09天外流星:高速飞行器
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09天外流星:高速飞行器

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因为带抽风机的涡轮发动机提供的速度有限,而天下武功又是唯快不破,所以在军事对抗上,大伙很快就在把注意力放在了高速飞行器上。


首先一个问题,飞机速度为啥用“马赫”表示?马赫它表示的是速度和音速的比值。马赫这个名字呢,其实是奥地利物理学家恩斯特·马赫(Ernst Mach,1838-1916)的名字,因为是他第一个引用了这个单位,所以后来大家就用他的名字来命名了。可以简答地理解为,多少马赫就是多少倍音速。


很多人不知道,马赫其实不是一个固定的数字。在空气稀薄的万米高空,音速是295m/s1马赫就是295m/s;在空气稠密的低空,音速则达到了340m/s1马赫就是340m/s;在没有空气的太空,声音无法传播,所以不能用马赫表示速度。


那为什么算个速度要这么折腾呢?咱们试着用几句话来解释一下:第一,飞机飞行和发动机运转,会产生很大的声音;第二,声音传播的本质是空气分子的振动波;第三,当声源的速度等于声波传输的速度,此时运动方向上的波峰波谷就会无限叠加;第四,这种无限叠加的振动波会导致空气被极度压缩,压力骤增;第五,空气中的水蒸气随后被液化成小水滴,也就是大家电视里常看到的围绕飞行器的白雾,并产生音爆;第六,超音速的瞬间,飞行器像是撞到了一堵用高密度空气筑成的墙上,这种由声波导致空气压缩产生的阻力,学名叫做激波阻力。


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激波阻力骤增骤降,非常考验飞行器的技术含量,而音速不是一个固定值,因此用马赫来表示大气层内飞行器的速度也就顺理成章了。


此外还有因空气摩擦产生的飞行阻力,这股力与空气的密度成正比,与速度的平方成正比,简单点说就是,速度增加一倍,阻力会变大四倍。


激波阻力和飞行阻力一叠加,麻烦大了!如果飞行器全程都在稠密的大气层内飞行,无论导弹还是飞机,速度能超过5马赫你就是半仙了!而即便撑到了5马赫,那也是拿燃料往发动机里灌出来的,你都能看到油箱里面有一个吸油产生的漩涡!能持续5分钟可就是真正的神仙了!


所以,5马赫,差不多是大气层内低空飞行器的极限,注意,这说的是全程都在低空大气层内飞行的速度极限,那些从高空回来的飞行器超过5马赫速度倒也是很正常的。因此,用大气层内的武器去拦截5马赫以上的机动目标,成功与否主要取决于祖坟是否冒青烟。


对飞行器来说,空气可真不是个好东西!于是,人们就把主意打到了外太空。


“太空没有重力,轻轻一推就能飞很远?”


大多小盆友一直认为太空没有重力,这让九年义务教育外加三年高中情何以堪!


太空只是没有空气而已,近地轨道的重力和地面差不了多少。失重不是失去重力的意思,而是指飞行器绕地球转圈产生的向心力(俗称离心力)与地球引力相等,这应该不难理解,高中毕过业的你一定能听懂。


所以呢,所谓的太空飞行,实际上就是靠惯性一直在天上飘着,路线是死死的。眼下得人类是不可能在太空实现自由翱翔的,因为这需要海量燃料,多到根本飞不起来。光是把飞行器加速到第一宇宙速度的7.9公里每秒,几十上百吨的燃料就没了,如果还想在太空掉个头,就只能请佛祖帮忙了。


举个例子。在大气层内飞行,只要动动机翼,就能来个直角转弯。太空的直角拐弯怎么做呢?飞行器要开启反向发动机,把竖直方向的速度从7.9km/s降到0,与此同时开启横向发动机,把横向速度从0加速到7.9km/s。速度慢一点不行吗?当然可以,但是底下还得开个发动机托着,不然绕圈离心力不足以抵消地球引力,飞行器就会掉下来。


