高超声速发动机控制实现突破

这是一位艺术家对Hyper-X研究飞行器与助推火箭分离后在超燃冲压发动机动力下自由飞行的描绘。对高超声速喷气式飞机的新研究可能会通过使超燃冲压发动机更加可靠和高效来改变太空旅行，从而产生类似飞机的航天器。

这张来自原始Hyper-X测试的计算流体动力学图像显示了发动机以马赫数7的速度运行。

2004年11月16日，NASA的B-52B携带第三架也是最后一架X-43A飞行器，在“飞马座”火箭上巡航到太平洋上空的试验场。

弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员证明，可以使用光学传感器控制双模超燃冲压发动机。

作为NASA资助的一项新研究的一部分，弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员在《航空航天科学与技术》杂志6月刊上发表了数据，首次表明超声速燃烧喷气发动机中的气流可以由光学传感器控制。这一发现可能实现高超声速喷气式飞机更有效地控制。

此外，研究人员还实现了超燃冲压发动机的自适应控制，这是高超声速推进的又一创举。自适应发动机控制系统可响应动态变化，以保持系统的整体性能最佳。

“自上世纪60年代以来，建造单级入轨飞机一直是航空航天的优先事项之一，我们希望这些飞机像传统飞机一样从水平起飞飞入太空，并像传统飞机一样降落在地面上。”弗吉尼亚大学航空航天研究实验室主任克里斯托弗·戈恩教授说，“目前，最先进的飞船是SpaceX星际飞船。它有两个阶段，垂直发射和着陆。但为了优化安全性、便利性和可重复使用性，航空航天界希望建造更像波音737的东西。”

戈恩和他的合作研究者，弗吉尼亚大学工程学院副教授克洛伊·德迪奇（Chloe Dedic）认为，光学传感器可能是控制方式的重要组成部分。“对我们来说，如果一架飞机以马赫数5或更高的高超声速运行，那么采用更接近光速而不是声速的传感器可能更可取。”戈恩说。

提高超燃冲压发动机性能

长期以来，NASA 一直在努力防止喷气发动机中可能出现的“未启动”现象，该术语表示气流的突然变化。这一名称源于超声速风洞的专门测试设施，“启动”意味着风已达到所需的超声速条件。

弗大工程学院有几个超声速风洞，包括超声速燃烧设施，它可以模拟以5倍声速行驶的高超声速飞行器的发动机状况。“我们可以运行数小时的测试条件，使我们能够在真实的发动机几何形状上试验新的流量传感器和控制方法。”德迪奇说。

冲压式喷气发动机本质上是利用飞机的向前运动将空气“撞击”到发动机中，以产生燃烧燃料所需的温度和压力。它们的工作速度约为马赫数3~6。随着飞行器前部的进气量变少，冲压式喷气发动机的内部风速减慢到亚声速。然而，飞机本身却没有。

不过，超燃冲压发动机略有不同。虽然它们也是“吸气式”的，并且具有相同的基本设置，但它们需要保持通过发动机的超快气流以达到高超声速。

戈恩解释：“如果高超声速发动机内部发生了一些事情，并且突然产生了亚声速条件，那就是“未启动”，推力会突然减小，届时可能很难重新启动进气。”

测试双模超燃冲压发动机

目前，与冲压式喷气发动机一样，超燃冲压发动机需要升压才能使其达到可以吸收足够氧气运行的速度。这可能需要火箭助推器的帮助。

最新的创新是双模式超燃冲压发动机燃烧室，这是弗大工程学院领导的发动机测试项目。双模式中较低的马赫数以冲压式喷气发动机模式启动，然后以超过马赫数5的速度在燃烧室中接收完整的超声速气流。在发动机进行过渡时防止启动失败至关重要。

来风与进气道壁相互作用，形成一系列冲击波，称为“激波”。传统上，这些激波的前缘会对飞机结构的完整性造成破坏，因此一直由压力传感器控制。例如，传感器可以通过重新定位激波的位置来进行调整。但是，如果飞行干扰改变了空气动力学，那么激波的前缘位置可能会迅速改变。激波会给进气口增压，产生“未启动”条件。

戈恩说：“如果你以声速感知，但发动机运动进程的速度比声速快，那么就没有太多的响应时间。”他与合作者想知道是否可以通过观察发动机火焰的特性来预测即将发生的“未启动”事件。

感应火焰的光谱

该团队决定使用光学光谱传感器来获得控制激波前缘所需的反馈。

光学传感器不再像压力传感器那样局限于在发动机壁上获得的信息，可以识别发动机内部和流路内的细微变化。该工具分析光源发出的光量（在本例中为超燃冲压发动机燃烧器内的反应气体）以及其他因素，例如，火焰的位置和光谱含量。

博士生埃尔科维茨解释说：“发动机内火焰发出的光是在燃烧过程中被激发的分子弛豫所致。不同的物种会发出不同能量或颜色的光，从而提供压力传感器无法捕捉到的有关发动机状态的新信息”。

该团队的风洞演示表明，发动机控制既可以预测又可以自适应，可以在超燃冲压发动机和冲压发动机功能之间平稳过渡。事实上，风洞测试是世界上第一个这种类型的双模式发动机的自适应控制可以通过光学传感器实现的证明。

面向未来

虽然还有很多工作要做，但光学传感器可能是戈恩认为将在他有生之年实现的未来的一个组成部分——像飞机一样往返太空。

双模超燃冲压发动机仍然需要某种助推力才能使飞机至少达到马赫数4。但是，不完全依赖火箭技术会带来额外的安全性，火箭技术需要携带高度易燃的燃料以及大量的化学氧化剂来燃烧燃料。减轻的重量将为乘客和有效载荷提供更多空间。这种一体

化飞机可以像航天飞机一样滑回地球，甚至可以提供成本效益、安全性和可重复使用性的理想组合。

戈恩表示。虽然商业航天工业已经能够通过一些可重复使用性来降低成本，但他们还没有实现类似飞机的操作。新技术可能会让访问太空比目前的火箭技术更安全。（航柯）