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全球首次!西工大冲压组合循环发动机:到底能干啥?究竟有多先进?

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2022年7月5日,西北工业大学官方微博上发表了一条推文,内容如下:

祝贺!西工大“飞天一号”发射成功!

2022年7月4日,西北工业大学航天学院空天组合动力团队牵头研制的“飞天一号”火箭冲压组合动力在西北某基地成功发射:

国际首次验证了煤油燃料火箭冲压组合循环发动机火箭/亚燃、亚燃、超燃、火箭/超燃的多模态平稳过渡和宽域综合能力,突破了热力喉道调节、超宽包线高效燃烧组织等关键技术,飞行试验圆满成功。


熟悉高超音速动力的朋友对冲压组合循环发动机应该非常熟悉,这种发动机到底能干啥呢,它的先进程度又是如何呢?

7月3日的“悬案”破解了,就是西工大的试验?

7月3日傍晚的“某超试验”大家都知道了,一个高速飞行的物体拉出了一条长长的尾迹,从东北飞向西南然后转向到了朝西方向,以肉眼可见的高速消失在视野中,以下是从三个不同位置目击到的现场动图:




从这些动图中可以看到几个非常关键的信息:

1、这是一种火箭动力的飞行器;

2、飞行方向朝向西方,与常规卫星发射方向西南或者东南不一样;

3、从排出的烟羽来看,应该是固体火箭发动机;

4、飞行轨迹大致为水平飞行,速度很高,肉眼可见的高速飞行;

种花家在7月4日发表文章中分析为火箭动力的高超音速载具实验,结果7月5日西工大官方微博就释放出了火箭冲压组合循环发动机火箭测试成功的消息,似乎两者还真能对得上号。


不过两者的时间上似乎有些对不起来,一个是7月3日傍晚,而西工大的则是7月4日,显然两者应该不是同一天测试,除非西工大有意隐瞒测试时间。尽管两者的测试产生的可能结果相似性很高,但两者应该不是同一个东西,西工大测试的飞行器可能另有其物!

冲压组合循环发动机到底能干啥?究竟有多先进?

冲压组合循环发动机到底能干啥?这可能是很多朋友都有的第一个问题,不是已经有喷气式发动机了么,都说这才是皇冠上的明珠,怎么又出来一种发动机?


其实原因很简单,喷气式发动机无法适应高超音速!

目前的喷气式发动机主要有涡轮喷气(涡喷)和涡轮风扇(涡扇)发动机两大类,其中比较省油的是涡扇,因为它有一个大风扇吸入的气体旁通从尾部排出,推力大、省油,可以带来很好的推重比。

存在外涵道的涡轮风扇发动机


但由于涡扇的超大风扇造成阻力比较大,一般很难超过2倍音速,速度再高的话这个大风扇就会变成累赘带来阻力!高速下没有这个大风扇的涡喷显然更有优势,因此在高速飞行器中涡喷性能会更好。

没有外涵道的涡轮喷气发动机


但涡喷又不够省油,因此后来就出现了变循环发动机(目前的变循环发动机仍在测试中),比如改变如增压比 、涡轮进口温度、空气流量和涵道比等,它可以工作在涡喷模式,也可以在涡扇模式甚至冲压模式,在亚音速、跨音速、超音速,“高超音速”模式下性能都不错。


但它也无法实现真正的高超音速,因为飞机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,在这个阶段,变循环发动机也无能为力!

火箭都可以将卫星送上太空,冲压发动机又是哪根葱?

一定有人会问,既然变循环发动机都无法实现真正的高超音速,那么火箭发动机不行吗?答案显然是可以的,比如目前随便找款航天发射用的发动机,都可以将卫星发射到近地轨道上,其速度超过7.8千米/秒,这基本就是25~30倍音速了,为什么不用简单暴力的火箭发动机?


答案是火箭发动机的燃料箱太重太浪费

只要能抗住大气层激波加热的高温,火箭发动机的加速确实可以,但火箭发动机有一个缺点,就是工作时间太短,比如一枚中距弹,其动力射程不足全程的1/3,之后的射程都是惯性滑行,原因也很简单,因为其有限的空间内不仅要带燃料,还要携带氧化剂。

火箭的氧化剂和燃料储箱


导弹用的都是固体燃料,其包含了氧化剂!根据化学反应方程式就可以算出燃料和氧化剂的比例,比如氢氧燃料的火箭,氢氧的体积比是2:1,质量比是1:8,这氧化剂居然是燃料的8倍,这火箭绝对是坑爹的,在大气层内飞行,氧气到处都是,居然要自己携带,这不是脑子有问题?


它到底有多难?或者说究竟有多先进?

冲压发动机就是在这样的背景下诞生的,它是在高速下气流经过特殊的进气道压缩后直接进入燃烧室,再混合燃料后点燃,整个发动机没有运动部件,不仅质量轻而且推力大,推重比要比复杂的涡喷或者涡扇发动机高并且结构简单1000倍。


普通的冲压发动机难难度尽管比较高,但目前早已成功应用,比如目前就有很多远程空空导弹(固体冲压),超音速反舰导弹(液体或者固体冲压)发动机应用比较普遍,比如俄罗斯的SS-N-22日炙式反舰导弹使用的是整体式液体冲压发动机。

SS-N-22一体式液体燃料冲压发动机


欧洲的“流星”空空导弹用的是固体火箭冲压发动机,其射程可达180千米以上,性能还是非常不错的!但这些导弹的速度最多也就在3-4马赫左右,因为它们的冲压发动机燃烧室内的气体经过压缩后的速度是亚音速的,无法再提高速度,否则无法建立稳定燃烧,这类发动机就是亚燃冲压发动机。


所谓的超燃冲压发动机指的是流经燃烧室的气体速度经过压缩后仍然在超音速,这种发动机燃烧室稳定燃烧后其推进的最高速度可达5~6马赫以上,这才是真正的高超音速世界,一旦到了这个速度,目前没有任何一种导弹能追得上,简直就是紫禁之巅,独孤求败!