再把这中学知识给那些大学毕业生强调一遍:在太空是没法悬停的,你能做的只有飞速绕地球转圈,让离心力去抵消重力。


所以,速度固然可以飙得很快,可一旦想转弯或减速,你还是会超级怀念空气了。


对于飞行器来讲,赶路的时候最好没有空气,滞空或拐弯的时候最好有空气。哪里能实现这个要求呢?还真有,那里就是大气层边缘,在这里飞行的飞行器,学名叫做临近空间飞行器,简称临空飞行器,因为这货速度通常超过5马赫,所以也可以叫超高速飞行器。


这有啥好处呢?标题党老拿速度说事,这仅仅是速度的事儿吗?


你以为单纯的超高速飞行很稀罕吗?洲际导弹速度达到几十马赫它骄傲了吗!临空飞行了不起吗?一枚低配版的火箭就可以太空旅游了,知道吗!所以无论按速度还是按高度算,高速飞行器拍马也追不上弹道导弹。


这肯定有点不妥啊,是哪里不对劲呢?


如果不懂点中段反导的常识,就不明白高速飞行器的意义。


下面简单总结下反导的内容:


洲际弹道导弹可以看成一门大号火炮,弹头加速就刚开始的几分钟而已,剩下80%的时间,弹头是处于无动力滑行状态的,最后靠自由落体砸向目标。


反导拦截弹也是一门大号火炮,同样无法在太空自由翱翔,到了太空也是靠惯性飘过去,虽然也会带着小型的调姿发动机,其末端轨道修正能力也不会超过几公里。


如果不是提前约好地点,两门隔着上千公里的大炮想在太空相遇,这缘分怕是八辈子都修不来。所以,反导的前提是计算来袭弹头的轨道,能计算轨道的前提是弹头必须无动力滑行,这就是中段反导的基本原理。


所以,作为弹头若是这么傻傻地飘过去,被拦截的概率还是不小的,后来洲际导弹就动了很多脑筋,变轨啊、诱饵弹啊、制冷啊、铝箔干扰啊……总之,两者在中段飞行时的较量是非常激烈的。


可是,弹头一旦重返大气层,就基本无解了。大气层内的拦截弹撑死5马赫,十几马赫的弹头稍微拐个弯,拦截弹马上甩没影,几秒钟后,蘑菇弹就送家门口了。


有的同学这里会有疑问,既然拦截是迎头碰撞,为啥还要比谁速度快,我站着不动你都会撞上来啊?哈哈,我来举个例子,来袭弹头10马赫,拦截弹4马赫,两者相距5公里,约1秒后相撞。此时弹头来个末端机动,横向移个百十来米,你4马赫的小短腿跟得上不?更别说你站着不动了。


所以大气层内的防空主要针对低速目标,诸如飞机、巡航导弹之类,对付洲际导弹,和徒手接子弹的难度差不多。


看到这,大家能不能悟出点啥?如果弹头能够跨过中段飞行,直接进入末端,带着10马赫的淫威重返大气层,面对不到5马赫的拦截弹,此时响起的背景音乐肯定是:无敌是多么……多么寂寞……咳咳


还是用数字说得明白一点。


假设,在2000公里外、50公里高的大气层边缘,发现一架高速飞行器以10马赫速度飘过来,该怎么办?


首先,发射一颗足够射程的中段反导拦截弹!前面说了,中段反导是一门大号火炮,这家伙助推完成大约只飞出一两百公里,剩下的一千多公里靠惯性飘过去。拦截弹为了飙速度赶时间,也为了拦截瞬间的灵活性,不可能带很多燃料,因此变轨距离非常有限。


早些年,被誉为黑科技的美帝“标准3”中段反导拦截弹,末端变轨能力也才3千米出头,也就是说,这枚拦截弹飘到一千多公里外,与目标的偏差不能超过3公里。3公里啊,这点距离在太空算啥!高速飞行器的方向盘抖一抖,就能轻松甩开这3公里!


