“祥瑞”来了，中国再次迈入她忠诚的星辰大海

2023-05-09 15:05

酷玩实验室作品
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乌鸦校尉经授权转载

8日早上，一则消息吸引了我的注意力：“我国在酒泉卫星发射中心成功发射的可重复使用试验航天器，在轨飞行276天后，于5月8日成功返回预定着陆场。”

这则消息让我想起了2020年的一则旧闻，当时中国科学院院士、航天科技集团科技委主任包为民在接受央视采访的时候说：到2045年······（中国航天发射）能够按需发射，我们每年发射的次数，从现在的几十次，达到成百上千次，运货总的运载能力可以达到万吨级，运客可以达到万人次。

这一则采访背后是我国超越空叉（SpaceX）乃至反超整个美国航天事业，将人类文明带到新的宇宙高度的雄心。

而这一切一切，都要落在今天回到地面上的小航天器和它背后的巨大计划上。

这次降落的可复用飞行器，英文缩写是CSSHQ，是我国在2022年8月发射的。这也是我国这类可复用航天器的第二次发射。

而它的第一次发射是在2020年 9 月 6 日，发射两天后它降落到了中国原子弹第一次爆炸的地方——新疆马兰基地。

9月7日美国商业卫星侦察公司Planet Labs发布了卫星照片，由此世人得以对我国第一架可复用航天器惊鸿一瞥。

根据飞羽社对于相关公开资料的总结和估算，CSSHQ的外形与美国的X-37B类似，尺寸明显大于美国的X-37B。

有人可能会说，这个有什么了不起，美国人航天飞机都退役了，X-37B都在天上好几年了。CSSHQ这个普普通通的航天飞机缩小版凭什么超越航天飞机，超越星舰成为未来人类航天的希望呢？

确实，在飞行中只验证了几次大速度增量点火变轨、释放小卫星、太空编队飞行等技术的CSSHQ距离X-37B还有一点距离。

但是我们的可复用航天器背后的计划——腾云工程，走的是一条美国需要用他们的上限追赶我们下限的路线——空天飞机。

长期以来，全世界科学家都在希望实现低成本进入太空。

而实现这个目标的方式一般有三条：第一条是马斯克率先实现的火箭一级乃至二级的可复用；第二条是制造完成空天飞机，让航天器像飞机一样在跑道上起飞进入太空然后降落；第三条路是太空电梯。

在冷战期间，苏联和美国都推进了相关方案的试飞，各自也都发展出了各种验证机和航天飞机。

但是航天飞机并不是空天飞机。

由于无法实现大气层内高超音速飞行，所以航天飞机不得不使用火箭把它推上太空而不是直接飞上太空。而返回的时候航天飞机还不能在大气层内进行大过载机动。事实证明，航天飞机不仅很难实现航班化航天梦想，其成本甚至远高于普通火箭发射。

根据美国在2008年的评估，如果将所有设计和维护成本都考虑在内，航天飞机计划的最终成本每次发射 15 亿美元，或每公斤 60,000 美元。这可是2008年的美元啊，比现在值钱多了。

所以美国人放弃了航天飞机。

同时在2010年代的前五年，美国人由于始终无法攻克高超音速飞行器的耐热等问题，冻结了相关技术的发展。

但这个时候，我们并没有放弃高超音速和空天飞机。

最近这十多年，我们天空常常出现“祥瑞”。

其中的一部分就是我们高超音速飞行器进行实验的航迹。

正是在这一道道“祥瑞”中，我们实现了对美国在高超音速领域实力的反超。

就这样，随着我国乘波体高超音速武器逐渐实用化，2016年，著名的“五朵云”正式启动。而“腾云工程”作为其中平平无奇的一员，可能正在改变人类历史。

2019年10月21日是腾云工程发展史上里程碑的一天，中国航天空气动力技术研究院在其微信公众号上表示，该所圆满完成未来两级入轨空天飞行器的技术探索实验：两级入轨空天飞行器风洞自由分离试验。

