引起各航空强国极大兴趣的旋转爆震发动机,到底强在哪里?-

破坏力巨大的爆震波,引起了各航空强国的极大兴趣—……

久久的头像
久久
Share:

破坏力巨大的爆震波,引起了各航空强国的极大兴趣——为发展更高级的航空动力系统,美、俄、法、日等国纷纷加大对旋转爆震发动机的研究力度。

那么,威力可观的爆震波,是如何被应用到航空动力领域的?各国对旋转爆震发动机的研发进入到了哪一阶段?

引起各航空强国极大兴趣的旋转爆震发动机,到底强在哪里?- 精选文章 第1张

来源:美国国家能源实验室网站

文 | 袁成 中国航空研究院;颜思铭 海鹰科技情报研究所;李蕴 航空工业发展研究中心
编辑 | 李雪 瞭望智库
本文为瞭望智库原创文章,如需转载请在文前注明来源瞭望智库(zhczyj)及作者信息,否则将严格追究法律责任。


1

从“现代工业皇冠上的明珠”说起



 

航空发动机,尤其是涡轮发动机,是人类近现代工业化的标志性产品。

民用航空涡轮发动机使洲际旅行成为可能,拉近了世界各地的距离,让地球成为了地球村。军用航空涡轮发动机让战斗机突破了声障,随后达到了马赫数2、马赫数3的飞行速度,使制空权成为兵家必争领域,深刻变革了现代战争的形态。而且,美英等国非核动力主战舰艇的动力系统也脱胎于航空涡轮发动机。

可以说,哪国拥有了性能先进、稳定可靠的航空涡轮发动机,就拥有了可以屹立世界民族之林的重要资本。

航空涡轮发动机的研制难度巨大,基本上只有美中俄英法等世界“五常”才拥有完整的航空涡轮发动机研发能力。这种工业产品有大量旋转部件、气路、油路、控制电路,并运行在高温、高压和高转速环境中。

其工作过程为“布雷顿热力循环”:首先,由压气机压缩来流空气(民用航空发动机最大增压比达到60左右),高压空气随后在燃烧室中与燃油混合,进行定压燃烧(燃烧过程中压力基本不变)。然后,高温高压燃气膨胀,推动涡轮做功(军用航空发动机涡轮前温度达到1850K左右),带动压气机旋转。

由于结构非常复杂、研发难度大,航空涡轮发动机被誉为“现代工业皇冠上的明珠”,代表了当今世界工业化的最高水平,也是工业产品复杂美的代表作。目前,航空涡轮发动机技术已相对成熟,美军甚至正在研发更加复杂更加高效的自适应变循环涡轮发动机,配装未来的六代机。

但是,在某种程度上,越复杂越脆弱——某一个小部件出现问题可能会导致整台发动机报废(发动机故障是世界军民领域空难的主要原因),而且如果想要获得更高的热效率,进一步提高发动机性能,就必须跳出“布雷顿循环”。

图片

民用客机配装的结构复杂的大涵道比涡扇发动机。(美国通用电气公司图片)

引起各航空强国极大兴趣的旋转爆震发动机,到底强在哪里?- 精选文章 第3张

F-22战斗机配装的F-119小涵道比军用涡扇发动机。(美国普惠公司图片)

2

一个潜在的理想解决方案:爆震波



 

自然界存在两种形式的燃烧波:缓燃波和爆震波。

我们平时使用的燃气灶、蜡烛、汽车发动机、甚至航空航天各类内燃动力系统全部属于缓燃波。缓燃波的传播速度较低,通常只有几米至几十米每秒,且近似认为是等压过程,即燃烧过程压力不变。

与之相反,爆震波在传播过程中实现了激波和燃烧波的耦合,速度非常快,通常可达到上千米每秒,且波后压力、密度都有很大提高,其显著特点是能增压、传播速度快且接近于等容燃烧。

引起各航空强国极大兴趣的旋转爆震发动机,到底强在哪里?- 精选文章 第4张激波:气体、液体和固体介质中应力(或压强)、密度和温度在波阵面上发生突跃变化的压缩波,又称冲击波。在超声速流动、爆炸等过程中都会出现激波。(美国国家航空航天局图片)

爆震燃烧的破坏力极大,它越是在密闭的燃烧环境中越容易形成(因为燃烧过程中多道压缩波可以逐渐叠加,最终形成激波)。加油站标注的92、95等汽油牌号就代表了抗爆性水平,牌号越高,越不容易形成爆震波,汽车发动机就越难发生爆缸事故。

同时,由工程热物理等知识可知,等容燃烧的热循环效率大大高于等压燃烧的效率,所以如果能驯服爆震燃烧强大的破坏力,进而应用于航空动力系统中,可大幅提高航空发动机的性能。

随着近些年人们对旋转爆震机理、技术和工程化方面研究的愈加深入,旋转爆震发动机(RDE)已经成为未来航空动力领域最具潜力的变革者之一。

旋转爆震发动机使用接近于等容燃烧的爆震循环,燃烧时压力大幅提升,能量释放极快,产生功率大。美国空军研究实验室(AFRL)的科学家认为,旋转爆震发动机相比现役涡轮发动机热效率理论上可提高15%。

旋转爆震发动机的典型结构如图下所示:

引起各航空强国极大兴趣的旋转爆震发动机,到底强在哪里?- 精选文章 第5张

典型的旋转爆震发动机结构及其工作原理。

其通常采用一端封闭,另一端开口的环腔形燃烧室,燃料和氧化剂由在封闭端上均布的很多微型喷嘴沿轴线方向注入;