若中段拦截失败,等高速飞行器近了,再发射末端高空拦截弹,比如萨德!萨德从地面往上飞,不爬到几十公里高,速度是上不来的,而高速飞行器居高临下,两者极限速度又差不多,绕个圈,把萨德燃料耗完,事情也就了了。飞到目标区域后,以10马赫的速度丢下弹头,然后返航。



到最后弹头飞下来,用近防炮、密集阵拦截,只是图个心理安慰!这些玩意儿的射程大约2~3公里,对弹头来说,不到1秒就飞完了,何况,茶叶蛋一般在空中引爆,留给近防炮的时间不会超过0.5秒,所以肯定是指望不上的。哦,对了,近防炮的炮弹初速度一般只有3马赫左右。


现在大家明白了吧,拥有导弹的速度和飞机的机动性,咱么无论是去扔炸药,还是送茶叶蛋,那画面,就跟开着轰炸机回古代轰炸战斗原始人差不多。也正是拥有这种非同寻常的意义,我等吃瓜群众才日思夜想望眼欲穿呐!




美帝的黑鸟SR71,是史上最接近该场景的实例。


这货巡航速度超过3马赫,飞行高度20公里以上,甩开同时代的防空导弹就像呼吸一样自然,妥妥的纵横天空三十载!“天下武功唯快不破”的最真实写照!


不过,开挂并不是一件轻松的事,即便是美帝。对于快如闪电的黑鸟来说,也遭了不少罪,拐弯拐得太急都容易散架,更别提复杂的战斗动作了。所以黑鸟只是一架直来直去的侦察机,威慑力大减!即便只是侦察,32架黑鸟虽无一被击落,但自个儿摔了12架,这摔机自毁比例,印度三哥都惊呼内行!


再后来么,3马赫没法包打天下,黑鸟便只能退役了。



仅达到3马赫的黑鸟都摔成这样,大家就知道这事,肯定不简单。所以高速飞行器作为一个新物种,没有以下三把刷子镇不住偌大的名头。


第一把刷子,超燃冲压发动机


上一篇咱们说了,想要飞的快,就得燃料倒的多,燃料一多,空气就不够烧了。航空发动机的解决思路是装一台抽气机。抽气机转太快叶片是要散架的,卯足了劲抽的空气,最多只能供发动机飞到两三个马赫。


还能快点吗?


能!当速度超过3马赫,迎面吹来的空气经过进气道,自己压缩自己就足够燃烧了,这就是冲压发动机的概念。但是悲剧的是,火焰燃烧他是有传播速度的,如果风速太快,火焰传播的速度追不上风速,火焰就会被吹散。为此,超过3马赫的空气要降为亚音速才能进入发动机的燃烧室,这一降速,塞进发动机的空气也就有了上限,导致飞行器速度快不过6马赫。这类在3-6马赫之间的发动机就叫亚燃冲压发动机。


还能更快点吗?


更快的速度意味着更多的空气,为了塞更多空气,就只能任由超音速空气进入燃烧室,现在主角终于来了:他就是超燃冲压发动机。核心就一句话:在超音速空气中实现点火并稳定燃烧,这需要巧妙的设计和优异的材料。


不算已作古的毛子,美帝在这块一骑绝尘。早在十多年前,X-43就实打实试飞了多次,速度几乎飙到了10马赫,不过每次只能持续10秒钟,让人有点绝望。后来美帝改玩6马赫的X-51,动力飞行达到了300秒,算是看到了一点实用的希望。


中国紧赶慢赶,2015年破了6马赫的速度,美帝算是终于有个伴了。2018年底,中国航天 空气动力技术 研究院 实现了5毫秒内在3000米每秒的空气中,对氢燃料进行点火,这俩参数都是超燃冲压发动机突破10马赫的关键。当然,这只是在风中点火而已,不比人家美帝实打实的飞行试验。2020年中国科学院力学研究所的“站立式斜爆轰冲压发动机”理论上能够达到音速的十六倍,不过也仅仅是进行了风动验证,要实现实用仍旧是任重道远。


对于超燃冲压发动机来说,6马赫只是门槛,10马赫也不是梦想,过了15马赫就比较乏力了,理论极限大约25马赫。


那么,还能再快点吗?


