今年,中国亮相全球首款承波体高超音速武器,它利用弹道导弹的火箭发动机助推加速到高超声速,然后在大气层边缘飞行的中远距离滑翔飞行器,从而用于中远程快速打击。
它的末端速度最快可以达到20马赫,也就是每秒6806米每秒,第一岛链最远只有1800千米,只需要4分钟的时间就可以到达,这样恐怖的速度任何防空都没有反应的时间。
很多人问,其他国家有没有可能掌握高超音速武器,美俄曾经多次实验高超音速武器,均未成功,2014年,美国陆军测试的高超音速武器出现故障,在发射4秒后就爆炸摧毁。
而据合众国际社10月15日报道,美国预计将在2023年前部署远程高超音速武器系统。
美公开的2023年高超音速武器计划图
这最起码整整落后了中国最少4年。
目前,中国所掌握的三项核心科技是三代科学家花费60年努力做出来的成果,其他国家短时间内根本还难以在这些技术上取得突破。
“两弹一星元勋”郭永怀和钱学森两个人被誉为中国科学界的黄金搭档,两个人师出同门,都是全球有名的空气动力学家。
郭永怀在读博士期间,郭永怀进行当时空气动力学的前沿问题——跨声速流下连续解的研究,他着重对跨声速理论与粘性流动进行了深入的研究,先后发表了《可压缩无旋亚声速和超声速混合型流动和上临界马赫数》(与钱学森合作)《关于中等雷诺数下不可压缩粘性流体绕平板的流动》《弱激波从沿平板的边界层的反射》等重要文章,解决了跨声速流动中的重大理论问题。与此同时,为了解决边界层的奇异性,他改进了庞加莱、莱特希尔的变形参数和变形坐标法,发展了奇异摄动理论。
1957年,刚刚回国的郭永怀在《现代空气动力学问题》的报告中,就着重指出高超声速空气动力学应该是我国随后一个时期的重点研究方向。而这一倡议让祖国在高超音速武器的研究上领先全世界!
当时,受限于环境与条件,郭永怀没有办法立即将这想法付诸行动。但是他和钱学森极力倡导在国内开展高速、超高速空气动力学、电磁流体力学和爆炸力学等新兴学科的研究。为了将这些领域的研究铺开,他在北京组织了高超声速讨论班,研究探讨了许多前沿领域的重大课题,对我国高速飞行器的研究有着重要的指导意义。
要想发展高超音速武器,那就必须要建风洞,风洞指的是风洞实验室,是以人工的方式产生并且控制气流,用来模拟飞行器或实体周围气体的流动情况,并可量度气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备。
风洞实验是飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。所有飞机、导弹、飞船等航空航天飞行器必须经过风洞实验。风洞中的气流需要有不同的流速和不同的密度,甚至不同的温度,才能模拟各种飞行器的真实飞行状态。
根据著名科学家钱学森、郭永怀的构想,我国于1965年在四川组建了高速空气动力研究机构,1968年,郭永怀在此基础上又领导组建了中国空气动力研究与发展中心,下设计算空气动力学研究所、低速空气动力学研究所、高速空气动力学研究所、超高速空气动力学研究所、设备设计与测试技术研究所五大中心研究所。40多年来,中国空气动力研究与发展中心建造了数十座高质量的风洞,其规模堪称亚洲之最。
而郭永怀更是把自己的希望寄托在了学生的手上,郭永怀给自己的学生俞鸿儒指定了研究方向——发展激波管技术,研制激波风洞。激波管是产生激波和利用激波压缩实验气体,以模拟所要求工作条件的一种装置。
在郭永怀牺牲之后,俞鸿儒决心要完成老师遗愿,在经过了长达50年的努力之后,俞鸿儒和自己的接班人姜宗林成功打造了全球可复现飞行条件的高超声速风洞——JF12高超声速复现风洞。
JF12高超声速复现风洞采用了俞鸿儒全球独创的反向爆轰驱动技术。目前全世界激波管强驱动方式共有三种:重活塞驱动、加热轻气体驱动以及俞鸿儒的爆轰驱动。
JF12高超声速复现风洞可复现25—40公里高空、5到9倍声速的高超声速飞行条件,JF12复现风洞有效实验时间达到130ms,是美国的4倍。复现风洞理论和技术解决了困扰高超声速地面试验六十年的世界难题,实现了风洞试验状态从流动“模拟”到“复现”的跨越,JF12激波风洞的诞生也让高超音速武器的研制成为了可能。
可以说,没有高超声速复现风洞,高超音速武器的研制只能说做梦!另外,央视曾经报道过,很多款新型高超音速飞行器模型都在JF12风洞“吹过风”,我们可以想象一下里面会有什么武器!
