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超强台风里点火柴?“飞天一号”字少事大!

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出品|网易新闻

导语:不久前,由西北工业大学、北京动力机械研究所、陕西空天动力研究院联合研制的验证飞行器“飞天一号”在西北某基地成功发射。其只有一句话的新闻也因此被称为“上了天的招生简章”。在“飞天一号”字少事大的官宣后又有哪些信息值得关注?


配图:“飞天一号”发射任务现场合影

图源:西工大摄

一、“火箭”出了轨?还是“喷气机”劈了腿?

火箭冲压组合动力究竟是什么?常见的喷气发动机,如涡轮喷气(涡喷)和涡轮风扇(涡扇)发动机——都可归为燃气涡轮发动机。它利用压气机将空气压缩成高压气体,其中一大部分混上燃油,点燃、喷出气体形成推力;一小部分则用于驱动压气机。


配图:涡扇(上)与涡喷(下)发动机结构示意图

但也正因为压气机与涡轮机的存在,燃气涡轮发动机在速度提升至3马赫开始,工作效率也急剧下降。于是,喷气发动机的运用出现了更“简单粗暴”的“返祖”——冲压发动机(早在1913年,法国工程师雷纳·劳伦就提出了冲压发动机的概念)。它省去了涡轮机来推动压气机,而是纯粹靠高速飞行时进气锥形成激波压缩空气,将动能转变成压力能,并将进入燃烧室的升温升压的空气与燃油混合燃烧,收敛扩张超音速喷嘴把燃烧产生的热量转化为动能,形成巨大推力。


配图:冲压发动机结构示意图

不过,冲压发动机单靠自己是飞不起来的,需要额外的动力来助其由静止到高速形成激波,方可顺利启动。此时就要给冲压发动机串联一个“一级动力”:比如涡喷或是火箭发动机。

“飞天一号”首射新闻中提到“火箭冲压组合动力”,即指通过直接燃烧燃料排出高温高速燃气来获得推力的火箭发动机以驱动冲压发动机达到运行工况。


二、氧化剂+特制燃料“失宠”,航空煤油才是“真香”

从官方发布的内容描述来看,“飞天一号”的速度达到了高超音速,即5马赫以上。仅以速度而论,这并非冲压发动机的专利,诸如固/液体火箭发动机的各类运载火箭可以轻松以第一宇宙速度将航天器送入轨道。然而单纯的火箭发动机为这一速度代价不菲:火箭在大气层飞行时,氧气伸手即得却还需自己“带氧”,使总重70%以上是氧化剂,因而在相同体积的情况下,其有效负载低于安装有冲压发动机的飞行器。巨大的耗氧量和相对有限的总重也让火箭工作时间仅占整个飞行段的1/3,且机动包线范围严格受限。而此时,比冲高、工作时间长、机动包线范围广的冲压发动机明显更为优越。

在冲压发动机领域、特别是应用于高超音速飞行的研究上走的最早、最远的是美国:在2004年测试了X-43A高超音速验证机并创下吸气式飞行器的最高速度纪录。不过作为一种验证大气层内工作、需要反复使用的飞行器,X-43A在有一点上有所缺憾:它使用的是液氢燃料,无论是保存、加注便利性与安全性还是使用成本都不及更为常见的碳氢燃料,大气层内飞行器以液氢为燃料并不算“空前”。


配图(①):苏联图-155验证机


配图(②):以液氢为燃料的苏联图-155验证机示意图


配图(③):苏联图-154示意图

但液态氢能量密度仅为传统碳氢燃料四分之一,因此需要大量空间(上图②红圈处)携带燃料,载荷能力较传统燃料型号明显下降(对比上图③)。而后使用碳氢燃料冲压发动机的X-51A(启动燃料采用乙烯)又先后在2010-2013年期间试飞4次,并在第四次测试飞行时达到了5.1马赫。而此次成功首飞“飞天一号”也同样采用煤油作为燃料的发动机以提供更好的耐热、稳定、抗爆能力,在此方面站在对标世界一流的赛道上。

三、从地平线到卡门线,“飞天一号”领跑混动赛道

单纯以超燃冲压发动机作为动力方案的飞行器,如“X-51”等,其缺点在于所使用的动力的速度区间非常狭窄,仅能在6-7马赫的速度区间内工作,这使它的研制代价与实用前景相比有些“费力不讨好”。而在新闻中,“飞天一号”最核心的描述是“首次完成了从火箭/亚燃、亚燃、超燃、火箭/超燃——RBCC(Rocket-Based Combined Cycle,RBCC)的多模态平稳过渡”。

所谓火箭/亚燃——是指从火箭加速后,在2-4马赫,启动亚燃冲压发动机,将高速气流降速增压,降至亚音速,燃烧后通过拉瓦尔喷管将飞行器加速到超音速;亚燃——亚燃发动机稳定工作,继续加速;超燃——在来流速度达到5马赫以上时,亚燃模式转为超燃模式;火箭/超燃——则是指两种工况同时进行。而前面谈到的“超宽包线高效燃烧组织”、“热力喉道”这两项技术无论多复杂,最终也都是为满足“RBCC模式”而服务。


