(ACE无关，求助)创新杯参赛属性，AERODAWN设计方案阐述。请诸位斧正

eugenebarry

从暑假起就一直断断续续的参加这个设计。最近即将进行学校内的预赛和答辩。
还请大家多多提出方案中的问题和错误。
又及，由于学识和知识的欠缺，有很大部分的知识都只是根据字面意思拼凑的。还请高人们多多见谅。

另外，这个方案参加的是‘临近空间飞行器’这个组别（或者说题目吧

“Aerodawn(空气曙光)”大型高超音速单级入轨（SSTO）飞行器

纵观如今的航空业。我们早已实现不间断的超远程飞行，跨洋飞行早已不是梦想。仅需大约12个小时，我们就能从地球的一头抵达另一头。然而，越来越多的问题正在困扰着如今的航空业发展乃至生存。在短途甚至中途方面，高速铁路的发展正严重影响着民航生存。纵观世界各国，情况不尽相同。所以引用一份社论里的观点，传统航空业的出路便是远程飞行与跨洋飞行。
然而，很明显，以现有的机种进行跨洋飞行。速度仍旧是一个极大的瓶颈，在大型喷气机中无论是波音公司的747还是空客公司的A380项目，都仅能在高亚音速情况下运行。这使得在天空的旅途仍旧漫长。尽管大多数航空从业者并不承认，但事实上长时间的飞行对于乘客与机组人员的健康都有着很大影响。
所以，是时候找到一种解决方案了。解决的思路很简单，就像奥运之父顾拜旦曾经提出的口号一样，我们需要的正是‘更快’、‘更高’、‘更强’
于是Aerodawn方案诞生了。
Aerodawn一词是我们的组员创造的一个合成词，aero-的前缀意味着航空，空气，而dawn则意味曙光，希望。合成在一起，Aerodawn象征着航空业的曙光，同时也代表着人们旅行方式的一次全新变革。
1．    总体介绍




根据任务与采购对象的不同。关于‘空气曙光’我们最终敲定了三个方案。
首先便是民航型
（1）民用型号的‘空气曙光’定位与一种大型的远程高超音速客机。主要应用领域便是高速跨洋飞行。巡航高度距离地面大约40～55KM,位于平流层顶部。巡航速度可达6～8倍音速。用形象些的描述，它能在1个半小时之内将乘客从北京运抵纽约。它的运载能力介于777和747之间，最大载重量在55吨左右。全重则在250吨左右。而关于运行成本方面，我们预计在30年大面积应用后，购买它的机票仅仅会比普通客机贵80%～120%，这对于商务人士来说，是非常便宜的出行方式。仅用两倍的价格便可换回接近九成的旅行耗时。
（2）军用型。
尽管科学是第一生产力，但很明显，先进生产力的首先服务目标就是军事领域。
很明显，对于高超音速飞行器和SSTO飞行器的军事价值不言而喻。各航空大国都在该领域做过很多研究。可以说，在如今这种反导系统流行的时代下一代战略核威慑的运载工具只有两种，第一是携带核弹头太空部署的军事卫星。第二种便是‘空气曙光’这类飞行器。它具有无与伦比的突防能力。在这种高度和速度下，在现阶段还没有任何有效的防御手段进行拦截。可以说，在仍旧处于后冷战时代的各国，利用这类飞行器确保核威慑与互相毁灭原则以保证世界稳定仍旧有极高的利用价值。
（3）SSTO运输机
尽管各国都在斥资建设太空站。但很明显，最大的成本来自与运载方式。一次性的运载火箭成本过于昂贵。而SSTO的出现使得人类大规模建设太空设施成为可能。一次飞行就可运载45吨货物进入地球轨道。并且可以重复使用，及时每三天才能使用一次，也达到了现有技术效率的上百倍。可以说，SSTO的大面积应用意味着人类进入太空应用阶段。它的意义绝不亚于人类第一次登月。

