的组合动力方案，能在宽广的飞行包线内为飞行器提供所需动力。与美国的航天飞机相比，其发射使用成本具有明显的优势。目前国内已完成组合循环发动机原理考核试验，以机体/推进一体化为代表的关键技术具备一定的成熟度水平。两级入轨重复使用运载器的一、二级的分离点高度通常为25~30千米，分离点速度通常为6-10倍马赫数（音速）。 由于两级入轨空天飞行器一、二级都是高升力体、大升力面构型，且6-10倍马赫数分离时二者之间流场非常复杂，激波与边界层干扰严重，将会产生复杂的气动力热效应，从而影响两个飞行器运动姿态。因此两级如何快速安全分离，既是空气动力学研究的重要方向，也是可重复使用两级空天飞行器研制必须跨越的障碍，也为10年内实现轨道轰炸机作战能力的形成奠定了基础。此次试验较完美的模拟了了两级入轨空天飞行器安全分离边界，其试验结果与数值模拟结果基本一致，为未来我国可重复使用空天飞行器的发展又扫平了一个重要技术障碍。来源：小鹰说科技特别声明:公 众号部分文章和图片来源于网络，发布的目的在于传递更多信息及分享，并不代表本公 众号赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。版权归原作者所有，任何组织或个人对文章版权或内容的准确性存在疑议，请第一时间联系我们，我们会及时修改或删除。广告免责声明:为了公 众号稳定发展，本公众 号会不定时承接行业广告、产品推广、会议培训推广等广告展示方式有文章前/中/后以图片形式展示、软文展示、产品链接展示等。本公 众号只提供发布平台，对广告内容的真实性或有效性不做评价，请自行判别。所有广告内容及相关事项与本公 众号无关，特此声明。来源：碳纤维生产技术