再快就往航天上去了。航天发动机的解决思路是自带氧化剂,也就没空气啥事了,他速度贼快,但行头无比庞大,掉头是不可能的,做的是有去无回的打算。这就是大伙熟悉的火箭发动机。


总结一下,涡轮发动机在3马赫以下混,亚燃冲压发动机在3-6马赫混,超燃冲压发动机在6马赫以上混。


冲压发动机是不能慢的,不然迎面吹来的空气不够烧,于是就有人想到了组合式发动机。前面提到的黑鸟,就是涡轮发动机和冲压发动机的组合发动机,这已经是美帝几十年前的产物了,就问你服不服。


高速飞行器,光快是不行的,还得要第二把刷子,那就是热防护。


稀薄的空气,阻力虽小,同时却也不利于飞行器散热,10马赫的飞行器表面达到上千度也不稀奇。黑鸟在飞行时,因热胀冷缩,机体会增加30厘米,而机内的零部件却并不会跟着变长,你想想,光这一点,就得带来多大麻烦!


不过,热防护是个挺无聊的话题,就此别过吧。


直接说高速飞行器的第三把刷子,气动外形


这个比较有意思,咱们得好好说道说道。


空气和水都属于流体,在流体中运动,外形的重要性,远超外形在恋爱中的重要性,这事归“流体力学”管。飞行控制和外形是一同回事,都属于流体力学的范畴。


如果你指望用计算去对付流体力学,那最终都会败在老师傅的经验下,正如你无论用什么技术折出两架纸飞机,都不可能扔出一模一样的飞行轨迹。


这里斗胆放个妄言,在我看来,流体力学和中医颇有几分神似,因为流体力学的公式经常用到一个东西,叫“经验系数”,这就非常符合咱们的传统习惯,那就是:我觉得这样差不多了。


中国在这方面的造诣可谓登峰造极,而钱学森更是堪称开挂级人物。当然,经验系数也是靠实验数据堆出来的,钱学森更不是掐指摇扇的算命先生。钱学森的贡献并不只是空气动力学,他的代表作是《工程控制论》,对中国整个工业化体系的建立意义非凡。


论贡献和不可替代性,在建国后的中国科学家里,钱学森算顶级中的顶级。另外,研究外形的钱学森其本人的外形也是相当不错哟!


因为流体力学有大量的经验系数,所以需要积累大量经验,这主要靠两个手段,一是真刀真枪的飞行实验,二就是风洞实验。


超高速的风洞实验,持续时间是用毫秒算的,获取的信息非常有限,没法和实际飞行相比,而飞行实验,烧的可不是油,而是钱。两者各有所长,各有所短。


美帝尽管风洞不弱,但人家当年仗着钱多,就想一步到位,直接玩飞行试验,没想到这钱烧的比油还快,没几年就收敛了不少。飞行实验获得的都是宝贵的实测数据,可毕竟数量太少,经验不够就凑不出经验系数。


从漫天飞舞的消息看,美帝的玩法通常是装上发动机猛踩油门,直接飚速度,有点像黑鸟的升级版,然后到处喊着1小时全球打击。没办法,谁让人家发动机牛逼呢!


