央视的小号“小央视频”在9月24日发布了一段让很多网友看了都莫名其妙的视频，有粉丝就转发并@了笔者，看到的第一眼就知道是啥东西了，这个可是相当具有技术含量的高超音速分离测试，当然这只是能看到的，看不到的还有提供测试环境的爆轰风洞！

高超音速分离测试：到底用在哪里？

笔者知道这是央视曾经报道过的一个专题中最关键的其中一个片段，时间是7月16日，内容是关于我国高超音速风洞JF-22的详细介绍，在报道一开始就给出了这个镜头，其描述的是这样的一个场景：

两具飞行器正在分离，从拍摄视频中能看到的激波以及火花四溅的场景来看，这个速度是不低的。视频中显示，背驼的二级飞行器正从底部的一级飞行器上分离，估计在我国现有的飞行器中应该很难找到这样的使用场景吧！

这个场景当然不是我们熟悉的飞行器，这是我国计划在2030年首飞的腾云二级入轨飞行器的分离模型，这种飞行器的设计目的是二级入轨，其过程大概是这样的：

• 飞行器的组成是腾云一级飞行器+背驼的二级飞行器；
• 一级飞行器是一架大型高超音速飞行器，使用的是吸气式超音速发动机；
• 二级是一架轨道器，使用的是火箭发动机；
• 飞行过程是一级带着二级在机场水平起飞，一直爬升到吸气发动机能正常工作的最高高度与最高速度，此时一二级分离；
• 二级在分离后火箭发动机点火，沿着一条绕地心的轨迹飞向近地轨道，直接加速入轨；
• 完成任务后二级减速离轨，利用高超音速滑翔的方式机动寻找附近的机场水平降落

腾云飞行器的优势是一级只需要燃料不需要氧化剂，直接使用空气中的氧气，这不仅能省掉大量氧化剂的资金，而且重量也大幅减少，另外还可以水平起飞，不需要特制的垂直发射场，对机场保障要求也大幅度降低。

二级飞行器使用火箭模式飞向太空，与常规火箭发射的二三级飞行过程类似，只是返回时将使用高超音速滑翔模式，目前我国已经具备这种技术，比如神龙空天飞机就是垂直起飞水平降落的，从理论上看它可以直接挂在腾云一级飞行器上作为二级使用。

腾云二级分离：真有那么难吗？

央视小号“小央视频”发的就是一二级合体的飞行器飞行到高度30~40千米，速度达到8~10马赫时两者分离的过程，这里难度可不是一般的高，原因是在极高速度下气动效应太复杂了，第一个遭遇的就是激波，这是一种强压缩波，当飞行器穿越另一个飞行器形成的激波是压强是不一样的，会形成额外的气动效应。

激波压缩原理图

另一个则是在穿越激波后二级飞行器会形成新的激波，两道激波会互相影响，并且互相穿越的激波会在对方机体上出现反射并再次反射，当气流在两个机体之间穿行时反而不会形成负压而是将会获得增压，是不是有点反常识？这个气动效应会加快两者分离的过程，如果分离时存在迎角，那么会造成后仰的力矩，直接让飞行器在空中横向倾转，飞行器将会在极大的气动过载中解体。

另一个则是高超音速激波加热的热效应、等离子体以及附面层等特殊的气动作用，激波以及各种效应需要经过大量风洞模拟才能逐步还原在30~40千米高度，8~10马赫的环境中分离的复杂效应，这样才能设计能满足如此极端要求的飞行器机体结构。

分离设计：大巧不工

上文说明了分离很难，那么问题来了，如何操作才能保证分离安全又高效稳定呢？在7月16日央视播出的新闻中也有一段说明了这个分离结构，笔者仔细看了下，居然是导轨结构，也就是说在分离前两者依然是组合体，不存在机体之间缝隙这种情况。

而在分离中后段，二级飞行器的气动效应会将两者贴合在一起，起到类似支撑面的作用，保证两者在彻底分离以前不出现所谓的高超音速激波压缩空气这种绝对不需要的气动作用，否则导致的结果将很难收拾。

