美国高超试验成功了一次,然而中国高超新妖术也来了

作者:晨枫老苑

本文转载自:晨枫老苑(ID:ChenFengLaoYuan)

5月16日,在延宕两年、三次试验失败之后,美国空军的高超音速AGM-183 “空射快速响应武器”(ARRW)终于取得一次试验成功。这是用B-52携带到空中投放后,用助推火箭推进到最高M20的速度,然后释放乘波体滑翔。说起来和东风-17差不多,但体积、重量小得多,弹头威力也小得多,只有20多公斤的装药,只有HARM反辐射导弹的一半,用作战役打击的话,威力太有限了。但好歹比陆海军的通用高超音速滑翔体(CHGB)的双锥体还是更先进。不过第一次成功的试验中,速度只达到M5,勉强算达到高超音速了。
但是中国又超到前面去了。
5月11日,《南华早报》报导,绵阳空气动力研究院在《实验流体力学学报》上发表研究结果,描述已经成功进行了地面试验的回旋爆震发动机(RDE),工作状态稳定后,尾焰呈“淡蓝、透明状”。

美国高超试验成功了一次,然而中国高超新妖术也来了

绵阳空气动力研究院地面试验成功的RDE发动机

最常见的航空发动机是涡轮发动机。空气被压气机压缩后,与燃料混合、在燃烧室里等压燃烧,高温燃气的部份能量在通过涡轮时做功,驱动压气机,主体在收敛喷管里加速,形成亚音速推力。如果需要形成超音速推力,需要使用收敛-扩散喷管。
爆震发动机则像冲压发动机与二冲程发动机的混合体。简单化地说,就是燃烧室有进气阀和排气阀。进气阀打开时,排气阀关闭,进气在冲压的作用下增压;然后进气阀关闭,空气与燃料混合,点火爆炸;形成高压燃气后,进气阀依然关闭,排气阀打开,通过喷管形成推力;然后排气阀关闭,开始下一个循环。爆震是每分钟几千次的,所以推力实际上是连续的。
涡轮发动机的压气机叶片必须在亚音速下工作,否则叶尖激波会造成强大阻力和结构损坏,进气道的作用就是减速增压,通常压气机进气面的气流速度在M0.5-0.6左右。也就是说,M2飞行时,进气需要首先减速到M0.5-0.6,然后等压燃烧,通过收敛-扩散喷管加速到M2以上,才能形成推力。这样的减速-加速过程形成很大的阻力。这个阻力随速度增加而加速提高,到了M3以上,涡轮发动机的推力增加已经赶不上阻力增加了,所以再增加推力也速度上不去了。
冲压发动机好一点,可以一直工作到M4-5,但冲压发动机的启动速度较高,不大容易在M2以下可靠工作。
爆震发动机可以从亚音速就开始工作,甚至在零速时也能工作,只是效率较低。换句话说,爆震发动机可以实现零速到M4-5的准高超音速,而且热效率比涡轮发动机高50%。这不难想象。涡轮发动机实际上是“漏气”的,燃气一边燃烧,一边膨胀。爆震发动机不“漏气”,充分燃烧后,才膨胀做功。这效率差别就好比开盖煮饭和高压锅煮饭一样。但速度高了以后,进气温度很高,可能还没到时候就发生爆震了,容易出现发动机“憋火”,所以爆震发动机一般也就到M3左右,速度不容易进一步提高了。
不过这样在高温高压下高频率工作的进排气阀太难伺候,于是产生了旋转爆震发动机。爆炸的火焰传播速度高于音速,但空气的压缩波的传递速度为音速。这样,激波好比无形的燃烧室壁面,后道激波和前道激波把爆炸(其实就是超音速燃烧)“关”在里面充分燃烧,燃烧和膨胀则推着前道激波往前走,好像油沿着螺杆的螺纹往下流一样。如果断续点火,螺纹是一道一道的,推力还是高频率断续的;如果是连续点火,螺纹是无限致密的,推力就真是连续的了。激波离开套管末端的时候,进入喷管产生推力。很诡异的思路,但真是管用。

美国高超试验成功了一次,然而中国高超新妖术也来了

RDE是个很诡异的设计,三言两语说不清楚,苦思冥想也不容易想明白,但这玩意儿真是管用的。旋转爆震现象最早是俄罗斯火箭科学家B.V. Voitsekhovskii在1959年研究液体火箭发动机的时候发现的

问题是这一般只有用套管中填充氢气才容易实现。多年来,实验室实现的RDE不少,都是氢燃料的,顶多发展到液氢,但液氢需要制冷,麻烦得很。成本低得多的常温碳氢燃料对用户要友好得多,但要在汽化中形成爆震,很难控制,弄不好就熄火了。

绵阳的厉害就在于用乙烯和煤油蒸汽实现了RDE,还在地面测试台上实现了M5的速度,两个方面都是突破。绵阳先用乙烯,再用航空上更常见的煤油。煤油更难实现RDE,但最后也达到稳定推力了。绵阳还发现,需要在进气口和燃烧室之间加设挡板,避免回火。RDE的斜激波应该是单向螺旋形前进的,但是实际上会出现往回跑的现象,这会造成“窒息”。另外,进气量也需要大大超过理论上的空燃比,才能形成稳定燃烧。这些偏离理论模型的东西都只有在实验中才能发现。另一方面,至少在理论上,中国已经具备可达M5的实用高超音速巡航导弹的关键技术。

由于RDE用空气中的氧作为燃烧的氧化剂,比火箭发动机的效率高得多,同样体积、重量的高超音速导弹可以有大得多的射程,或者大得多的弹头重量。由于推力均匀,全程速度也均匀,不会有起滑速度几倍于末段速度的问题,毕竟有利于机动和突防,也避免了加减速带来的能量损失,同样提高射程和弹头重。

美国高超试验成功了一次,然而中国高超新妖术也来了

绵阳用了这张图作为资料图,这是两级入轨的空天飞机,但同样的技术很容易用到大气层内的高超音速飞机

在更远的将来,碳氢燃料的RDE还是高超音速载人飞行的理想动力,这比用火箭发射上去在转入滑翔或者超燃冲压飞行更加平稳,也比涡轮-冲压-超燃冲压组合发动机更加简洁、高效。组合发动机是各种发动机模式无法兼顾所有速度的无奈之举,能够用单一发动机一步到位肯定是最优的,RDE恰恰就是这样的一步到位发动机。换句话说,M5的高超音速导弹可以从发射到命中,全程使用单一的RDE推进,或者只需要“战斧”(使用小涡扇)那样用小号助推器加速到启动工作速度就足够,比欧美连有无都没有解决利索还都需要火箭助推才能点火的吸气式高超音速技术领先N条街。
RDE有可能取代涡轮发动机,这是早就知道的事情。但RDE能一路加速到M5,这在过去只是理论上的可能性,现在中国人已经在地面试验中做成了。超燃冲压在接近高超音速的状态下才能启动,亚燃冲压也需要高亚音速到超音速才能启动,但RDE是能取代涡轮发动机的,这会像全电取代内燃机那样吗?现在还不知道。下一步:上天!美国空军,吃灰吧!哦,在高空没灰。那有什么吃什么吧。
对了,这涉及保密吗?咳,公开学术期刊上发表的学术研究,你说涉及保密吗?就怕全世界不知道呢。

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