针对以上三种情况，我们设计了相应的对应方案。下面请允许我们进行详细的介绍。

2.详细介绍
（1）平流层飞行型介绍



民用型与军用型均为该型号。
整体布局采用了最近较为流行的升力体布局与乘波体布局。尽管这两种布局的提出时间都比较早，但受限于制造技术与工艺水平。直至过后很多年才完成了验证飞行。
下面简单的介绍一下两种布局的特点
升力体
升力体式设计的思想是由艾格尔斯和阿伦两位科学家于1957年在美国航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心从事弹道导弹再入问题研究时偶然发现的。试验中，艾格尔斯注意到钝头锥形体耗散再入能量的速度要比尖头锥体快。更重要的是，他观察到锥形体上表面的平坦部分在穿过地球大气时可以产生升力，井增加气动稳定性。这一发现意味着，至少从理论上讲，可以造出一种无翼飞行器——它可以飞到太空，能承受再人时的气动加热，也能像普通飞机一样在空气中滑翔并有控着陆——升力体式飞行器方案由此诞生了。
对于此种布局方案，NASA还做了进一步的实验与研究，除了X24A/B型，最为出名的升力体飞行器就是NASA的四台航天飞机。

x-23

x-24a


x-24b


发现号航天飞机

乘波体布局

所谓乘波体 (Waverider)，是指一种外形是流线形， 其所有的前缘都具有附体激波的超音速或高超音速的飞行器。通俗的讲，乘波体飞行时其前缘平面与激波的上表面重合，就象骑在激波的波面上，依靠激波的压力产生升力，所以叫乘波体(Waverider)。如果把大气层边缘看作水面，乘波体飞行时就像是在水面上打漂。乘波体飞行器不用机翼产生升力，而是靠压缩升力和激波升力飞行，像水面由快艇拖带的滑水板一样产生压缩升力。超音速飞行形成的激波不仅是阻力的源泉，也是飞行器“踩”在激波的锋面背后“冲浪”的载体。
相比升力体，乘波体的结构更为极端，所以验证机更为稀少，完成试飞的暂时只有NASA的X51型超高速导弹

X51想象图


NASA提供的风洞试验图



挂在与B52下的照片

而‘空气曙光’的整体布局则将两者融合为了一体，所以在高速飞行时完全不需要机翼这一结构。
而在亚音速飞行和起飞降落段，考虑到高速布局的局限型，在两侧安装有可变后掠翼结构。使得在低速飞行时安定性大为增加，并且在降落时达到E类飞行器标准，无需特意修改现有机场尺寸。节约成本。




民用型尺寸

全长：65.5m
高度（起落架至翼尖）：14.9m
翼展（后掠翼完全收起）：22m
翼展（后掠翼完全展开）：49m
机翼面积：450平方米
空重：140吨
最大起飞重量240吨
最大载荷：55吨
最大飞行高度65KM
最大飞行速度：8.5马赫
最大航程：29000KM

军用型
基本数据与民用型相当
最大飞行高度80KM
最大平飞速度 12马赫
最大载荷40吨


SSTO型号
由于考虑到太空飞行的很多特点
SSTO型号的‘空气曙光’与民用型号有很大不同

取消了可变后掠翼
全长：63.6m
高度（起落架至翼尖）：14m
翼展：22m
空重：120吨
最大起飞重量210吨
最大载荷：45吨
最大飞行高度：近地球轨道
最大飞行速度：25马赫


驾驶舱操作系统
其实，对于飞机座舱，大家都存在了一个误区，例如飞行员的视野问题，驾驶舱的布局位置。舱盖的强度与耐热问等等
其实换个思路就可以完全解决这个问题。
为什么驾驶舱一定要呢透过舱盖看到外面？
为什么驾驶舱一定要有窗户？
以现有的技术，我们完全可以通过光学镜头将外界的环境显示在屏幕上。
而将来？通过三组成像阵列，我们的飞行员甚至可以得到一个360度的全方位视角
只需将外界情况通过投影的模式呈现在眼前即可。
下面是SSTO型的驾驶舱示意图