这也让各位网友曾经见到过的分离方式完全不一，比如航天飞机与燃料箱，结构简单，因为燃料箱是要被抛弃不回收利用的，所以只要保证航天飞机的安全。另一种结构是SR-71的搭载的超音速无人侦察机D-21，原本是在机体尾部上方搭载，但分离困难容易出事故，比如在1966年时D-21超音速下分离时相撞机毁人亡而被终止，最后只能挂在B-52下用火箭推进到超音速后再启动冲压发动机（B-52为亚音速飞行，无法满足D-21发动机启动的2马赫左右速度要求）。

当时的SR-71最高速度也只有3.3马赫，就这样分离时还出现了非常严重的撞机事故，而在腾云工程中的飞行器速度高达8~10马赫，你就能知道这分离到底有多难了。

腾云一级的发动机：为什么能飞那么高、那么快？

上文主要解释了腾云工程飞行器的二级分离，对一级飞行器是如何推进到8~10马赫应该有不少疑问，能实现此目标的发动机还不在少数，笔者就简单作个介绍，首先说明下，普通的涡喷发动机和涡扇发动机肯定不能用了，火箭发动机能用但就没打算用在这里，除开这两种发动机外，能实现这种目的发动机目前主要有如下几种：

• 1、TBCC：涡轮基组合超燃冲压发动机；
• 2、RBCC：火箭亚燃超燃冲压发动机组合；
• 3、TRRE：火箭引射一体化组合循环发动机
• 4、ATR：空气涡轮火箭冲压发动机；
• 5、SABRE：吸气火箭协同式发动机；
• 6、TRIJET：涡轮基组合循环发动机；
• 7、爆震发动机：包括脉冲、旋转与斜爆震发动机；

这几种发动机都可以实现从零速度开始到高超音速（7~8马赫）状态，其中TRRE、SABRE和TRIJET以及旋转爆震发动机还可以工作在火箭模式下，也就是可以在太空工作，当然此时需要携带氧化剂。

从腾云工程一级飞行器的工作高度为30~40千米、结构复杂度不能要求太高的情况来看，TRRE和爆震发动机是比较合适的，并且就目前发动机工作理论可靠性以及实现难度看，TRRE可能性比较大。有兴趣的朋友可以去找找这种发动机的设计，如果需要论文，可以留言笔者会发给各位。

“爆炸弹射”的原理：居然是风洞

央视的小号“小央视频”在9月24日发布的这段小视频中，视频标题是“中国爆炸弹射，测试神秘物体”，然而笔者解读却是高超音速风洞中测试，这是文不对题吗？其实还真不是，尽管央视的小号有点哗众取宠，用一段没头没尾的视频让大家不明觉厉，引导留言询问，确实有些不符合常规的操作，但他们的标题却没有写错，因为参与这项测试的是我国最先进的高超音速风洞JF-22，其原理还真是“爆炸弹射”！

风洞：居然还有“爆轰驱动”的

能提供腾云工程一二级分离的就是高超音速风洞，但大家对风洞的理解可能还停留在非常原始的阶段，事实上风洞确实就是我们一般理解的那样：通过人工产生和控制气流，模拟飞行器或物体周围气体的流动及空中各种复杂的飞行状态！

关键就在这里，人工产生与控制气流，这个产生气流的方式，可以来自螺旋桨的驱动，这就是大家见到的、也符合一般理解的风洞，大型低速风洞其实都是这种模式！

除了螺旋桨驱动外，比如高压气体驱动自由活塞制造高压气流也是可以的，或者反向驱动也没问题，还可以再驱动过程中加料，比如加入电弧与高温燃烧等方式，模拟在高超音速下的激波对机体表面加热的效果。

但这些都只能模拟一般的高超音速，对于十几马赫甚至几十马赫要求极高超音速的风洞，只能爆轰驱动了，比如JF-22就是一种爆轰驱动的风洞，使用化学燃料的爆轰模式，与此前中国早已突破的JF-12风洞的激波激发方式是一致的。

