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近年來高超聲速飛行器由於其優異的作戰性能,成為軍事大國爭相研究和開發的熱點,但長時間以來,都沒有重大進展,其最大的技術障礙之一就是動力系統,在不同速度和不同高度範圍內需要使用不同類型的發動機,傳統的渦輪發動機、火箭發動機、衝壓發動機都無法單獨「包打」整個飛行包線。所以需要將不同類型的發動機結合在一起,以保證高超音速飛行器在寬闊的高度/速度飛行包線上高效可靠地工作。
當前,世界各國都提出了各自的高超聲速飛行器動力系統方案,除了升級版本的超燃/亞燃衝壓發動機,火箭發動機外,還有渦輪基組合循環發動機(TBCC),火箭基組合循環發動機(RBCC)和渦輪基組合發動機(TRRE)。但最基本的還是超燃衝壓發動機。超燃衝壓發動機即是指超音速燃燒,即氣流不減速(通常大於3馬赫)直接衝入發動機燃燒室,然後與燃燒混合燃燒。想像一下,就像「在颶風中點了一根火柴,並且穩定地燃燒」,可見其難度之大。
我國研發歷程
由於美國曾經在超燃衝壓發動機領域起步較早,長期以來投入大量資金,因此一直據領先地位,大名鼎鼎的X-51A驗證機就是採用了超燃衝壓發動機。然而,近幾年來美國在這一領域也遇到了技術瓶頸,主要問題依然是維持超聲波持續穩定燃燒,所以X-51A等項目曾多次遭遇失敗。
就我國而言,自80年代以來,我國就開始開展其中一項 TBCC發動機技術領域的攻關工作。從新世紀開始,中國開始了一系列高超音速飛行器項目,其中包括「騰雲」空天飛機,並提出了三個備選動力裝置,即航天科工TRRE (渦輪火箭動力)、航天科技(RBCC)和中航工業(TBCC)。
而在此前,好消息傳來,我國成飛所王海峰總師透露國產TBCC組合發動機的最終定型款已經完成試飛驗證,標誌著國產新型超聲波無人機已經或即將研製成功,這是國產飛機和發動機的一次技術突破。
傳說中的黑鳥多用途戰鬥機
TBCC是渦輪基礎組合循環發動機的簡稱,它是指可以工作在不同模式,從而滿足飛行器在不同狀態下要求,也就是一部發動機可以在幾種發動機之間進行切換,一般地說,該系統工作時,可在兩種發動機模式下相互轉換,既能控制飛機的起動速度,又能實現超高音速飛行。
但 TBCC的成功,其實也並非我國首發,最初的 TBCC組合發動機,應該是SR-71 「黑鳥」上使用的J58引擎,它在60年代被稱為「劃時代的奇蹟」。J58在結構上採用渦輪噴氣發動機與加力燃燒室/亞燃衝壓發動機的串聯結構。
當飛行速度低於2馬赫時,主要是渦輪噴氣發動機工作,空氣通過渦輪葉片、壓氣機等進入燃燒室。在飛行速度達到3馬赫時,大量的空氣沒有通過前端,直接進入後部串聯起來的亞燃衝壓發動機,此時前端的渦輪噴氣發動機只提供17%的總推力,而後部的亞燃衝壓發動機是主要動力。
SR-71能夠在30公裡高空以3馬赫以上的高速長時間巡航,這要歸功於J58特殊的動力形式。美國最新研製的SR-72高超音速無人偵察機,也採用渦輪基組合循環引擎,飛行速度達到6馬赫,即使是先進的「愛國者」、S-400和紅旗-9等防空飛彈,也望塵莫及。
但就目前的科技水平而言,上述渦輪型組合發動機仍存在著存在著突出的矛盾問題:組合發動機在不同狀態下,只有一種動力運轉,而另一種動力則變成死重。例如,在25千米時,渦輪發動機開始工作,此時衝壓發動機無法使用,成為多餘的重量;到35千米時,渦輪發動機又變成死重。這不僅使得動力結構更加複雜,而且飛機的推重比不能降低,也嚴重影響了飛機的性能和載重能力。
然而,如果將渦輪基組合發動機應用於空天飛機等高超音速飛行器,其安全性、可靠性和經濟性仍有很大優勢。利用渦輪基發動機,空天飛機可以與普通飛機一樣從地面水平起飛,然後進入軌道;遇到緊急情況時,也可以隨時停止飛行,水平返回地面;很明顯,用火箭發射的空天飛機很難應對這種情況。與火箭發動機相比,渦輪基發動機熱負荷低,流量小,因此其可靠性和運行費用也遠低於火箭發動機。
而我國突破的TBCC大有著特殊意義,成飛完成了 TBCC組合發動機的試飛驗證工作,顯示國產 TBCC發動機已完成發動機研製,並進入到飛行器/發動機一體化設計階段,如進氣道與發動機一體化設計、飛行器/進氣道一體化設計等等,特別是高超聲速飛行器的國產化設計,雖然已進行了風洞試驗,但若要在這方面取得技術突破,則標誌著國產高超聲速飛行器的研製取得了關鍵突破,為今後開發高超聲速飛行器奠定了堅實的基礎。國產版SR-71 「黑鳥」或將要被我國成功實現。殲20或就不香了。
此前傳說已經試飛了高空高超聲速無人機,它採用了TBCC發動機
以前有人猜測中國正在研發一款高空高速無人駕駛飛機,可以說這一消息似乎證實了這一猜測,考慮到技術難度、進度、成本等因素,首先研製相對簡單的無人駕駛飛機,顯然是一個理想的選擇,因為國產無人駕駛飛機採用了 TBCC組合發動機,這意味著它能在3萬米高空以超過3馬赫的速度飛行。
這一指標已經超過了目前多數防空飛彈的最大射高,如現代遠程防空飛彈如S-300防空飛彈,其最大射高可達3萬米,無法攔截,只有少數高空反導系統能攔截,國產高速無人駕駛飛機速度快,航跡多變,加上採用隱身設計,這樣也能大大壓縮對方發射包線,突防能力得到加強。
而且,這類高空高速無人機投入使用後,將極大地提高中國空軍對遠距離特別是時間敏感目標的探測和監視能力,如航母編隊、飛彈發射車等被稱為現代戰爭中最難攻擊的目標,目前還缺乏對這些目標的實時連續監視手段,衛星能遠距離發現這些目標,但卻很難實現連續實時監視,大氣中探測系統如偵察機可對這些目標進行連續、實時監視,但往返時間長,需要較長的時間,而且易被對方探測和攔截。
國產高空高速無人機投入使用後,解決了這些問題,解決了這些問題,能在短時間內突防對方防空系統經,抵達目標附近,實時、連續地監視目標,為我方火力系統提供目標指示,也可使用自己的武器打擊目標。就長遠而言,國產高空高速無人機的發展也為未來大型飛行器的發展積累了經驗,包括高超音速作戰飛機、運輸機等。
整體而言,我國自主研發的渦輪基組合循環發動機(TBCC)已完成試飛驗證,即將進入飛機-發動機一體化測試階段,國產新型高超音速無人飛機項目進展順利,國產版SR-71 「黑鳥」應運而生!殲20不香了。