1943年还在美国加州理工大学古根海姆航空实验室的钱学森跟他的两个同学一起,在起草的一份火箭喷气推进实验计划中构建了一种设想。基本原理就是让弹头在“临近空间”(距地面20—100km)进行增程滑翔,然后再进入稠密大气。为什么弹头会在这个高度滑翔而不是“一头栽下来”呢?因为在“临近空间”存在着较为稀薄的大气,当高速物体由真空进入密度介质时,会产生反压,所以,“钱学森弹道”又被称为“助推滑翔弹道”。
钱学森弹道的精髓在于是利用火箭为动力把飞行器发射入高空,突破大气层,然后飞行器从太空再度返回大气层,当角度合适的时候,飞行器会如同瓦片在水面上打水漂一样被弹起,然后再落下,通过这样一系列的弹起——落下的运动轨迹,飞行器就能够以高速抵达目标。这也被称为助推-滑翔式弹道,即半弹道式再入航天器或升力体式航天器的再入弹道的基本设计思想。
,在钱学森弹道提出了几十年的时间里,很多国家都想百分百地消化这份钱学森留下来的遗产,美俄等强国纷纷推出新概念飞航导弹方案,很多都基于钱学森弹道。
钱学森弹道在高超音速武器里面发挥了什么样的作用呢?
通常,一个物体抛起来再落下,轨迹是个抛物线,大多数导弹的路径也是这样,但钱学森弹道利用了高层大气的“弹性”,获得了一种打水漂似地路径。东风17发射后会以很高的角度快速冲出大气层,在重新返回大气层时会以很低的角度斜擦大气层的“顶面”。就像贴着水面擦过的光滑石子被水面弹起来,导弹强烈挤压下方的大气,也一样会被大气弹起来,并且在这个过程中保持极高的速度。
那么这样做有什么用呢?利用高层稀薄大气的空气滑翔下来,会让轨道变得非常复杂,难以预判,这也是它最为恐怖的地方,变化莫测的弹道轨迹让现役反导系统束手无策。
再加上它的末端速度最快可以达到20马赫,就算是一个铁块,如此高的速度,硬砸都能把航母砸沉,而且航母还没有办法进行拦截,因为太快了,中间还会变轨,除非美国的反导系统会读心术,知道它在想什么!
相比于亚声速、中低超声速飞行器,高超声速飞行器飞行高度可达到离地面20~100km的大气层空间,飞行速度是高于5倍音速,即5马赫(MH)(6000km/h),长时间飞行执行任务,会面临十分苛刻的热环境。
要知道,飞行器在以超过 5 倍声速的速度飞行时会产生高温,由气动加热显著,其前端关键结构部件表面产生2000至3000摄氏度高温,承受强表面氧化和高动压高过载冲击,高温不仅引起结构热应力,降低材料力学性能,还可能导致材料出现熔化、升华、氧化烧蚀等破坏,传统的金属材料难以满足使用要求。
另外,高超音速飞行器还需要满足长时间、反复使用的需求,对所选用材料的高温强度性能要求更严格,所以高超声速飞行器的热防护系统必须同时具备耐高温、强度高、韧性好、质量轻和环境稳定性好等特点,结构材料兼有热防护与承载的双重作用。
而在高超音速飞行器的材料问题上,范景莲更是在全世界创新性地提出了微纳复合的概念。
把“金属+陶瓷”形成复合材料在国际上都还没有人进行尝试。
范景莲教授:咱们的常识要成为社会、国家的财富,为咱们的国家服务,占据一个世界领先的位置。
因为这两样一个是有机材料,一个是无机材料;一个导电导热,一个不导电导热;一个可延展,一个没有延展性,可谓根本没有“复合”的基础。
在经历了重重困难之后,她的团队终于研制出“轻质难熔金属基复合材料”,高温强度提高5倍以上、密度降低一半,这种微纳复合轻质难熔金属基复合材料实现了难熔金属高温强韧、轻量化和抗烧蚀一体化设计,其高温强度比现有超高温难熔金属提高5倍以上,密度降低1/2;经风洞和发动机反复考核,材料无破坏、近零烧蚀,可实现空气中超高温环境下的长时间抗烧蚀、抗冲刷、抗高过载冲击。
范景莲称,这款材料就像水泥和鹅卵石的搭配,鹅卵石就相当于陶瓷颗粒,水泥就相当于难熔金属,在高温下颗粒将难熔金属固定下来。
2014年,范景莲带着一批一直从事新材料研究的博士、硕士、工程人员,在宁乡高新区管委会的扶持下创建长沙微纳坤宸新材料有限公司,2017年将“轻质难熔金属基复合材料”实现批量生产,完成3大类产品的军工鉴定与定型,
范景莲的轻质难熔金属基复合材料经过实验,能经受3000℃以上的高温,可以满足我国超高音速飞行器在大气层内以5到20倍音速飞行数小时的苛刻要求。
2019年,范景莲的企业已经成为航空航天、国防军工和兵器船舶领域多个型号产品的唯一供应商。范景莲的成果不仅将被运用于高超音速飞行器上。
如今还被拓展应用于空空导弹、空地导弹的高能固体火箭发动机,满足了火箭发动机在大推力、高动压、耐3000℃以上的强的抗冲刷、抗冲击和抗烧蚀性能要求,成为多项国家重大高新工程和型号的关键高温部件唯一材料,为大幅提高我军战斗力做出了突出贡献。
可以说,DF-17的诞生是中国一大批优秀科学家花费了整整60多年,耗费了无数心血付出才最终诞生,可以说,中国掌握的这三项核心技术,让中国在高超音速武器领域一骑绝尘,即使美国最终在这些领域取得突破,到时候中国也已经拥有更为先进的高超音速武器。
让我们一起向这些默默奉献的科学家致敬,正是他们的努力,才让中国可以傲立东方,再也不惧任何人的侵虐打击。让中国人民可以过上幸福稳定的生活。
这些伟大的科学家,你都认识吗