据中科院力学研究所副研究员韩桂来介绍称，JF-22风洞能够最高速度（约30马赫）的状态下维持平均130毫秒的运行时间，相比之下美国最先进的LENS II（自由活塞结构）只能达到7~8马赫并且只能维持30毫秒，两者看起来数据差别还是挺大的。

此前中国的JF-22风洞曾被印度《欧亚时报》引用圣安东尼奥的研究人员和教授、高超音速和航空工程专家 Chris Combs质疑称，JF-22的爆轰激波风洞中的爆轰化学反应将会改变风洞内的大气成分，其成分将不再支持真实的大气环境，其测试结果将无法代表飞行。

但笔者要说明的是无论是爆轰还是自由活塞或者高压气体，其驱动气体和测试气体都是隔离的，这位专家可能没听说过激波管，各个腔室之间有隔离板，在测试采样数据期间是可以保证测试非常单纯气体环境的，不过测试后就混杂在了一起，但此时测试已经结束。

JF-22模拟测试的马赫数高达30左右，这基本就是在大气层内人造飞行器能达到的最高速度，也是从月球以及火星返回的探测器速度，几乎能模拟目前所需的任何高超音速的速度环境，这个设施投入使用，会让中国在高超音速技术上遥遥领先于全球。

电磁弹射用于发射：未来有可能实现吗？

这是本文最后要解决一个问题，因为在9月7日，中国航天科工三院完成了商业航天电磁发射高温超导电动悬浮航行试验：试验在380米线路上实现了234公里/小时试验速度，创造了国内高温超导电动悬浮最高航行速度纪录。

有网友表示这类技术可用于商业航天电磁发射系统，利用超高速超导悬浮与电磁推进技术在地面将商业航天火箭助推至超声速以上再点火起飞，可视为火箭的“零级助推器”。

问题很简单：这真的可以？

答案是真可以！磁悬浮大家都知道，利用磁场排斥达到悬浮的目的，再用直线电机驱动时只剩下空气阻力，可以大幅减少能量消耗，理论上将其加速到每秒数千米并不是特别大的问题。

不过工程应用时却有问题了，原因很简单，在速度继续增加时空气阻力就成了最主要的障碍来源，因此，工程化应用内的电磁发射系统，必须要在真空管道内进行，比如设置一条足够距离长的真空管道，笔者可以简单给出个数据：

• 380米线路上实现了234公里/小时试验速度，其加速度大约是8米/S^2（过载大约是1个g不到，还是比较舒适的）；

不过要以这个速度加速到7.9千米/秒距离就太长了，我们假设一下，以人体长时间承受过载极限的6g速度加速，大约需要一个多长的轨道才能加速到7.9千米/秒的入轨速度：答案是82千米左右，还是有点长哈！

这里必须提醒下一个关键，这条真空管道的出口可以设置青藏高原某座高山的山顶，开口方向穿越赤道，投影轨迹中心点为地球球心，高度么甚至可以加高那么一点，所以最高距离应该是不会超过9千米的，此时大气仍然非常稠密，直接以7.9千米速度引出，会导致航天器以25马赫的速度在低空大气中穿过，冲击与气动激波加热太严重了。

因此在真空管道的末端，比如在最后2-3千米范围内逐级注入大气升高气压，避免直接冲击，另一个则是降低出口速度，比如出口在4.5千米/秒左右，大约12~15马赫，此时轨道距离还可以降低，只需要34千米左右，航天器再启动火箭发动机飞向太空。

这种方式可以取消一级发动机，缺点是轨道实在有点长，优点是可以用来载人航天发射！假如用来发射高过载的无人探测器或者卫星，比如用20g过载的速度发射，轨道距离可以缩短至多少呢？大约2千米即可，距离果然很短，只是人受不了。

但各位发现没有，这些发射方式最终都会以高超音速的方式接触大气层，都必须用到风洞作模拟测试，需要经过大量的论证才可以付诸实施，无论用电磁轨道发射还是火箭发射，空气动力学都是一个绕不过去的坎！