零到十六倍音速:厉害了我的国

作者:晨枫

本文转载自:晨枫老苑(ID:ChenFengLaoYuan)

零到十六倍音速:厉害了我的国

据南华早报报道,北京动力机械研究所的张义宁团队在《推进技术》12月号刊发表论文,将旋转爆震和斜爆震技术相结合,推出从跑道到M16一气呵成的革命性航空航天发动机。

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传统上,航空发动机和航天发动机是两股道上跑的车。航空发动机的主流是涡扇,航天发动机的主流是火箭,在两者之间还有超燃冲压。

这些发动机都以燃烧产生推力。燃烧导致升温,空气受热膨胀,产生压力。压力波以音速传递。

涡扇内是亚音速的等压燃烧,燃烧速度低于音速。燃烧温度一高,热气体立刻膨胀,产生向喷口的流动,形成推力,燃烧室内的压力则回落。火箭发动机就燃烧而言也是一样,只是氧化剂是火箭燃料的一部分,不像涡扇从空气中汲取氧。

在开放大气条件下,燃烧速度超过音速的话,压力波扩散不及,压力波的锋面好比“容器壁面”,内部温度和压力越来越高,最终导致爆炸。超燃冲压发动机内空气以超音速流动,所以容许燃烧速度高于音速,但在本质上依然是等压燃烧,只是需要压力波的传递与燃烧速度相匹配,否则就要么爆炸,要么熄火。

在传统上,涡扇速度在M2.5以上就效率急剧降低,亚燃冲压到M4-5也差不多到头了,超燃冲压可达M8-10。

问题是,亚燃冲压和超燃冲压的点火条件很苛刻,只有用涡扇加速到M2以上才能点燃亚燃冲压,M4-5以上才能点燃超燃冲压。多模式组合循环发动机一直在研究,但各种工程问题也一直是实用化的巨大障碍。

爆震发动机基于完全不同的燃烧机理,更像内燃机气缸内的等容燃烧。在固定的容积里燃烧时,温度和压力可以升得很高。受控的等容燃烧可以产生高得多的热效率,不受控的等容燃烧则导致爆炸。

脉冲爆震发动机(PDE)好比把内燃机气缸的出气阀通向喷口,间隙性地产生推力。实际PDE可以利用激波传播速度低于燃烧速度的特点,形成虚拟的墙,达到等容的作用,不需要机械阀。

旋转爆震发动机(RDE)则是貌似简单的环形筒,超音速燃烧产生的激波在环道里形成、发育,并在环道里一边在筒长方向上运动,一边绕着筒壁旋转,最终在出口产生推力。重要的是,RDE可以连续产生推力,更加适合用作航空动力。

PDE能从零速度开始工作,一直到M4还保持很高的效率。RDE不仅从零速度开始,还可一直工作到M7。也就是说,把涡喷-亚燃冲压-超燃冲压组合循环才能达到的速度范围在爆震时代直接通吃了。

更重要的是,传统涡扇的热效率在20-30%范围,爆震发动机可达80%,这意味着同样的燃料可以产生高得多的推力。

RDE是中美未来航发技术竞争的前沿。9月27日中国媒体报道,一架装用FB-1连续旋转爆震发动机的无人试验机成功实现了世界上首次RDE升空飞行,FB-1由重庆大学产研院爆震推进与空天飞行技术研究中心、重庆推重比动力科技有限公司、重庆大学航空航天学院等单位共同研制,推力达到1000N,使用航空煤油。

但速度进一步提高的话,就需要斜爆震发动机(ODE)了。ODE利用一道或者多道斜激波对气流进行压缩,激波后的流动混合作用正好把燃料和空气混合均匀,下一道激波的高温高压正好点燃,然后在稍后的一个极薄锋面上产生爆震,形成推力。为了改善和在更大范围内可靠引燃和起爆,也有用激光、热射流、磁流体点燃的。

重要的是,ODE速度可达M16。更加重要的是,中科院力学所高温气体动力实验室的姜宗林团队2021年3月在《航空学报》上发表文章,宣布已经在M9风洞里进行氢燃料的斜爆震发动机的成功测试。后续报道表明,已经进行了更多、更高速度下的测试,相信工程化的研发也在进行。不管欧美理论水平如何,根本没有中国这样的高超音速风洞可以实测,当然谈不上进一步的实用化。

现在,张义宁团队将RDE和ODE结合起来,实现从零速度到M16一气呵成的空天推进。这确实是革命性的。

中国已经有成功升空实飞的RDE,有在实验室里成功试验的ODE,两者相结合并非画饼充饥,而是有坚实理论和实践基础的。中国还有世界上遥遥领先的高超音速风洞,更加有理由相信张艺宁团队成果的可信度。

RDE本身依然充满挑战,RDE过渡到ODE的点火是更大的挑战。张艺宁团队发现,在M7的时候,将进气减速到M4,在减速增压中提高进气温度,有利于ODE点火。一旦点火成功,ODE本身对工作条件并不苛刻,意味着有很强的实用化前景。

这依然是早期学术成果,RDE- ODE组合循环发动机离实用化还有很长距离。据报道,“立足当前的技术进展,爆震新型动力在2030年左右有望在军用和民用航空航天领域带来划时代的变革”。这依然是工程原理样机的水平,离装用作战飞机还有距离,因此高超音速轰炸机依然在很长时间里是“可以期盼,但别等待”。尽管如此,相比于美欧,这是又一个扎扎实实的遥遥领先。

附:

张义宁,2007年毕业于南京航天航空大学,获工学博士学位,后留校从事教学科研工作,历任讲师、副教授。 现任中国航天科工集团三十一研究所研究员,博导,爆震发动机主任设计师,三十一所新概念发动机研究技术带头人。“十二五”期间承担多项国家级高性能动力创新项目,我国爆震发动机研究领域专家,在国内外核心期刊发表高水平论文30余篇,在面向工程应用爆震发动机研究方面具有较深造诣。

北京动力机械研究所:

北京动力机械研究所始建于1957年12月3日,隶属于中国航天科工集团公司第三研究院,三院被誉为是中国精确打击武器的摇篮,北京动力机械研究所正是为三院各型武器装备提供动力装置的研究所。现有13个研究室(研发中心)、7个生产中心、1个试验中心和1全资子公司(北京航天三发高科技有限公司),拥有1个国家重点实验室、1个国防重点实验室和1个国家级大师工作室。

承担着各军兵种导弹、无人机用中小型涡喷发动机、涡扇发动机、固体火箭发动机、液体冲压发动机、固体冲压发动机、超燃冲压发动机以及TBCC、TREE等新型组合发动机,还有包括深度预冷发动机、爆震发动机等国际最前沿动力装置的研制与生产。建立了比较完备的发动机自主创新、集成制造和试验验证研发体系,发展成为集研究、设计、试制、试验和批生产为一体的综合性动力装置研究所,是中国航空航天动力领域的核心优势单位。北京动力机械研究所历来重视高层次人才梯队培养,曾先后走出两院院士3人,现有海外高层次人才1人,国家百千万人才工程1人,院级、省部级专家及学术技术带头人70余人。在岗科技人才中:硕士及以上学历占比71%,副高级及以上职称41%,副主任师以上44%。北京动力机械研究所推行“1+3+N”产业布局:总部在北京市丰台区云岗,目前四川泸州、陕西西安、江苏苏州以及房山窦店研发及生产中心相继成立,动力产业布局全国。

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