全球首次!西工大沖壓組合循環發動機:到底能幹啥?究竟有多先進?

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2022年7月5日,西北工業大學官方微博上發表瞭一條推文,內容如下:

祝賀!西工大“飛天一號”發射成功!

2022年7月4日,西北工業大學航天學院空天組合動力團隊牽頭研制的“飛天一號”火箭沖壓組合動力在西北某基地成功發射:

國際首次驗證瞭煤油燃料火箭沖壓組合循環發動機火箭/亞燃、亞燃、超燃、火箭/超燃的多模態平穩過渡和寬域綜合能力,突破瞭熱力喉道調節、超寬包線高效燃燒組織等關鍵技術,飛行試驗圓滿成功。

熟悉高超音速動力的朋友對沖壓組合循環發動機應該非常熟悉,這種發動機到底能幹啥呢,它的先進程度又是如何呢?

7月3日的“懸案”破解瞭,就是西工大的試驗?

7月3日傍晚的“某超試驗”大傢都知道瞭,一個高速飛行的物體拉出瞭一條長長的尾跡,從東北飛向西南然後轉向到瞭朝西方向,以肉眼可見的高速消失在視野中,以下是從三個不同位置目擊到的現場動圖:

從這些動圖中可以看到幾個非常關鍵的信息:

1、這是一種火箭動力的飛行器;

2、飛行方向朝向西方,與常規衛星發射方向西南或者東南不一樣;

3、從排出的煙羽來看,應該是固體火箭發動機;

4、飛行軌跡大致為水平飛行,速度很高,肉眼可見的高速飛行;

種花傢在7月4日發表文章中分析為火箭動力的高超音速載具實驗,結果7月5日西工大官方微博就釋放出瞭火箭沖壓組合循環發動機火箭測試成功的消息,似乎兩者還真能對得上號。

不過兩者的時間上似乎有些對不起來,一個是7月3日傍晚,而西工大的則是7月4日,顯然兩者應該不是同一天測試,除非西工大有意隱瞞測試時間。盡管兩者的測試產生的可能結果相似性很高,但兩者應該不是同一個東西,西工大測試的飛行器可能另有其物!

沖壓組合循環發動機到底能幹啥?究竟有多先進?

沖壓組合循環發動機到底能幹啥?這可能是很多朋友都有的第一個問題,不是已經有噴氣式發動機瞭麼,都說這才是皇冠上的明珠,怎麼又出來一種發動機?

其實原因很簡單,噴氣式發動機無法適應高超音速!

目前的噴氣式發動機主要有渦輪噴氣(渦噴)和渦輪風扇(渦扇)發動機兩大類,其中比較省油的是渦扇,因為它有一個大風扇吸入的氣體旁通從尾部排出,推力大、省油,可以帶來很好的推重比。

存在外涵道的渦輪風扇發動機

但由於渦扇的超大風扇造成阻力比較大,一般很難超過2倍音速,速度再高的話這個大風扇就會變成累贅帶來阻力!高速下沒有這個大風扇的渦噴顯然更有優勢,因此在高速飛行器中渦噴性能會更好。

沒有外涵道的渦輪噴氣發動機

但渦噴又不夠省油,因此後來就出現瞭變循環發動機(目前的變循環發動機仍在測試中),比如改變如增壓比 、渦輪進口溫度、空氣流量和涵道比等,它可以工作在渦噴模式,也可以在渦扇模式甚至沖壓模式,在亞音速、跨音速、超音速,“高超音速”模式下性能都不錯。

但它也無法實現真正的高超音速,因為飛機的高超音速基本是指3-5倍音速左右,而真正的高超音速指的是6-10倍音速,在這個階段,變循環發動機也無能為力!

火箭都可以將衛星送上太空,沖壓發動機又是哪根蔥?

一定有人會問,既然變循環發動機都無法實現真正的高超音速,那麼火箭發動機不行嗎?答案顯然是可以的,比如目前隨便找款航天發射用的發動機,都可以將衛星發射到近地軌道上,其速度超過7.8千米/秒,這基本就是25~30倍音速瞭,為什麼不用簡單暴力的火箭發動機?