氢燃料还是碳氢燃料,这是一个分水岭

随着速度的增加,冲压式喷气发动机的效率开始下降,因为入口处的空气温度由于压缩而急剧增加。随着进气温度接近排气温度,以推力形式提取的能量就会减少,因此为了解决这个问题,在超燃冲压发动机中就会使用燃料对进气进行冷却。

X-43A


比如在进气口喷入液氢冷却,一个是预热液氢,另一个是冷却空气,通过燃烧室的空气被压缩却温度不高,比如美国测试的X-43A高超音速验证机使用的就是液氢,其3.7米的机身内装载了2千克液氢。


2004年3月,被火箭带到高空的X-43在分离后成功点火,11秒内飞行器速度达到了6.83马赫(7456千米/小时),同年11月16日,X-43A在1.3万米的高度达到了9.64马赫的速度(10240 公里/小时),这是吸气式飞行器的最高速度。


冲压发动机就这样成功了吗?显然没有,因为液氢保存太麻烦了,超燃冲压发动机理想的燃料是碳氢燃料,比如航空煤油,了不起也就用下黑鸟SR-71的JP-7燃料(一种特殊配置的碳氢燃料),无需特殊保温手段,可以使用普通加油机空中加油等。

SR-71


比X-43更大的X-51A驭波者(长度达到了7.62米)用的就是这种燃料,但它启动时用的是乙烯,这种常温状态下为气体的燃料沸点很低,用来预冷以及点燃冲压发动机比较合适,不过X-51A在测试时多次遭遇问题:

  • 2010年5月26日成功完成了首次动力飞行,最高速度达到了5马赫,持续燃烧时间为200秒;
  • 2011年6月13日测试飞行时,乙烯燃料点燃后达到5马赫时启动谈氢燃料冲压发动机失败;
  • 2013年5月1日,第四次测试飞行时达到了5.1马赫,飞行持续210秒,这是飞行时间最长的一次。


尽管已经多次成功,但美军测试时间要求是300秒,基本上没有完成既定的任务,不过取得了大量的数据,仍然有利于未来展开新的测试,不过美国似乎将注意力转移到了高超音速滑翔武器,之后的超燃冲压发动机消息寥寥。


不过在2021年9月27日,DARPA(美国国防部高级研究计划局)宣布其高超音速吸气武器概念(HAWC)超燃冲压发动机巡航导弹成功试飞,并且在2022年3月中旬成功进行了另一次试验。

HAWC


西工大的组合循环发动机是什么级别?

冲压发动机性能非常好,但存在一个问题,它无法零速度启动,只能用火箭发动机推动超过音速后才能启动,而且启动时仍然是亚燃冲压,待速度达到4-5马赫时才能切换到超燃冲压发动机状态,西工大的简短的报道中有如下描述:

全球首次验证了煤油燃料火箭冲压组合循环发动机火箭/亚燃、亚燃、超燃、火箭/超燃的多模态平稳过渡和宽域综合能力,突破了热力喉道调节、超宽包线高效燃烧组织等关键技术,飞行试验圆满成功。

这台发动机可以在火箭/亚燃、亚燃、超燃、火箭/超燃的多模态平稳过渡,不知道各位从中体会到了什么,它可以在如下模式中平稳过度:

  • 1、火箭到亚燃冲压过度:零速度以火箭模式启动切换到冲压,此时是超音速状态;
  • 2、从亚燃冲压过度到超燃冲压,超音速到4-5马赫时切换到超燃冲压状态,此时速度应该已经超过5马赫;
  • 3、或者直接从火箭模式切换到超燃冲压模式;

笔者很想了解是否可以从超燃冲压模式再次切换到火箭模式,如果可以这样操作的话,那么它就是未来空天飞机的理想动力,实在是太牛掰了!因为超燃冲压将飞行器推到高空后大气逐渐稀薄,无法再持续用超燃冲压时再次启动火箭发动机,将飞行器加速到第一宇宙速度并进入环绕地球轨道。

其高速载具看上去很是邪恶


另一个关键是煤油!这表示西工大的组合发动机是普通的谈氢燃料,这一点非常重要,因为煤油燃料的超燃冲压发动机能稳定燃烧并且完成从火箭/亚燃、亚燃、超燃、火箭/超燃的多模态平稳过渡是非常了不起的,西工大能以“国际第一”的标题刊发,也代表了他们的研究领域的先进程度,恭喜西工大!


延伸阅读:变循环发动机

大涵道比(比如客机的发动机)推力大、油耗低但大风扇阻力也大,小涵道比涡扇发动机推力提升快,但油耗较高,为解决这一矛盾,能够调节涵道比的变循环涡扇发动机,早先与F22竞争的战斗机YF-23的发动机就是变循环设计,不过当初并不成熟。


通用电气(GE)开发的GE XA100是一种最新设计的自适应循环发动机,这是NGAD(美国空军第六代战斗机)的动力,它的推力达到了20吨级,推重比达到15以上!


这种变循环发动机结合了涡喷和涡扇发动机的优点,比目前美国最先进的发动机,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自适应循环发动机也已经在测试。


不过要说明的是变循环发动机不适合高超音速,但它在跨音速领域具有相当大的优势,与超燃冲压发动机的使用范围完全不一样!

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