中國研發的「2小時全球到達」噴氣發動機開始風洞測試

2021-01-09 騰訊網

由中國技術團隊研發的能讓飛行器2小時內全球到達的噴氣發動機開始在北京附近的風洞進行測試。該發動機在高超音速風洞中模擬的飛行環境是9倍音速。科學家們表示，這臺引擎讓高超音速商業飛行變得十分可能。

上圖：發動機在北京高超音速風洞中進行測試。供圖：姜宗林（音譯）

中國科學家和工程師研製成功革命性的飛機引擎，可推動飛行器以16馬赫速度飛行，由該引擎提供動力的飛機可2小時內全球到達。在北京高超聲速風洞中進行的試驗中，這臺發動機在推力、燃料效率和穩定性方面表現優異。

安裝這種發動機的飛機可「再入大氣層」，它從機場跑道上水平起飛加速後進入地球軌道，之後再入大氣層並返航。由姜宗林教授領導的中國科學院力學研究所研究團隊撰寫的論文發表於上周六的《中國航空學報》上。

上圖：據稱，這臺發動機擁有前所未有的推力、燃油效率和穩定性。供圖：姜宗林

這種風格前衛的發動機設計原理並不複雜，它由三個非運動部件組成：單級進氣口、氫燃料噴口和燃燒室，燃燒室噴口位於進氣口末端上方。

「人們很容易誤以為它是種滑板」，北京一位知曉設計原理但並非該項目參與者的高超音速研究人員如此評價。

姜宗林教授領導的設計團隊將發動機安裝在模擬9倍音速的風洞中進行試驗。當高速氣流衝擊進氣口時會產生高溫和壓力極高的激波，激波在燃燒室內與氫燃料混合爆炸產生推力。研究小組提供的視頻片段顯示，發動機點火時燃燒室的入口發出了類似《星球大戰》電影中星際戰艦尾端噴口發出的耀眼光芒。

理論上這種吸入空氣的引擎產生的推力可推動飛行器以16倍音速飛行，但據上述北京那位從事超音速技術研究的科研人員介紹，地球上唯一一個能夠模擬這一速度的風洞仍在北京附近某地建設中。

上圖：發動機運轉時發光。供圖：姜宗林

姜宗林教授領導下的設計團隊將這種發動機稱為「直立斜爆轟衝壓發動機（standing oblique detonation ramjet engine）」，簡稱SODRamJet。他們表示，到目前為止，這種引擎最具有商業化前景，安裝這種引擎的飛行器飛行時速可達5倍音速。現有的其他種類的高超音速發動機一般均屬衝壓發動機，都無法達到這一數值，它們動力不夠，過於耗油，工作極不穩定。

姜教授團隊發表的論文提到：「七十年對高超音速動力的研究探索表明，這一革命性概念的實現是建立在高超音速吸氣發動機獲得發展的基礎之上的。SODRamJet是最前途的方案。」

上世紀六七十年代，美國NASA在超燃衝壓發動機研發中遭遇一系列挫折。超燃衝壓發動機沒有運動部件，本以為在高超音速狀態下表現會好於普通噴氣發動機，但在試驗中經常出現問題，其中一個重要原因是高速氣流產生的衝擊波會瞬間將火焰熄滅。

工程師理察·莫裡森（Richard Morrison）想出了一勞永逸的解決方案，他想到如果衝擊波具有如此巨大的能量，為何不能作為引燃燃料的點火介質呢，這樣就可以讓燃料持續不斷的點火和燃燒。他在1980年發表的論文中提出了這個想法。

但美國政府將大部分高超音速研究從NASA轉到波音公司和洛馬公司，在這一過程中這些私人防務公司早把莫裡森的想法拋諸腦後，雖然花費了人力物力進行超燃衝壓發動機研製，但挫折不斷，進度落後。

而中國和俄羅斯近年來開始花大力氣研製各種高超音速武器並取得成功，相繼列裝部隊，而美國則預計即使一切按計劃順利進行，最快也要到明年才能開始接收此類武器。

蔣教授和他的設計團隊同樣發現超燃衝壓發動機存在著致命的設計弱點，當飛行器的飛行速度達到並超過7馬赫時，超音速衝壓發動機無法提供任何動力，且消耗大量燃料，沒有商業航空公司會購買和使用這種發動機，乘客們就更不用說了，如果飛行中不斷重新讓引擎點火啟動，許多人會心臟病發作。

姜教授的團隊認為莫裡森的想法大膽而值得一試，不過莫裡森的論文中只有原理草圖，實踐當中沒有人造出過這樣一臺發動機，不但需要大量的工程設計，還需要有能夠承受高溫高壓的特殊合金以及可以用來進行測試的強大的超音速風洞，而這一切，需要一筆很可能血本無歸的巨額投資。

如今姜教授團隊設計出的這種SODRamJet發動機在所有方面都優於超燃衝壓發動機，它利用原本有害的衝擊波來保證高超音速飛行下引擎燃料進行穩定和連續的燃燒，而且飛行速度越快，氫燃料的燃燒效率就越高，引擎的體積也比之前更小，重量更輕。

上海一位從事高超音速空氣動力學研究的科學家表示，該實驗的進行已有一段時間了，由於具有潛在的軍事價值，中國的高超音速計劃是保密的，發表在學術期刊上的論文肯定也經過了仔細審查。比如今年9月中國就試飛了一架返回式無人駕駛太空飛行器，最終降落在西部沙漠腹地的一處軍用機場，該太空飛行器使用了何種發動機至今仍無人知曉。

姜教授的團隊認為，SODRamJet發動機標誌著一次巨大的技術進步，其重要性和標誌作用不亞於1903年萊特兄弟的第一次飛行和1969年「協和式」超音速客機的首飛成功。

他們認為這一努力代表著「人類的夢想，飛得更快、更高、更遠」。

不過高超音速飛彈專家、以色列飛彈防禦組織(Israel Missile Defence Organisation)創始人和首任主任尤茲.魯賓(Uzi Rubin)博士表示，這一新型發動機仍處於「試驗性」階段，其優勢仍不確定。

「即使這臺發動機研製成功，給我們帶來了很多希望，但要投入商業運營還需要大概一代人的時間」，「我相信超音速載人飛行的時代還不會馬上到來，雖然它終將到來」。

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六分儀上的地球

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