答案是火箭發動機的燃料箱太重太浪費

隻要能抗住大氣層激波加熱的高溫,火箭發動機的加速確實可以,但火箭發動機有一個缺點,就是工作時間太短,比如一枚中距彈,其動力射程不足全程的1/3,之後的射程都是慣性滑行,原因也很簡單,因為其有限的空間內不僅要帶燃料,還要攜帶氧化劑。

火箭的氧化劑和燃料儲箱

導彈用的都是固體燃料,其包含瞭氧化劑!根據化學反應方程式就可以算出燃料和氧化劑的比例,比如氫氧燃料的火箭,氫氧的體積比是2:1,質量比是1:8,這氧化劑居然是燃料的8倍,這火箭絕對是坑爹的,在大氣層內飛行,氧氣到處都是,居然要自己攜帶,這不是腦子有問題?

它到底有多難?或者說究竟有多先進?

沖壓發動機就是在這樣的背景下誕生的,它是在高速下氣流經過特殊的進氣道壓縮後直接進入燃燒室,再混合燃料後點燃,整個發動機沒有運動部件,不僅質量輕而且推力大,推重比要比復雜的渦噴或者渦扇發動機高並且結構簡單1000倍。

普通的沖壓發動機難難度盡管比較高,但目前早已成功應用,比如目前就有很多遠程空空導彈(固體沖壓),超音速反艦導彈(液體或者固體沖壓)發動機應用比較普遍,比如俄羅斯的SS-N-22日炙式反艦導彈使用的是整體式液體沖壓發動機。

SS-N-22一體式液體燃料沖壓發動機

歐洲的“流星”空空導彈用的是固體火箭沖壓發動機,其射程可達180千米以上,性能還是非常不錯的!但這些導彈的速度最多也就在3-4馬赫左右,因為它們的沖壓發動機燃燒室內的氣體經過壓縮後的速度是亞音速的,無法再提高速度,否則無法建立穩定燃燒,這類發動機就是亞燃沖壓發動機。

所謂的超燃沖壓發動機指的是流經燃燒室的氣體速度經過壓縮後仍然在超音速,這種發動機燃燒室穩定燃燒後其推進的最高速度可達5~6馬赫以上,這才是真正的高超音速世界,一旦到瞭這個速度,目前沒有任何一種導彈能追得上,簡直就是紫禁之巔,獨孤求敗!

氫燃料還是碳氫燃料,這是一個分水嶺

隨著速度的增加,沖壓式噴氣發動機的效率開始下降,因為入口處的空氣溫度由於壓縮而急劇增加。隨著進氣溫度接近排氣溫度,以推力形式提取的能量就會減少,因此為瞭解決這個問題,在超燃沖壓發動機中就會使用燃料對進氣進行冷卻。

X-43A

比如在進氣口噴入液氫冷卻,一個是預熱液氫,另一個是冷卻空氣,通過燃燒室的空氣被壓縮卻溫度不高,比如美國測試的X-43A高超音速驗證機使用的就是液氫,其3.7米的機身內裝載瞭2千克液氫。

2004年3月,被火箭帶到高空的X-43在分離後成功點火,11秒內飛行器速度達到瞭6.83馬赫(7456千米/小時),同年11月16日,X-43A在1.3萬米的高度達到瞭9.64馬赫的速度(10240 公裡/小時),這是吸氣式飛行器的最高速度。

沖壓發動機就這樣成功瞭嗎?顯然沒有,因為液氫保存太麻煩瞭,超燃沖壓發動機理想的燃料是碳氫燃料,比如航空煤油,瞭不起也就用下黑鳥SR-71的JP-7燃料(一種特殊配置的碳氫燃料),無需特殊保溫手段,可以使用普通加油機空中加油等。

SR-71

比X-43更大的X-51A馭波者(長度達到瞭7.62米)用的就是這種燃料,但它啟動時用的是乙烯,這種常溫狀態下為氣體的燃料沸點很低,用來預冷以及點燃沖壓發動機比較合適,不過X-51A在測試時多次遭遇問題:

2010年5月26日成功完成瞭首次動力飛行,最高速度達到瞭5馬赫,持續燃燒時間為200秒;2011年6月13日測試飛行時,乙烯燃料點燃後達到5馬赫時啟動談氫燃料沖壓發動機失敗;2013年5月1日,第四次測試飛行時達到瞭5.1馬赫,飛行持續210秒,這是飛行時間最長的一次。

盡管已經多次成功,但美軍測試時間要求是300秒,基本上沒有完成既定的任務,不過取得瞭大量的數據,仍然有利於未來展開新的測試,不過美國似乎將註意力轉移到瞭高超音速滑翔武器,之後的超燃沖壓發動機消息寥寥。

不過在2021年9月27日,DARPA(美國國防部高級研究計劃局)宣佈其高超音速吸氣武器概念(HAWC)超燃沖壓發動機巡航導彈成功試飛,並且在2022年3月中旬成功進行瞭另一次試驗。

HAWC

西工大的組合循環發動機是什麼級別?

沖壓發動機性能非常好,但存在一個問題,它無法零速度啟動,隻能用火箭發動機推動超過音速後才能啟動,而且啟動時仍然是亞燃沖壓,待速度達到4-5馬赫時才能切換到超燃沖壓發動機狀態,西工大的簡短的報道中有如下描述:

全球首次驗證瞭煤油燃料火箭沖壓組合循環發動機火箭/亞燃、亞燃、超燃、火箭/超燃的多模態平穩過渡和寬域綜合能力,突破瞭熱力喉道調節、超寬包線高效燃燒組織等關鍵技術,飛行試驗圓滿成功。

這臺發動機可以在火箭/亞燃、亞燃、超燃、火箭/超燃的多模態平穩過渡,不知道各位從中體會到瞭什麼,它可以在如下模式中平穩過度:

1、火箭到亞燃沖壓過度:零速度以火箭模式啟動切換到沖壓,此時是超音速狀態;2、從亞燃沖壓過度到超燃沖壓,超音速到4-5馬赫時切換到超燃沖壓狀態,此時速度應該已經超過5馬赫;3、或者直接從火箭模式切換到超燃沖壓模式;

筆者很想瞭解是否可以從超燃沖壓模式再次切換到火箭模式,如果可以這樣操作的話,那麼它就是未來空天飛機的理想動力,實在是太牛掰瞭!因為超燃沖壓將飛行器推到高空後大氣逐漸稀薄,無法再持續用超燃沖壓時再次啟動火箭發動機,將飛行器加速到第一宇宙速度並進入環繞地球軌道。

其高速載具看上去很是邪惡

另一個關鍵是煤油!這表示西工大的組合發動機是普通的談氫燃料,這一點非常重要,因為煤油燃料的超燃沖壓發動機能穩定燃燒並且完成從火箭/亞燃、亞燃、超燃、火箭/超燃的多模態平穩過渡是非常瞭不起的,西工大能以“國際第一”的標題刊發,也代表瞭他們的研究領域的先進程度,恭喜西工大!

延伸閱讀:變循環發動機

大涵道比(比如客機的發動機)推力大、油耗低但大風扇阻力也大,小涵道比渦扇發動機推力提升快,但油耗較高,為解決這一矛盾,能夠調節涵道比的變循環渦扇發動機,早先與F22競爭的戰鬥機YF-23的發動機就是變循環設計,不過當初並不成熟。

通用電氣(GE)開發的GE XA100是一種最新設計的自適應循環發動機,這是NGAD(美國空軍第六代戰鬥機)的動力,它的推力達到瞭20噸級,推重比達到15以上!

這種變循環發動機結合瞭渦噴和渦扇發動機的優點,比目前美國最先進的發動機,推力增加10%,可降低油耗25%,增加航程35%。更可怕的是普惠公司XA101自適應循環發動機也已經在測試。

不過要說明的是變循環發動機不適合高超音速,但它在跨音速領域具有相當大的優勢,與超燃沖壓發動機的使用范圍完全不一樣!

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  • 本文由 发表于 2022年7月6日
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