座舱内安装10台投影装置，将外界环境，各种仪表参数，HUD，已经导航数据完全呈现在眼前。由于抗载荷的因素，半躺姿态无疑是最好的。简化各种操作。触摸技术，多合一的仪表装置。让操作界面变得简洁。由于驾驶舱不需要舱盖或是风挡，飞行器整体强度与耐热程度都可以大幅提高。此外，一直对机组危害很大的紫外线辐射也迎刃而解。
并配备有眼部追踪扫描系统【注•眼部追踪扫描系统：通过确定眼球位置，确定驾驶员视线，并将相关信息投射在驾驶员可视位置上，可以使驾驶员无论看哪里，都能随时看到高度，仰角等信息】
操作为全电传方式驱动。舍弃了沉重的液压传动装置，而采用了更为合理和可靠的全电子式操作。更为使得操作动作更为精细。

关于导航，高精度GNC技术的成熟使得SSTO类和高超音速飞行器的定位与控制成为可能。


座舱系统

经济舱示意图

这部分与驾驶舱类似，同样采用外景投影系统。在客舱中整个天花板都可以看到外界的景色。同时装备后座娱乐系统。满足各类人士的需要
全密封的增压座舱，使得客舱内部甚至较普通客机更为舒适，同样可以采取半躺坐姿。由于高速飞行，饮品与食品的服务由轨道运行的机械臂提供。

动力系统
采取两种方案，以满足高超音速与SSTO两种任务需求
（我准备将这里改为三种）



民用型与军用型采用A型动力配置，其中军用型号采用的推力更大。
其中A型为循环式超燃冲压发动机相比普通冲压发动机，它的最低运行速度更低。在亚音速情况下同样可以使用。民用型与军用型均装载4台此类发动机。
其理论基础来源于SR71黑鸟高速侦查机的J-58型循环式冲压发动机


低速时是涡喷,高空高速时气流不经过核心机从外部通道走,工作性质就是冲压.。以此解决降落与起飞阶段的动力问题。这种工作方式使得‘空气曙光’在降落阶段的可控性较其他类似飞行器的高速滑翔降落更为可靠。
在喷口处则使用了两单元瓦状塞式喷管提高了喷口结构的耐高温程度。


为了适应在太空飞行，SSTO方案则采用了B方案氢氧发动机，也就是常说的火箭发动机，同样采用两单元瓦状塞式喷管，并在各个方向安装了共24个机体姿态控制喷口以在轨道上提供姿态变换与变轨。


（预计第三种增加的是‘脉冲爆震发动机’）


起飞及爬升阶段
民用型与军用型均采用与普通飞机一样的展开后掠翼地面滑跑起飞，民用型在以亚音速爬升至8000米左右后后掠翼逐渐收起，打开加力，爬升高度，直至冲压发动机进入工作速度，然后完全收起后掠翼，构成完全巡航状态，高速巡航。由于加速段很长，故短时加速度并不大，所以即使是普通人也不会感到太多不适。
军用型则提高加速度，在更短时间内进入巡航高度，所以军用型对于飞行员有一定的抗负荷要求。

在这里特别提一下SSTO型号的起飞，由于没有后掠翼结构，所以直接滑跑起飞难度较大，所以我们的SSTO采用电磁轨道弹射起飞。
下面是电磁轨道的示意图

采用长电磁轨道和滑车加速飞行器，配合发动机动力，达到起飞速度，以一定角度抛射飞行器。
SSTO型号起飞想象图。


下降及降落阶段和高温热防护
民用型与军用型与正常飞机类似，展开后掠翼，正常降落。

SSTO型号在下滑阶段重新载入大气层，所以采取了相应的隔热措施，
1.    双层壳体，中间填充隔热材料与制冷设备。
2.    外壳采用多层复合结构，最外层使用PCC陶瓷复合涂料，以及陶瓷复合粘合剂，以强化外层隔热瓦，内层采用与NASA X37B相同的T型隔热材料。可重复载入大气使用10次以上。
3.    在机首采用反向喷流喷射制冷剂降低温度。
4.    合理的载入姿态。
这样使得每十次空天飞行才需要重新喷涂一次PCC表面涂料，较之现在的每次检查成本大幅度降低。

