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我国有望通过亚轨道客机换道超车!意义远超C919客机取得适航证
时间:  2024-08-13 15:26:27 |作者: 江南全站app

  经过5年多来的试飞,国产C919客机研制工作已确定进入尾声,即将取得适航证。这是我国自主研制的第一款大型客机,将带动千亿美元级别的飞机高端制造业发展,为大批高品质人才提供就业岗位,或多或少将引发部分在国外工作的高品质人才回流我国。好处不言而喻,意义十分重大,为国产C919客机研发团队点赞!

  客机最早诞生于国外,至今都由美国的波音、欧洲的空客两家垄断,虽然我国自主研制的C919客机即将拿到适航证,但要在亚音速客机领域追上欧美国家,还有非常长的路要走。想要在客机领域超越欧美国家,最好的办法是“换道超车”,“亚轨道客机”就是不错的选择。

  最近,国家自然科学基金委员会官网发布《关于2022年国家自然科学基金集中接收项目评审结果的通告》,由火箭院研究发展部牵头申报的“亚轨道远程空天运输系统总体设计与控制技术”项目顺利通过评审,获得立项支持。

  这标志着我国亚轨道飞行器前期技术演示验证工作已结束,并且证实方案可行,可以立项正式研制。

  同运输机可以军用也可以民用一样,亚轨道飞行器也一样能军民两用。民用方面,除了能替代火箭,实现低成本发射载人或载货航天器之外,也可以衍生出全新的亚轨道客机!

  一旦我国率先造出“亚轨道客机”,我国就能掌握这个行业的主导权,并因此获得大量利润。

  现有洲际航线都采用宽体客机,但存在飞行时间太长,出现效率太低的问题,飞行长达12小时之后。如果客机能飞得快一些,即便成本高一些,也仍然有不少高端客户愿意搭乘。

  很早之前,人类就尝试研制超音速客机,最终却因高昂的经营成本、超音速激波和巨大的噪音扰民,导致退出市场。

  上世纪60年代末,世界上第一种超音速客机图144就已经问世,并在1975年投入运营,紧随其后的是协和式超音速客机,也在1976年投入运营。

  然而不幸的是,后来经过一段时间运营,人们发现超音速客机相比亚音速客机来说不仅运营成本高很多,而且还会产生很大的超音速激波和巨大噪音扰民,导致频频被投诉,而且飞行速度也只能达到2马赫,洲际飞行时间仍然长达5小时之后。如今,世界各国仍在运营的客机无一例外,都是亚音速飞机。

  对于5000公里以内的出行距离,现有亚音速客机就能满足需求。然而对于距离超过1万公里的跨洲际飞行,现有亚音速客机飞行时间实在是太长了,在不扰民的前提下,大幅度提升客机洲际飞行速度势在必行。要是能够研制出一种飞行速度达到5马赫以上,低空又能亚音速飞行降落的新概念客机,那就能解决超音速客机扰民的问题,若能够再把燃料成本降低下来,那么新概念高超音速客机将会有很大的市场前景。

  “水平起降可重复使用亚轨道运载器”概念的问世,让这种不会扰民、成本相对低廉的“亚轨道客机”慢慢的变成为可能。

  根据中国航天科工集团公司透露的消息和《二级入轨空天飞机上升轨迹优化》研究论文提供的资料,腾云空天飞机由140吨重的亚轨道运载器和40吨重的轨道器组成。其中,亚轨道运载器采用水平起降方式,起飞时先启动组合循环发动机从零将自身和轨道器的组合体加速到6.8马赫左右的高超音速状态,并飞到20~100公里的“亚轨道空域”,然后轨道器启动自身的火箭发动机实施两级分离,并继续加速到第一宇宙速度,相当于7.9公里/秒,把载荷送入近地轨道。与此同时,亚轨道运载器自己滑翔返回地面。