自此腾云工程的野心世人皆知：我们中国人要制造世界上第一架真正的空天飞机，把航天飞行价格打下去！让航天飞行、高超音速洲际飞行像普通民航一样简单便宜！

腾云工程是一个人类历史上前所未有的技术尝试，它的整个空天飞机分为两级。预计起飞重量在180吨。其中第一级140吨，第二级也就是我们可复用航天器重量为40吨左右。

它的起降方式将像人们梦想的那样，从机场起飞到机场降落，不需要专门的火箭发射台，甚至不需要特别的厂房。

有人也许就要说了，运输机都能射弹道导弹，战斗就都能带着改造导弹打卫星，造一个飞机平台发射一个航天飞机有什么难的？波音747都带着航天飞机飞了无数次了，维珍航空的飞机都能带着太空飞船发射了，不是颠覆性技术。

这就是整个腾云项目最玄妙的地方了。我们不仅要发射一个可回收的航天器上天，同时为了降低发射成本和提高发射载荷，我们还要让它在3万多米的高空以七倍音速（2000米每秒级）的速度发射出去。然后第一级飞回机场。经过简单的，类似民航飞机起飞前的检查后，重新加注燃料，12小时后再搭载一个新的航天器发射出去。

这是不是听着很玄幻？

要实现这种级别的飞行，首先需要的是一种大多数人从未听说过的，我国已经领先美国的发动机技术：组合动力技术。

组合动力技术，顾名思义，就是把几种不同的发动机组合到一台发动机上。

采用这种发动机设计的原因很简单，任何一种发动机工作都有它对应的工作速度范围，没有一种量产发动机能够实现从0到7倍音速的速度全覆盖。

所以腾云工程采用了一种叫涡轮-火箭-冲压组合循环发动机（TRRE发动机）的技术路线。

在起飞的时候，空天飞机将会使用发动机的涡轮通道，从0向3倍音速冲刺。但涡轮发动机有个问题，将飞机推到2.5之后，发动机就将无法进一步加速。

这是因为空气进气速度太快了，超过了压气机的处理能力。就像小风可以助长火势，大风会导致火的温度被带走一样，高速下涡轮发动机效率会进一步下降最终停车。

所以在进入2.5-3马赫的高速后，发动机必须逐步切换到冲压模式，利用高速迎面气流进入发动机后减速使空气增压升温，然后加入燃料燃烧产生推力。

这时候为了进一步加快提速能力，发动机内部的引射火箭就将开始工作，帮助飞机加速到3马赫以上，并且过渡到5马赫，达到高超音速水平。

通过不断地加速，即使是冲压发动机也将迎来一个质变点。那就是发动机的进气速度会从亚音速转化到超音速状态。这就到了爱好者们经常说的“超音速下点火柴”的时候了。

在这个过程中发动机通过模态转换，完成从亚燃冲压发动机向超燃冲压发动机的转变，然后再关闭整个引射火箭。

这个过程，发动机会变得不稳定，整个发动机的燃烧室里面无论是流动的空气还是燃烧的空气，都会以超音速的速度流动着，控制不好，整个发动机就毁了或者停车了。这也是这个过程最难的一关。

三种截然不同的发动机要集成在一起，好难啊！

如果成功了，最终空天飞机将在35000米左右高空以7马赫的速度实现一二级分离。二级也就是我们现在看到的可回收航天器的完整版，将使用火箭发动机飞向太空。自由翱翔直到任务结束，飞回机场。而一级将直接返回机场，进入检修和重新发射程序。

在一个小小的一级平台上，这么多的模态转换，难度之高我们随便想一想都能知道。那么有没有什么公开证据能证明我们已经取得了一定成绩呢？

有！而且还有更加高级的组合发动机实验。

早在2017年和2018年9月，腾云工程就分步实现了从涡轮模态向引射火箭模态切换和引射火箭向压燃冲压模态切换的。

而到了在2020年9月22日“西安航天动力研究所”公众号就发表文章宣布该所研制的组合动力发动机首飞成功。该项目总师张蒙正还赋诗一首：

“贺首飞”

东方欲明贺兰横，无边戈壁起东风。
一道彩虹拔地起，组合动力长空鸣。
启动顺利流道畅，点火迅速室压高。
模转巧调增益大，伸缩自由结构强。

他真的，我哭死，他把能说的都说了。

到了2022年的7月5日，由西北工业大学、北京动力机械研究所、陕西空天动力研究院联合研制的验证飞行器“飞天一号”同样首飞成功。

这次实验也是人类历史上的首次全流程组合动力实验。它“首次验证了煤油燃料火箭冲压组合循环发动机火箭/亚燃、亚燃、超燃、火箭/超燃的多模态平稳过渡和宽域综合能力，突破了热力喉道调节、超宽包线高效燃烧组织等关键技术”。