SSTO型号返回想象图。



前景展望

‘Aerodawn’轨道运行想象图

在未来的30年里，假若跨洋远程飞行采用‘空气曙光’来大面积运营，可以说，这是对于航空业的一次全新***。而在空间运输方面，毫无疑问，SSTO制式的飞行器是一种趋势。
就像本设计的题目那样‘Aerodawn’将会成为整个人类飞行历史上一次犹如曙光一般的存在，它将引领整个航空业的第二次腾飞。更将影响人们今后的出行乃至生活方式。
毫无疑问，它就像一道曙光，划破了黑夜，指引着未来飞行的方向。

（由于篇幅所限，查阅的很多技术性问题无法详细阐述。对此我们深表遗憾。在本文的文献参考部分您可以查阅相关关键性技术。）‘规定的4000字以内’


参考文献：
单级入轨运载器气动布局研究

塞式喷管底部气动特性及其对性能的影响

氢氧发动机实现单级入轨的优化分析  
                                                
钝体前缘喷流热防护数值分析

临近空间高超声速滑翔机动GNC技术

乘波飞行器低马赫数飞行状态下的气动性能研究

临近空间高超音速飞行器关键技术展望

反向喷流场及其热防护研究

乘波布局飞行器宽速域气动特性与研究

高超声速乘波飞行器气动实验研究

尾喷管构型对高超声速飞行器性能影响研究

吸气式高超声速飞行器动力学特性分析

新一代超_高超声速带进气道飞行器气动力特性快速计算


（完，还请大家忙帮斧正。）.

eugenebarry

唉，貌似百度图片不让转载。。
原帖发表在这里了。
http://tieba.luryl.com/f?ct=3356 ... 89326247#9725260917

敬天爱人

高科技。。无技术看热闹流进来学习下。。

敬天爱人

感觉军用倒是什么都好说 只要有这个必要 然而用可重复利用的所谓高空高速飞行器送核弹过去 还不如直接开发什么高空高速的导弹 同样没法拦截 更简单直接 ；
巡航高度40～55KM巡航速度6～8倍音速的家伙 搞到民用上 需求跟动力的话。。 不如研究星际旅行实在  那什么SSTO运输机倒是好像比民用军用来的实在些  
也许你的理论确实一切都对技术上一切都可行。。。。

eugenebarry

多谢楼上指正，确实，作为联盟和进步货运飞船的代替者这个定位更为实用些。

m_hunter

LZ你太夸张了。。。（不是打击你，就是说说而已，善意的，因为你要参加答辩，那些老师一定会问你一下问题）

我是双硕士。。。答辩经验不少，嘿嘿

1。（1）民用型号的‘空气曙光’定位与一种大型的远程高超音速客机。主要应用领域便是高速跨洋飞行。巡航高度距离地面大约40～55KM,位于平流层顶部。巡航速度可达6～8倍音速。用形象些的描述，它能在1个半小时之内将乘客从北京运抵纽约。它的运载能力介于777和747之间，最大载重量在55吨左右。全重则在250吨左右。而关于运行成本方面，我们预计在30年大面积应用后，购买它的机票仅仅会比普通客机贵80%～120%，这对于商务人士来说，是非常便宜的出行方式。仅用两倍的价格便可换回接近九成的旅行耗时。

它这么重，用什么发动机？什么燃料？

6-8倍音速。。。哥哥，F22才多少音速，我记得AIM120导弹在最快ms也就是6倍速度(错了，其实是4倍，here：http://en.wikipedia.org/wiki/AIM-120_AMRAAM)

你先看看谐和号为啥停运，票价太贵，无人坐

2。关于不用玻璃机舱
你觉得AC的技术在现在可以用么？CO***N？

维护和出错是不选用这种方式的最主要原因。。。

eugenebarry

多谢5楼指点，其实最大的问题正是实用性问题。
当然，题目规定30年左右的近未来。
关于高超音速的巡航速度，这方面的技术倒是有，只是暂时成本还是太过高昂。
‘你先看看谐和号为啥停运，票价太贵，无人坐’
关于这点，确实是个软肋，其民用性确实不太好