  设想中的“亚轨道客机”本体相当于我国正在实施的腾云空天飞机一级,不同之处在于它采用的是一种特殊的“脉冲爆震-涡扇组合循环发动机”(PDTE)。其运作原理是这样的:“亚轨道客机”启动PDTE,从0加速到5马赫左右的高超音速状态,并飞到20~100公里的“亚轨道空域”,然后保持高超音速飞行。等到距离目的地约1000公里时,亚轨道客机就可以关闭自身动力,以“钱学森弹道”方式“打水漂”滑翔,接近地面时再次启动PDTE提供最低限度的动力以便着陆,或者在无法马上降落时复飞或者盘旋。

  这个过程中“亚轨道客机”分为涡扇工作模式和脉冲爆震工作模式。前者飞行区间是0至20公里高度,飞机在距离机场较近的区域长期处在亚音速飞行状态,不会产生超音速激波和巨大噪音导致扰民等,等到加速到超音速时,其飞行高度已经很高了,超音速激波与发动机噪音对地面基本上没什么影响;后者在20公里以上的亚轨道区域工作,此时距离机场也比较远,其超音速飞行状态产生的激波距离地面太远,且因为亚轨道空域空气稀薄,其激波能量大幅度的降低,同样不会对地面造成任何影响,甚至在地面可能都听不到飞机产生的噪音。

  “亚轨道客机”的涡扇工作模式和现有亚音速客机工作模式没有区别,其燃油成本并不会增加多少。脉冲爆震工作模式相比涡扇工作模式则具有燃烧效率更加高的优势,虽然受限于高超音速飞行状态产生的激波阻力较大,其等效比冲不如涡扇/涡喷工作模式,但好在此时亚轨道客机已经飞到空气稀薄的亚轨道空域,在末段又处于“打水漂”减速状态,不会消耗燃料,这个飞行阶段的平均飞行效率依然很高。其单位距离燃油成本并不会比传统亚音速客机高很多,即便是高3倍,对于有快速洲际出行的人群来说,仍然是可接受的。

  前面提到“亚轨道客机”采用的发动机是一种特殊的新概念发动机——“脉冲爆震-涡扇组合循环发动机”,简称PDTE。这种发动机实际上相当于把涡扇发动机的加力燃烧室换成“旋转爆震燃烧室”。目前中美正在研制的第7代航空发动机就是这种新概念发动机。

  令人欣慰的是,我国在这方面的研究已经很深入了。一篇名为《旋转阀式脉冲爆震-涡扇组合发动机PDTE原理样机及关键技术探讨研究》的研究论文对这种发动机进行较为详细的研究。实际上,我国的西北工业大学、南京航空航天大学、清华大学等高校均有研究团队正在研究爆震类发动机,并且已经取得一些技术成果,国内专利网能够正常的看到不少相关专利,有兴趣可自行搜索了解。

  由于中美两国在这方面的研究进展都处于高度保密状态,目前无法准确判断,但考虑到我国在高超音速领域已曝光的成就不少已经领先世界,预计我国的实际研究进展并不会落后于美国,甚至有可能反超美国!

  最令人欣慰的是,为降低燃料成本,我国也开展了相关研究。一篇名为《乙烯对煤粉-氧气爆轰波起爆特性影响机制的实验研究》的研究论文就介绍了,煤粉-氧气在0.5当量比的乙烯氛围条件下可形成稳定的自持爆轰波,从而使旋转爆震发动机可以持续稳定产生推力。廉价的煤粉可大幅度的降低脉冲爆震工作模式下的燃料成本,有望大幅度降低“脉冲爆震-涡扇组合循环发动机”在单位飞行距离内的燃料成本。

  综上所述,我国的亚轨道远程空天飞行器原理样机已经通过试飞验证可行,现已立项真正开始研发。今后一旦脉冲爆震-涡扇组合循环发动机发展成熟,就可以基于亚轨道远程空天飞行器发展出亚轨道客机,按照目前我国的技术进展来看,有望在整个世界率先研制成功,实现客机领域的“换道超车”,并引领未来客机发展。