八十一年前,尼赫鲁在他的书中这样写道,印度是不能在世界上扮演二等角色的,要么做一个有声有色的大国,要么销声匿迹。
如今八十多年过去了,印度还没有销声匿迹,那么有声有色的大国做得咋样了?
20世纪被誉为海洋世纪,21世纪则被称为太空世纪,航天实力的强弱与国家的综合国力几乎可以画等号。
印度现如今在航天领域几乎是不留死角地全线推进,在大力推进加甘扬载人航天工程的同时,他们也盯上了另一种具有开创性价值的天地往返载具——空天飞机。
印度加甘扬载人飞船飞行中逃逸试验发射
就在上个月下旬的一天,印度空间研究组织在该国南部的奇特拉杜尔加航空试验场进行了第三次可重复使用运载火箭着陆试验(高速进场着陆试验),任务取得了圆满成功。
第三次可重复使用运载火箭着陆试验画面(明明是飞机,为何说是火箭?后文有详细介绍。)
此次试验是印度“RLV-TD可重复使用运载火箭-技术演示器计划”内的第四次飞行任务(还有一次高超音速飞行试验),在这四次任务中他们取得了连战连捷的成绩,面对一次又一次的成功,印度人再也藏不住自己的兴奋,在网络上热烈地表达着民族自豪感:
印度人的评论
区区一次降落试验,值得如此激动吗?
事实上,放眼当今全球,实际拥有此种着陆能力的国家有且只有三家,分别是美国、中国、印度。掌握高速进场着陆能力,就意味着印度距离成功研发再入速度达27马赫的空天飞机又进了一步。而同为大国的俄罗斯,由于资金缺乏,还没有推进到这一步的同类研发项目。
印度 RLV-TD 空投试验飞行器。任务编号:RLV LEX-03
高速进场着陆试验究竟有什么难度?
印度“RLV-TD 空投试验飞行器”首先由支奴干直升机吊飞升空,到达4500米高度并与跑道一侧有500米的水平距离位置时,载机释放试验飞行器。
吊飞升空
分离释放
在空中,试验飞行器需要调节自身的翼面进行无动力滑翔飞行,自动执行横向偏差校正机动飞行,并逐渐接近跑道。
当试验飞行器瞄准跑道中心线后水平接地,此时的着陆速度高达320公里/小时,最大的难点也在于此,如何才能让高速滑跑的飞行器的速度逐级减速至零?
首先要保证滑跑方向的稳定性,不然冲出跑道的结果是可想而知的,试验飞行器可以在前轮和方向舵转向系统的助力下实现稳定的高速滑行。
试验飞行器需要先打开减速伞,该装置可以将速度由320公里/小时降至100公里/小时,剩下的减速任务将由起落架制动器承担。
看上去好像并没有那么复杂,这和寻常的战斗机着陆有什么不同呢?
首先这是无动力滑翔着陆,如果是战斗机,这就是发动机失效后的紧急着陆模式,对飞控系统提出了更高要求;
再就是它的滑跑速度高达320公里/小时,而战斗机的滑跑速度通常是280公里/小时,超越了传统航空领域刹车技术能力的极限;
第三,这是无人条件下进行,所有的程序动作都是自动进行,对传感器的准确度与可靠性要求更严苛。
前文明明说是可重复使用运载火箭着陆试验,可为什么试验载体是架小飞机?
因为这是一款带有翼面的运载火箭,而它又是瞄准太空飞行任务的飞机。与之类似的飞行器就是美国的航天飞机,虽然二者体格相差甚远,但他们确实都是航天飞机。
执行轨道飞行任务的印度RLV-TD轨道器将是试验飞行器的1.5倍大小
美国航天飞机不是已经退出历史舞台了么,为什么还要大力发展?
应当说科学技术存在着一种螺旋式上升的发展轨迹,曾经因为技术缺陷导致不可靠的装备,最终也会因为技术的进步而变得可靠。
美国发现号航天飞机执行国际空间站舱段部署任务
人类进入太空空间的需求,在各型大推力运载火箭不断问世的今天,已经得到了基本满足,比如前年首飞成功的SLS太空发射系统,其近地轨道运力可达95吨,马斯克的星舰理论上也具备150吨级近地轨道运力。
美国执行阿尔忒弥斯一号任务的SLS重型火箭
但是如何从太空安全地返回地球,这个需求还没有很好地解决。比如返回式卫星与返回式飞船领域,最具代表性的装备就是我国的新一代载人飞船试验船与美国的猎户座载人飞船,前者内部容积数据大于后者,后者着陆重量数据大于前者,其着陆重量分别是6吨级与9吨级。
新一代载人飞船试验船(左)与猎户座载人飞船(右)
为什么着陆重量很难上去?
