等離子點火技術突破!火箭達光速10%瓶頸,解決轟20熄火問題

2020-12-16 騰訊網

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「等離子點火技術」首次運用在戰鬥機領域

長徵火箭已經突破300次發射,回憶其這一路以來,十分不易,我們用了37年和8年分別完成了100次的發射任務,而第三個100次,我們僅僅只用4年。而在此前的第299次發射中,長徵11號火箭一次性搭載了4顆衛星送入太空,但這次299次發射已經意義重大,因為這是中國擁有完全自主智慧財產權的「脈衝等離子發動機」首次應用於這顆一箭4星中的靈鵲衛星。

而在此前,好消息再度傳來,此前成功突破了等離子發動機的又一核心領域,那就是等離子發動機點火技術。對我國未來的戰鬥機機群將產生重要影響,也說明了我國已經實現航空技術與戰鬥機群之間的聯繫更加密切。讓我們一同來看看吧!

事實上!很多人對等離子這個概念比較模糊,認為等離子離我們還比較遙遠,但其實,它已經廣泛地應用在了我們的生活當中。例如,在一些電視屏幕和螢光燈下,就會出現等離子體,而在航空領域,等離子體就顯得尤為重要。而現階段這種技術主要應用於航空火箭的發射。根據媒體報導,我國等離子專家吳雲教授經過多年的努力下,再獲佳績,也因此獲得了「青年科技獎」,使我國成為世界上第二個擁有等離子技術的國家。那麼等離子發動機究竟有什麼作用呢?

等離子技術相關研究成果

具體地說,脈衝等離子體發動機不同於常規燃料發動機,它主要利用電流產生的電磁場和高溫加熱粒子流形成推力,最終形成源源不斷的能量回流,儘管產生的能量很小,但能連續產生推力和加速,最終形成比傳統發動機更高的增重,理論上可以實現等離子束素加速至光速的10%,這是多麼可怕的數字,這也為探索更廣闊的宇宙奧秘提供可能。

俗話說,航天發展動力先行,上個世紀美國阿波羅飛船載人飛往月球,使用了680噸級的f-1液氧煤油發動機,把3000噸級的土星5號送到月球,未來長徵9號將用500噸推力發射液氧煤油發動機,相對於等離子發動機來說,傳統的液氧發動機是簡單粗暴的,只要造得足夠大,燃料足夠多,就可以飛得更遠,但代價是極其昂貴的。

但令廣大網友感到疑惑的是,全球目前最先進的等離子發動機,產生的動力連一張紙都吹不起來,它怎麼能作為發動機,來推動上千萬噸衛星運轉?

實際上,等離子發動機的真正秘密在於它可以產生源源不斷的動力,它的技術突破一直是各國科學家關注的焦點,也是未來航天發動機的主要發展方向。我們國家這次搭載的脈衝等離子發動機,引領了各國進入使用階段,也為未來數萬噸太空飛行器的研發推動力,奠定了堅實的基礎,這些為什麼傳統化學發動機無法實現?

舉例來說,美國土星5號為了將有效載荷送上月球,第一節推進器使用了2075噸的燃料,使之脫離地球引力,而剩下的40多噸燃料則被運往月球。假如人類想要飛得更遠,就需要更大的引擎,而想要飛出太陽系,液氧引擎是根本做不到的,因此等離子體引擎是人類太空探索的焦點。

因為等離子發動機不再需要固體或液體燃料,燃料儲存器、管式燃燒室等多種結構的減少,使得衛星或飛船的重量大大降低,推進劑的利用率高,壽命可達一萬小時以上,大大提高了衛星飛行的時間,其可靠性可想而知。

該系統使用電流和帶電粒子穿過磁場,形成反向推動力,從而推動航天火箭,雖然短期內所提供的推力相對較小,但一旦脫離地球引力,即使剩下的燃料很少,隨後等離子發動機也會通過電流和磁場的作用,產生源源不斷的能量累積,逐漸開始穩定加速。電漿引擎讓未來的太空船探索旅程大大增加,不再依賴飛船的慣性慢速飛行,飛往48億公裡外的冥王星以及離開太陽系不再是夢想!