这意味着我国在组合动力，尤其是在最难的冲压发动机模态调整方面取得了决定性实验突破。

我们的科研人们，在腾云工程最难的高超音速组合循环发动机部分上为我们打开了一道缺口。现在美国人已经被甩得看不到我们的车尾灯了！

可能我们中很多人还是不信，未来腾云工程最终可能会颠覆整个航天市场。

毕竟马斯克的可复用火箭发射价格已经低到2800美元每公斤这一人类史无前例的低价。腾云难不成能比这个还低吗？

我相信它能做到。毕竟它的一级甚至不需要带低温氧化剂。

书归正传，腾云工程本质上是一个高超音速飞行器与一架航天飞机的组合。

由于腾云工程的一级高超音速飞行器在起飞和降落的全过程都不会脱离大气层，它甚至只需要带满足引射火箭工作所需要的少量氧化剂就可以实现从地面0速度到3万米7倍音速的发射过程。这可以省下了各种复杂机械管线和保养维护的需求。

而且由于发射过程经过优化，整个发射加速度都将在3g以内。很多原件价格可以大幅度降低，而且易于批量采购。

作为航班化航天发射的一部分，腾云工程未来更是会受益于每年成千上万次的发射规模和几十上百次的重复使用，成本大幅下降。毕竟即使是马斯克的发射价格如此之低，到现在为止也没有一发火箭重复使用超过20次。

在2020年的中国航天大会上，包为民院士介绍了他的野心。2035年，我国将初步建成航班化航天。届时，航天器每公斤发射成本将降低50%以上，飞行器可重复使用次数将达到50-100次，一周内可以实现同一航天器重复发射。

到2045年，航天器可重复使用次数将达到100次以上，单位发射成本可能达到几百乃至几十美元每公斤，一天理论上可以发射两次，货运能力达到每年万吨级。

这就是我们未来打算建设的航班化商业航天运输系统！也是人类有史以来最雄心勃勃的航班化航天运输系统。

没有它人类就不可能建设太空电梯，因为太空电梯重量不会低于10万吨，用火箭运输建设太空电梯几乎不可能。

当然这样的好东西，其军用价值同样是不可估量的。

腾云工程的空天飞行器一级本身就是一个巨大的一级助推器。

以米格31搭载匕首高超声速导弹为例。匕首导弹很多人将其视为空射型伊斯坎德尔。但是相比于陆基型伊斯坎德尔公开的500km射程，空射的匕首在米格31的高空高速性能的帮助下可以飞行超过1000km。

同样的，搭载在轰6N下腹的某陆基中程高超音速导弹的射程也被认为可能会增加上千公里。

这意味着，如果是一架高超音速飞机在本土投放中远程导弹，它甚至能打到地球的另一面，实现洲际打击的效果。像腾云这种高超音速平台，一架少说也可以带两枚中远程导弹。

它只需要在本土起飞，就可以实现对超远距离目标的打击，完全不用担心被对面的防空武器打击。

如果是一队腾云排队发射中远程导弹的话，那画面太美我都不敢想。

尾声

还有7年，我们就能看到两级入轨空天飞行器技术验证试飞了。

这七年可能会发生很多事，可能会是一个国际秩序的终结和新的国际秩序的开始，也有可能是旧的国际秩序继续缝缝补补地过下去。

但是不管怎么样，科技发展的脚步并没有停歇。

这一次我们的科技站在了潮头，而不是看着他人进行太空竞赛的旁观者。

受益于我们在高超音速领域的领先，我们的后人将庆幸于科技掌握在文明手中，我们可能领先于美国率先打开人类真正的低成本航天之门。

我相信我们能把握住机会，让全人类走入深空，让人类真正进入太空时代。

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参考资料：

飞羽社，“25马赫再入：中国可复用飞行器发射背后有着怎样的故事？”；
“中国空天飞机发展计划——“腾云工程”到底是什么？”；
“全球首次，西工大飞天一号全流程模态转换成功！“

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