主要是因为再入着陆方式的不同所致,航天器从太空返回地球,需要穿越稠密的大气层,这个大气层对于航天器而言是喜忧参半的。
一方面,大气层是航天器再入返回的天然减速场,航天器可以通过大气阻力实现高效率的减速。
另一方面,大气层也给高速再入的航天器带来了恶劣的气动力与气动热环境,主要表现为高过载,同时与大气剧烈摩擦过程中还伴随着数千摄氏度的高温烧蚀。
我国新一代载人飞船试验船返回舱高速再入大气层,过黑障。
钝头体的返回舱再入时,由于自身气动布局简单,只能利用很小的升力作用,在着陆末段还需要依靠降落伞减速,而降落伞的大小直接决定了返回舱再入重量。
返回舱式的再入着陆精度也很难控制,无法精准着陆于某个点位。比如,嫦娥六号取得了高精度的落点成绩,但这个精度也是有16公里的着陆偏差。
嫦娥六号返回器着陆
与飞船返回舱半弹道式再入完全不同的是,带翼空天飞行器的升力式再入,航天飞机可以利用翼面高效率的利用升力,并使之精准返回地面机场,进而在跑道上水平滑跑着陆。
时间推进到今天,航天飞机开创的升力式再入方式不仅没有退出历史舞台,反而是迎来了继往开来的新局。
航天飞机升力式再入
比如SpaceX公司的“超重-星舰”,这个起飞重量达5000吨级的庞然大物,之所以能够实现两级完全重复使用,关键就在于入轨级“星舰”应用了升力式再入方法,星舰与航天飞机一样也有翼面,使其可以精准返回地面着陆场,所不同的是,星舰在着陆末段是动力式反推垂直着陆,而航天飞机是无动力滑跑着陆。
“超重B11-星舰S29”
星舰S29高速再入大气层,监视相机画面里可以看见翼面。
升力式再入有着广阔的应用空间,除了可以用于类似星舰的垂直着陆,未来脱胎于航天飞机的空天飞机同样也还是升力式再入。
印度航天飞机距离全面成功还要多久?与我国的差距有多大?
先来看第二个问题,表述差距最直观的数据就是时间,印度首次实现试验飞行器滑跑着陆的时间是去年上半年,而我国首次突破此项技术时,当年也曾有大规模的报道,截图如下:
如上图所示,报道时间虽然是2014年年初,但事件实际发生时则是2013年,由此可知,印度在这一领域与我们的时间差距是整整十年。
再来看前一个问题,印度航天飞机还要多久才能成功?
最简单的算法还是参照我国,我们的可重复使用试验航天器首次轨道飞行的时间是2020年9月,与实现首次高速滑跑着陆的时间差是整整7年时间。
也就是说,印度按部就班发展,比较客观的时间点是到2030年实现航天飞机的轨道飞行,晚一些就是2030年之后。有没有可能提前呢?
航天飞机的研发就像是打怪通关一样,正如标题所述,印度在这一领域已经取得了四连胜,指的就是在他们已经取得了1次高超音速飞行试验与3次高速进场着陆试验的成功,第三次高速进场着陆试验也是最后一次此类试验,这就意味着印度已经打通了航天飞机再入段的大部分技术难关,下一步就是瞄准入轨飞行。
印度RLV-TD飞行器高超音速飞行试验任务
看上去,印度还是挺快的,但如果再细究一下就不是这么回事了。
我国完成高超音速飞行试验与首次高速进场滑跑着陆试验的时间间隔是不到3年时间,印度的时间间隔却长达7年时间。这又是为什么呢?
实事求是地说,只要给足各方面的资源,就没有解决不了的技术问题,追根溯源是印度能够提供给该领域的预算有限,这还是综合国力的限制所致。
印度航天在尚没有完成载人飞船无人首飞的情况下,发展航天飞机,是不是太着急了?
仍以我国为参照,上世纪90年代初,当我们确定载人飞船技术为起步,发展载人航天工程时的次年,钱学森同志就向年轻一代的航天人们寄语:航天事业的又一重大发展是空天飞机。
我国当年参加载人天地往返载具评选的带翼空天飞行器,如今都得到了延续和发展。
可以说自上世纪90年代以来,带翼空天飞行器的相关技术研发是与神舟载人飞船项目,虽然有主次之分,但几乎是同步推进的,这才使得我们能够在21世纪大踏步赶上空天飞行器的发展潮流。代表作就是已经三次飞天的可重复使用试验航天器,以及自本世纪初期就接连公开的各型高超音速东风反舰快递。
从这里看,印度同步推进加甘扬载人飞船与RLV-TD航天飞机项目也就在情理之中了。
印度并不会止步于航天飞机,其终极目标与我们一样,是空天飞机
空天飞机与航天飞机的关系,是继承再发展的关系,两者都属于带翼空天飞行器,入轨飞行与轨道飞行最终依靠的都是火箭动力。
所不同的是,航天飞机完全依赖火箭动力,而空天飞机在大气层以内的上升段主要依靠的吸气式动力,不需要携带大量的氧化剂,可以直接利用空气中的氧气作为氧化剂,大大提升了运载效率。空天飞机还有一个特征就是完全重复使用。
空天飞机与航天飞机的最大不同之处,恰恰也是最难的地方,就是如何运用吸气式动力实现大气层内的高超音速飞行。
在技术相通领域可以快速推进,比如美国的X-37B,我们的可重复使用试验航天器,以及印度的RLV-TD都可以作为两级入轨空天飞机的入轨第二级使用。
要突破大气层内的吸气式动力推进的高超音速飞行,就需要多种工作模态相融合的组合动力发动机,要研制这种动力首先又要突破超燃冲压发动机的研制难关。
印度已于8年前首次实现了超燃冲压点火飞行试验,不过这种动力只是单一模式下的短时间工作,相较于融合涡喷、亚燃冲压、超燃冲压,适合多种速域的组合动力发动机研制目标而言,只是走出了第一步。
印度探空火箭执行超燃冲压高空点火飞行试验
为什么说我国在高超音速领域走在了世界的前列?就是因为我们已经率先研制出了真正意义上的组合动力发动机,率先拿到了空天动力的开创性成果,仅从这一点来看,印度虽然在航天飞机领域将与我们的差距缩小到十年,但空天动力这道难关,将再次无情地拉大时间差距至二十年可能都不止。
多年前,我国的某次两级入轨空天飞行器风洞分离试验画面。
前些年,网络上有过这么一个段子,说,如果没有我们,印度放在世界范围内也是可以鹤立鸡群的,但无奈我们又如此努力与优秀。
对此,笔者只能说,优胜劣汰,物竞天择,适者生存,这是不变的法则。