而在此前,好消息再度傳來,在一份公開報導中,公布了中國航空學會青年科技獎獲獎人名單,包括空軍工程大學的吳雲教授,他正在從事等離子體點火超高空發動機的研究。由這份公開報告可以看出,我們在等離子發動機點火方面有了新的突破。

在現階段來說,或可以用在戰鬥機領域。這就是「等離子發動機點火技術」。事實上!離子化發動機點火,一直是個難題,在吳雲教授及其團隊的努力下,這是等離子發動機後第二個解決的難題。使我國成為掌握離子電推技術的第二個國家,在性能上甚至超過美、俄。

等離子發動機點火技術

等離子發動機點火技術是等離子發動機的又一個應用範圍,它是一種常用的航天型號,一般用於太空飛行器姿態的微調等功能,電漿發動機由於比衝程小,不適合於常規的航天發射,但它對太空飛行器在太空中的姿態調整有很大幫助。具體來說,等離子式發動機點火技術是為了解決發動機在高空停車時的緊急起動,由於大氣溫度較低,容易造成發動機溫度過低或結冰等問題,採用等離子式點火技術可有效地解決發動機點火所需的工況,並可在極短的時間內完成點火程序。

據我們所知,戰鬥機通常要飛到萬米以上才能作戰,而那裡的溫度往往很低,對引擎的影響很大。特別是現在的點火方式,遇上冰塊,就會發生故障,導致發動機熄火,不能繼續飛行,最終導致墜機。若採用等離子點火方式,則可將此類事故降至最低。

對於等離子體在隱身領域也有很大的應用,俄羅斯就曾進行過等離子體隱身技術的研究,但至今尚未取得實質性的成果,而我國的等離子體發動機點火技術可以為研製新一代的轟炸機奠定良好的基礎。

實際上!只有大國才具備發展實力的戰略轟炸機型號,目前世界上只有2個國家裝備了戰略轟炸機,美國和俄羅斯就是這樣,美國空軍裝備了3架B-52H、B-1B和B-2A,其中B-2A是具有隱身能力的戰略轟炸機。有兩架戰略轟炸機裝備的俄羅斯空軍,分別是圖-95和圖-160 M。

圖-160 M改進型飛機目前正在俄羅斯建造。除美國的B-2A外,所有戰略轟炸機中,只有美國具有隱身能力,俄羅斯至今還沒有進行隱身戰略轟炸機的研製,從俄羅斯重製圖-160 M型戰略轟炸機看,俄羅斯是無可奈何的。

對於中國來說,先前備受關注的轟20戰機是中國首架跨洲際大型戰略轟炸機,該戰機將採用飛翼設計來改善隱身性能。據介紹,飛翼的設計可以使戰機的增升、減阻、減重以及減小雷達散射面積等性能得到提高。但同時飛行翼的設計也使戰機由於缺乏平尾、垂尾以及某些操縱方向的裝置而缺乏操縱性和安全性的保證。而等離子發動機能使戰略轟炸機的這些缺點得以解決,在提高戰機機動能力的同時,實現良好的氣動控制。

此外,等離子發動機還可以實現隱身策略轟炸機的氣動控制,因為採用了飛翼設計,在沒有垂尾和平尾的情況下,會使轟炸機失去與戰鬥機相同的機動性,但通過等離子發動機可以實現轟炸機非同一般的機動性,比如轟-20,就是通過等離子發動機產生的矢量,對飛機進行各種姿態的調整,這樣可以減小氣動舵面,這樣可以使隱身效果更好。

所以等離子發動機的技術進步,不僅能在航天領域取得成就,還能在航空領域有新的應用,不僅能用等離子發動機點火,甚至能用雷達隱身、姿態調節等,都是可以用等離子發動機實現的。因此,對於國產轟炸機而言,等離子發動機的出現,將縮短中國轟炸機與美俄轟炸機之間的差距,未來甚至可以實現彎道超車。

另外,目前的等離子體點火技術將逐漸應用於殲-20、殲-10以及航母艦載機,相信在不遠的將來,中國轟炸機轟炸機系列國產版將加速服役,並迅速裝備到空軍部隊。

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