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我国3种新概念爆震发动机成果丰硕!目前已有2种领先美国

发布时间:2022-09-01 22:47:05 来源:乐鱼体育app在线登录 作者:乐鱼app下载

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  说起航空发动机,多数人第一反应就是落后美国很多,少说也有20年,事实真的如此吗?

  并非如此!航空发动机分为很多类,例如活塞发动机、涡轴发动机、涡桨发动机、涡喷发动机、涡扇发动机、冲压发动机、变循环发动机、组合循环发动机、爆震发动机。

  不可否认,在现有的几大类航空发动机我国仍然落后于美国,但在新概念发动机方面我国却大有全面赶超美国之势,比如爆震发动机。

  爆震发动机是基于爆震燃烧原理的新型动力装置,利用脉冲/连续旋转爆震波产生的高温、高压燃气来产生推力的新概念发动机,爆震发动机又根据实现方式的不同分为脉冲爆震发动机(PDE)、旋转爆震发动机(RDE)和斜爆震发动机(ODE)。

  PDE每次起爆都需要点火,而RDE只需要一次起爆即可。相比PDE,RDE的重量更轻,使用燃料更少,却能产生更大的推力,推重比可达20。PDE和RDE适合5-6马赫的准高超飞行,而ODE可以达到6-17马赫的更高速度。因此,中美两国在爆震发动机领域的研究逐渐转向RDE和ODE。

  连续旋转爆震发动机(RDE)可作为商业航天火箭动力,高速无人机动力,燃气轮机动力,应用于各类火箭和导弹、临近空间飞行器、军用飞机、无人机等领域。连续旋转爆震发动机在商业应用上,具有极高的价格竞争优势,相较其他类型同等推力产品可降低一半以上成本,具有极大的军事和商业应用价值。斜爆震发动机则可应用在高超音速飞行器上,今后甚至可以基于这种发动机研制出新概念高超音速客机,2小时全球到达,应用在导弹上则将成为拦截难度非常大的高超音速武器。

  一旦RDE技术发展成熟以后,这种发动机还可以与涡扇发动机结合,成为继变循环发动机之后的下一代航空发动机,也称为第7代航空发动机,也称为自增压发动机。而ODE技术成熟之后,则可以成为两级组合空天飞机的一级动力。因此,爆震发动机是一类技术前景十分广阔的未来航空动力。

  爆震发动机可以看成定压力燃烧,而涡扇发动机都是定容燃烧。由于爆震波的传播速度极快,达到每秒几千米,因此,爆震发动机整个燃烧过程接近定压燃烧。由于定压燃烧的热循环效率大大高于定容燃烧,达到49%,而定容燃烧效率仅为27%,因此爆震发动机相比涡扇发动机还具有热效率更高的优势。

  与传统发动机相比,爆震发动机省去了压气机、涡轮机等部件,具有结构简单、推重比高、成本低廉等特点。据估计,脉冲爆震发动机的推重比可达20,并且未来还有可能继续提升,而现有最先进涡扇发动机的推重比仅12~13。

  研究表明,涡扇发动机最高只能支持飞行器在0-3马赫速度区间内飞行,即便是涡轮-冲压发动机也只能在0-5马赫速度区间内飞行。然而爆震发动机不仅能够零速度启动,而且最高飞行速度可达5马赫以上,其中斜爆轰发动机最高飞行速度甚至可以达到17马赫。

  在爆震发动机领域,中美两国成果最多,技术水平最高,通过对比中美在爆震发动机领域的技术进展,我们可以了解我国在爆震领域的技术水平。为避免误会,在此声明,以下消息均来源于国内外媒体公开报道。

  2003年,普惠公司与波音公司联合研制了全尺寸、飞行进气条件下的五管PDE验证样机ITR-2。该样机完成了模拟飞行马赫数(Ma)2.5、飞行高度12192m条件下的地面试验,实现了单管工作频率80Hz稳定工作,产生推力约6700N,最小单位燃料消耗率仅为0.08kg/(N·h)。此外,普惠公司的研究还表明,采用碳氢燃料时,纯PDE的最大飞行速度可达Ma4,若采用氢燃料,飞行速度还能提高。

  2008年1月31日,由美国空军研究实验室(AFRL)领导研究的PDE在莫哈维机场进行了首次试飞验证,由经过改装的代号为“Long E-Z”的小型飞机采用传统的涡扇发动机进行起飞与降落,飞行期间切换四管PDE工作了10s,飞行高度约为30m,产生高于 890N的推力。这次飞行试验对PDE工程化研究具有划时代的意义,证明了PDE作为动力装置的潜力。