太空飙车,省油比速度重要,速度过了10马赫就完全够用了,再快都是浪费,但航程永远不嫌多,要形成威慑力,少说也是几千公里起步。


如果像黑鸟那样,单纯靠冲压发动机的蛮力,推着飞行器在大气层边缘狂飙数千公里,来去自如,几乎是一件不可能的事。


摸着石头过河,不如摸着美帝过河,黑鸟的路线眼看是走不通了。省油还得找窍门,窍门主要在外形,外形依然靠经验。


中国因为当年穷,狠命发展风洞,一不小心把高速风洞玩到了独步武林的级别,风洞实验还算省钱,所以我们积累了非常丰富的数据。于是,钱学森就开了一挂,说道,可以在大气层边缘走“助推-滑翔”弹道,也就是大伙熟知的“打水漂”。


原先一直以为这个比喻很形象,最近做了些功课,发现自己还是肤浅了。如果你知道了Sanger弹道,就会认为把钱学森弹道比喻成“冲浪”更合理,而“打水漂”这个比喻咱们还是送给Sanger吧。


二战时,小胡子想炸美帝,于是德国人Sanger提出了一种前无古人的飞行器方案:飞行器重返大气层后,利用小型发动机和气动外形拐弯,再度飞出大气层,如此往复,以增加射程。后来这一方案被美帝缴获,然后被美国陆军航空兵上校钱学森看到了。是的,钱学森当年在美军里地位可不低。钱学森认为只要热防护技术过关,飞行器完全可以在特定高度滑翔,根本不需要像Sanger弹道那么折腾,于是就提出了著名的钱学森弹道。


钱学森弹道简单来说,就是把大气层看成水面,飞行器像冲浪一样在上面滑翔。对比弹道导弹,好处有三:一,避免弹道被敌方计算;其二,大幅度提高航程;其三,可利用气动外形实施机动。


因为高速飞行器和蘑菇蛋攀得上关系,这保密级别你懂的。


从国庆阅兵的东风17,到半遮半掩的东风26,还有大方示人的歼2020,无不透露着兔子在气动外形领域的深厚功底,这可能是兔子为数不多的能稳稳压过美帝的主流技能了。


咱们虽然经常嘲笑阿三,调侃毛子,逗逗欧萌,但是,我们从不看扁美帝。当年瑞典的鹰狮战机采用和歼20一样的鸭式布局,飞控和气动布局没过关,飞机直接拍地上,请美帝帮忙,美帝一出手就解决了问题。后来美帝觉得发动机才是王道,一直就没把气动当回事,如今就落了下风。若是中国把钱学森弹道这条路趟出来了,实际上可能已经趟出来了,美帝未必不能赶上来。


流体力学严格的说,只能算经验学,那这玩意儿靠谱吗?


这么和你说吧,物理学家已经能把氢原子的状态用方程表示出来,称为状态方程,解出这个方程,就能得到氢原子的状态。


1个氢原子的状态方程,计算难度大约是课后习题的水平。


两个氢原子待一起相互影响,状态方程就复杂多了,不是学霸解不了。


3个氢原子的状态方程,值得成立一个课题组,来研究如何精确解。


10个氢原子的状态方程,谁能精确解出来,诺贝尔奖也是能指望的。


100个氢原子的状态方程,任谁都得跪。


什么意思呢?哪怕只有100个氢原子组成的系统,人类目前也无法精确计算其状态。要知道,氢原子可是只有一个质子,是最简单的原子,如果再把氧原子也放进来,那咱们是连计算的念头都不会有。


所以,别以为现代科技有多了不起,在空气动力学领域,我们连原子状态方程都没必要写了,直接靠实验攒经验值。


科学,有时候无奈得只能靠经验。

4条评论

  • 1383078bsaw

    请教为什么热防护很无聊啊
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    2022-02-14 10:10
  • 樱钞姬

    哈哈,把兔子的气动家底说了个大概,钱学森弹道的说明算是改变了我多年的误解,是不是泄密呢? 哈哈
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    2021-07-30 09:19
  • 闷闷_46

    4分55秒左右的“离心力抵消地球引力”这里,是有错误吧?一是前面已经提过是向心力抵消了地球引力,二是离心力是一个假象力根本不存在的呀?
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    2021-09-23 04:46
  • 神的90亿个名字

    可以的
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    2021-08-24 13:20