配图:“飞天一号”四种工作模态原理图

如此复杂的RBCC循环,如果没有足够多的好处自然是得不偿失:当“飞天一号” 于零速度以火箭模式启动切换到冲压模式时,可产生大约10%的起飞推力增益,从而可让火箭做的更轻小;在20~40km以上高度利用火箭发动机低工况工作改善冲压发动机机动性,比在单纯冲压发动机工作模式的情况下可将推力提高40%;而如果高度、速度进一步提升,则可以完全关闭进气道,进入纯火箭模式。这也意味着采用这套动力系统后,火箭/飞行器具备了从地平线到卡门线间自由飞跃的潜力,实现了1+1>2的效果。

上世纪中叶起,世界航天大国就相继开始RBCC发动机的研制,并在90年代后达到高峰:美国、欧洲在本世纪初相继开展“Sentinel”、“EXTV”和“Themis”等RBCC动力飞行器的设计工作,但无一例外停留在概念设计与子系统验证阶段。可以说在“飞天一号”之前,全世界尚无任何一个国家、包括我国,完成过RBCC模式发动机在四种工作模态之间的转换能力。


配图:正在规划中的美国Sentinel飞行器任务剖面

从已公开报道中可推测,“飞天一号”作为一个验证型号,它的主要任务就是验证发动机在四种工作模态之间的转换能力,为将来更实用的“腾云工程”及其TRRE(涡轮—冲压—火箭基组合)发动机先行验证。


四、超强台风里点火柴,“飞天一号”还能“比博燃”

在冲压发动机半个多世纪的实用化历史中,更多被采用的还是亚燃冲压发动机——燃烧室内的空气流速低于音速,这是因为在超声速气流条件下,燃料燃烧的组织控制难度大,如燃料停留时间太短,混合效率非常低。

因此,以早年技术水平,只有降低气流速度才能保证动力系统持续稳定燃烧。如此“慢”的进气燃烧速度,也让亚燃冲压发动机的推进速度最高不超过4马赫。而要想实现“飞天一号”的高超音速,就必须保证流经燃烧室的气体速度经过压缩后仍然保持在超音速,还能稳定燃烧,而这一项的难度被堪称“在超级台风中点火柴”。



配图:在高超音速风洞内测试的超燃冲压发动机

如果只是想把“飞天一号”的速度定格在6-8M的高超音速,国内外已经有许多较为成熟的方案,比如利用氢或是乙烯作为点燃碳氢燃料的先锋火焰;通过合理设计的凹腔火焰稳定器,形成低速回流区,改善航空煤油灯碳氢燃料与空气的混合程度和火焰稳定性,促进燃烧室内的燃烧释热过程。

但是,如果想让“飞天一号”“燃起来”还有更难上加难的地方:如X43、X-51A这样的“超燃冲压先驱”,只有发射时的火箭模态与达到启动速度转入冲压模态。而“飞天一号”在四种模态:引射模态、亚燃冲压模态、超燃冲压模态和纯火箭模态(RBCC模式)之间变换。其中亚声速燃烧与超声速燃烧具有显著不同的特点,仅靠前面方式“一招鲜”是难以“吃遍天”的。

国内资料数据显示,“飞天一号”可以通过发动机进气道内的支板引射面积,提高火箭发动机燃气与空气两者间的掺混质量,使火箭发动机燃气与冲压燃烧室气流静压和流速能够适应,实现超燃冲压燃烧内的超宽包线高效燃烧组织。


配图:美国“Strujet”RBCC发动机进气道示意图

国内“飞天一号”等RBCC发动机也可采用类似原理的支板结构以解决超燃模式的进气问题。除了在进气与燃烧上下功夫外,不同的速度还要配合释放合适的推力。因此“飞天一号”应用了热力喉道调节技术、通过改变燃料喷注位置和喷注量来改变发动机喉道位置及开度:在亚燃冲压模态下,以热源形成一个“热力喉道”,来模拟拉瓦尔喷管的作用,充当亚音速燃烧室末端收敛喷管的角色;在进入超燃冲压模态后推力全开,此时发动机已经不再需要喉道压缩效应,“热力喉道”便可以关闭,实现推力与速度调节。

结语:

如今,在空天动力领域的国际竞争非常激烈,航天航空动力也一直是国际前沿工程学科。尽管“飞天一号”还属于技术验证型号,而从技术验证型号再到工程实践应用,仍有很长路要走;但“飞天一号”在经济性、重复使用周期、全寿命成本,发射成本等各方面展现出的潜力,将尝试为目前人类廉价进入宇宙蹚出了一条传统化学火箭外新的道路。


参考文献:

[1] 张玫,张蒙正,刘昊.火箭基组合循环动力研究进展[J].科技导报,2020,38(12):54-68

[2] 何国疆,秦飞,魏祥庚,等火箭冲压组合发动机中若干基础燃烧问题研究.实验流体力学[J],2016,30(7):7—14

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