近年來,我國不僅在傳統的航空發動機方面取得了重大突破,先後研發了「太行」「峨嵋」等大推力發動機,使得我國先進戰機有了可靠的「中國心」;而且在新概念發動機方面,更是喜訊連連,不斷取得進展,多項研究成果領先世界。
早在2019年初的時候,鳳凰網曾報導過,我國自主研發的渦輪基組合循環發動機(TBCC)已經完成試飛驗證,這是國產飛機和發動機一個技術突破。TBCC發動機飛行試驗項目由航空工業成都所總設計師王海峰領導,表明該發動機已完成發動機本身的研發階段,進入飛機-發動機集成測試階段。
從王海峰主持的TBCC發動機飛行試驗項目來看,目前我國在渦輪基組合循環發動機方面已經取得了研發階段性進展。這種發動機的優勢相當明顯,可以選擇在不同的速度區間啟動不同的發動機,比如在0~3馬赫,是採用燃氣的渦輪類發動機/亞燃衝壓發動機的有利工作範圍;在3~5馬赫,是採用碳氫燃料的亞燃衝壓發動機的有利工作範圍;在4~10馬赫,是採用碳氫燃料的超燃衝壓發動機的有利工作範圍,其中亞燃衝壓發動機轉換到超燃區域的速度在4~5馬赫左右。
據推測,國產渦輪基組合循環發動機首先將應用於相對簡單的無人機,待未來技術成熟後,還可用於空天飛機的推進系統、高超聲速飛彈的動力系統等。
近日,中國科學院力學研究所姜宗林團隊又在新型高超發動機方面取得突破性進展。
姜宗林教授是我國的氣動物理學家,他的團隊一直致力於激波與爆轟物理、高溫氣體流動理論和高超聲速試驗技術方面的基礎研究。二十多年來,他們提出了氣體爆轟統一框架理論,建立了正向爆轟技術,研發了JF-16正向爆轟驅動膨脹風洞、JF-12復現風洞(馬赫數5~9,飛行高度25~50km,風洞長267 m,噴管直徑2.5m)和JF-22超高速風洞(馬赫數10~25,飛行高度40~80km,風洞長167m,噴管直徑2.5m),成就了國家先進空天飛行器試驗平臺,刷新了一項又一項的世界第一。這些先進的科研裝備在國家重大任務實施和高溫氣體動力學前沿問題探索中發揮著不可替代的作用。
駐定斜爆轟衝壓發動機的試驗模型及其在JF-12復現風洞中安裝的照片
姜宗林團隊研發的新型高超發動機,名字叫「駐定斜爆轟衝壓發動機」。
爆轟是一種極端燃燒現象,具有自持、自組織和增壓燃燒特徵,而且理論上具有近等容循環的熱效率,能給出更高的機械能輸出。
駐定斜爆轟衝壓發動機理論運行範圍為馬赫數6~16,可用於重複使用的跨大氣層飛行器——空天飛機,使得飛行器能夠從機場跑道起飛,加速進入太空執行任務,然後重新進入大氣層,最終在機場降落。
這麼快的速度,不難想像,未來的空天戰機將實現在2小時以內抵達全球任何地點。
兩小時打遍全球,想想都激動。
駐定斜爆轟衝壓發動機燃燒室內斜爆轟圖像和計算模擬得到的H2濃度分布(燃料)
姜宗林團隊提出了吸氣式高超聲速推進的兩個臨界條件。其中,第一臨界條件闡述了超聲速氣體流動中燃燒局部的亞聲速或者超聲速流動狀態的判定問題和上行激波產生機制;第二臨界條件給出了當量比燃燒情況下的超聲速衝壓發動機的最小穩定運行馬赫數。基於臨界條件,姜的團隊建立了駐定斜爆轟衝壓發動機(Sodramjet Engine)設計理論,並採用多種流動控制技術完成了Sodramjet概念驗證機設計,進而應用JF-12復現風洞,完成了馬赫數9飛行條件下的試驗驗證。試驗結果表明:在滿足第二臨界條件的情況下,駐定斜爆轟衝壓發動機可以自點火,並穩定運行,而且是可控制的,從而實現了激波誘導反應面以高超聲速傳播的燃燒過程。
美國航空航天學會認為,姜宗林團隊的科技水平在高超聲速大實驗裝置領域世界領先。JF-12復現風洞能復現馬赫數5~9、高度25~50km飛行條件, 且不採用移動部件,比傳統風洞能產生試驗時間更長、能量更高的試驗氣流。
目前,世界上最具潛力的超燃衝壓發動機依然存在推力裕度小、燃燒不穩定等問題。所以,世界上至今依然沒有能夠滿足高超聲速飛行器推力需求的工程實用發動機。
而姜宗林團隊不僅設計出了概念驗證機,而且還完成了馬赫數9飛行條件下的試驗驗證。真心希望這項成果能為國內相關研究領域的科研人員提供參考,助力我國航空航天技術的發展。
新世紀之初,由於美國戰略的全球擴張,美軍對於全球目標的快速反應需求強烈。因此,美國國防部推出了「常規快速全球打擊」(CPGS)項目,目標是研究從美國本土發射、能在1小時內攻擊全球任何目標的常規戰略武器。
美軍的全球快速打擊裝備需要滿足四點要求,即快、遠、狠和準。新武器必須能夠在接到作戰命令後1小時內,對全球任何一個目標實施打擊並予以摧毀;一般來說新武器需要擁有洲際作戰能力,因為要從美國本土出發打擊境外任意目標;作戰距離需要達到一萬公裡以上;此外對新武器的精準性要求也非常高,需要做到一擊必殺的效果;新武器還要擁有非常強的突防能力,以適應今後可能的作戰環境。
不過美軍提出一小時打遍全球計劃至今已經過去了十多年,仍沒有實現,比如美國研製的以超燃衝壓發動機為驅動的X-51A超音速飛行器,雖然已經取得了一系列的突破,但超燃衝壓發動機仍沒有取得實質性的突破,而且這種驅動方式只能維持不到半個小時,以5~6馬赫的速度命中1000公裡遠的目標,看來美軍離常規武器快速打擊全球還有不小的差距。
如今,中國和俄羅斯在高超聲速武器方面,已經有了實質性的裝備,比如中國的東風-17,俄羅斯的「匕首」、「先鋒」等。尤其是中國的東風-17,其攜帶的乘波體滑翔增程彈頭,技術更為先進。
隨著我國高超動力的不斷突破,未來將有更多的高超聲速武器投入現役,尤其是空天戰機成功研製的話,未來全球快速打擊已經不是夢。