  2010年得克萨斯大学阿灵顿分校设计制造了一种大尺寸单管旋转阀的脉冲爆震发动机,爆震管直径为 10cm,采用预蒸发的煤油做燃料,空气做氧化剂,并进行了地面验证试验。初次的循环试验获得了大约980N的峰值推力,火焰传播速度在1288~1530m/s,达到了亚C-J爆震波速。

  2020年5月,美国中央佛罗里达大学的一个研究小组跟空军研究实验室的旋转爆震火箭发动机(RDRE)项目的合作团队声称已经建立并测试了一个工作实验室模型。据悉,该模型是一个3英寸的铜试验台,使用氢和氧的混合物作为燃料,测试中产生了200lbf的推力。该研究小组负责人声称,美国空军的目标是在2025年进行一次火箭发射飞行试验。

  2021年5月17日,美国中央佛罗里达大学的工程师们一直在开发一种斜爆震发动机(ODE),该发动机利用了持续的,被约束的爆炸原始动力。现在,他们已经成功地启动了该发动机,并首次在发动机内捕获并稳定了固定的持续爆震,将其强大的爆震转化为推力,并成功运行3秒。

  2002年,西北工业大学在国内率先完成了两相脉冲爆震燃烧原理性试验,而后突破了高频工作关键技术,最高单管两相爆震频率高达140Hz,采用气态燃料时单管最高频率已达200Hz;进行了由涡轮增压器和脉冲爆震燃烧室组成的混合式PDE以及六管并联PDE研究;研究了起爆方式、进气方式、尾喷管形式、引射器等对性能的影响,突破了诸多关键技术并掌握了相关设计方法和对性能的影响规律。基于多年积累,西北工业大学研制了国内首台PDRE地面演示验证样机,并成功进行了多次地面滑跑试验。

  南京航空航天大学主要侧重于脉冲爆震燃烧技术的工程化应用研究,研究内容具有很强的实用性和针对性。他们在脉冲供油、供气、点火、单级起爆、两相爆震燃烧、缩短爆燃向爆震转变距离等关键技术的研究中取得了显著进展,并完成了带旋转阀的三管PDE基础原理样机研制;还进行了气动阀式PDE原理样机研究,在常温常压条件下以汽油为燃料、空气为氧化剂的试验条件下产生了充分发展的脉冲爆震波,获得1300N的最大推力。

  2017年3月6日,第21届国际航天飞机和高超声速系统与技术大会,在厦门举行,我国姜宗林团队直接展示了660毫米直径的连续旋转爆轰发动机试验性样机。

  2019年3月,民营企业重庆推重比动力科技有限公司在重庆大学的帮助下,完成首台多管并联脉冲爆震发动机点火试车。

  2020年12月11日,中科院力学所高温气体动力实验室的姜宗林团队在《航空学报》上发表文章,宣布已经在M9风洞里进行氢燃料的斜爆震发动机的成功测试,斜激波在理论上可以达到M16以上。

  2021年12月,媒体报道称,重庆推重比动力科技有限公司自主研制的H1-M连续旋转爆震发动机已完成数十次热试车考核,实测技术指标基本达到试验设计要求,为推重比公司后续研制基于爆震推进的液体火箭发动机奠定了阶段基础。

  2022年5月1日,清航空天清航壹号旋转爆震冲压发动机飞行试验评审会圆满召开。评审专家一致认为,清航壹号旋转爆震冲压发动机圆满完成预定科学试验任务,达到试验目的。这是国际范围内旋转爆震冲压发动机首次飞行试验。

  2022年7月30日,重庆推重比动力科技有限公司研制的H1-M连续旋转爆震发动机成功完成百米轨道滑跑试验,最大滑跑距离达到100米。报道称该发动机的设计推力为100N,调节范围为40%~150%,累计工作次数超过30次、累计工作时间约300s,试验考核均已达标,计划2年后推出产品。

  由于我国在新概念发动机方面的研究进展并不完全公开,上述消息也仅是公开的消息,我国在爆震发动机领域的实际成果只会更多。

  结论:对比发现,我国在旋转爆震发动机和斜爆震发动机领域均已经领先于美国同行!当然,我国领先的幅度并不大,仍需再接再厉。欧美国家科研团队向来很注重节假日,而我国科研团队工作强度更大,很多甚至一年到头都没几天假期。此外,我国是世界上工业体系最完整的国家。因此,不出意外的话,我国的研制团队将凭借更完整的工业体系,更高的工作强度赢得爆震发动机研制竞赛,全面领先美国同行!