点火后形成的一个或多个爆震波,在燃烧室底部沿与燃料注入相垂直的方向连续周向旋转传播(而不是燃烧室旋转),等效频率(1秒钟旋转的圈数)大约为1-50kHz;

当爆震波传至某喷嘴时,由于爆震形成的高压大于注入压力,该喷嘴停止工作;

爆震波传过后,压力降低,允许该喷嘴继续注入燃料和氧化剂,进一步支持爆震波的旋转传播,这样燃料和氧化剂的注入便可由爆震波自动控制;

高温高压燃烧产物形成后迅速向后膨胀,从开口端高速排出,产生推力。

旋转爆震发动机有多种工作模态,如火箭式由飞行平台自带氧化剂,吸气式的氧化剂则来自于大气中的氧气。由于爆震波能实现自增压(增压比13-55),因此旋转爆震发动机可省去复杂的压气机和涡轮等旋转部件,极大简化了发动机结构。

就像爱因斯坦著名的公式E=mc²,越是接近终极真理的表达式就越简洁。从这个角度来说,越简洁越高级,旋转爆震发动机代表着“现代工业皇冠上明珠”的简洁程度。

除单***使用外,按旋转爆震发动机特点与应用需求还可分别与火箭发动机、涡扇发动机和冲压发动机等构成组合循环发动机,全面扩展发动机的工作范围,实现宽速域的高超声速飞行。因此,为发展更高级的航空动力系统,旋转爆震发动机引起了各航空强国的极大兴趣。

引起各航空强国极大兴趣的旋转爆震发动机,到底强在哪里?- 精选文章 第6张旋转爆震发动机结构简洁,已不见复杂的旋转部件。(美国航空周刊网站图片)

旋转爆震研究的历史最早可追溯至1960年代,苏联拉夫连季耶夫流体力学研究所的科学家(Voitsckhovsky),首先在圆盘形试验装置上实现了预混乙炔/氧气的旋转爆震,但由于机理认知、试验能力等多方面原因,直到21世纪第二个十年,人们才开始大量研究旋转爆震动力系统。目前,美国、俄罗斯、法国、日本和中国等都正在对这种类型的发动机开展试验研究。

3

美国进度:理论、技术、验证



 

近些年,美国在旋转爆震发动机上的投入较多。

进入21世纪,空军研究实验室(AFRL)、海军研究实验室(NRL)、航空喷气•洛克达因(Aerojet Rocketdyne)公司、密歇根大学等研究机构都相继开展了旋转爆震发动机的理论、试验以及工程应用研究。迄今,美国已经完成了旋转爆震机理验证、点火试验、旋转爆震代替航空涡轮发动机主燃烧室等多项关键技术验证。

*机理和技术研究

2012年11月,美国海军研究办公室表示正在研究旋转爆震发动机的复杂物理原理,并打算安装到舰用燃气轮机上。

2014-2015年,AFRL和空军科学研究办公室面向火箭式旋转爆震发动机的喷射器设计,授予多所大学研究合同。

2017年,NRL研究了吸气式旋转爆震发动机进气道和燃烧室的相互作用。美国海军研究生院研究了吸气式旋转爆震发动机进气道特性对发动机性能的影响,并进行了热态试验,开展了爆震区域成像、光学诊断并与NRL合作进行了计算。

2018年,AFRL和中佛罗里达大学应用了激光吸收光谱技术,分析了旋转爆震发动机燃烧产物的组分、温度和流速;密歇根大学研究人员在4-5月完成一系列试验,使用了一种可进行光学观察的旋转爆震发动机,研究了反应物注入和爆震波之间的动态耦合,并在此基础上得到了详细的仿真结果。

2019年,密歇根大学的研究人员识别和量化了影响旋转爆震发动机爆震波的寄生和共生二次燃烧区,并确认了二次波的存在。二次燃烧和二次波耦合在一起,最终改变了主爆震波的稳定性和结构。

2020年,航空喷气•洛克达因公司在政府和内部经费支持下,研发了吸气式旋转爆震发动机分析工具和热端部件,验证在使用先进燃料时大范围飞行条件下的可用性。阿拉巴马大学优化了100千赫兹粒子成像速度仪,测量了旋转爆震发动机尾喷口高度周期性的亚声速-超声速流场。加州大学洛杉矶分校研究了高速、兆赫兹、光学诊断方法,使用可调的中波段红外激光器现场测量环形火箭式旋转爆震发动机流场的压力、温度和组分,并可预判波速和推力。

*演示验证

2017年2月,AFRL用旋转爆震燃烧室替换了T63涡轴发动机的燃烧室,结果显示该燃烧室的氮氧化物排放量低且燃烧效率高,很具应用前景。4月,AFRL进行了吸气式旋转爆震发动机的热稳定运行试验,该旋转爆震发动机的外壳体采用了陶瓷基复合材料。

2019年6月,AFRL和创新科学解决方案公司开展了一型旋转爆震发动机的地面演示验证。证明了这型发动机有足够推力驱动一架long-EZ飞机进行起飞和巡航,并且声学测量结果表明其对地面拥有安全的噪声等级。

引起各航空强国极大兴趣的旋转爆震发动机,到底强在哪里?- 精选文章 第7张LONG-EZ飞机。(英国航展公司图片www.air-shows.org.uk)

4

突破:将现身巡航导弹动力领域?



 

进入21世纪第二个10年,美军似乎在旋转爆震发动机实用化方面突然取得了重大突破——开始把旋转爆震发动机与巡航导弹相结合(相比飞机,巡航导弹对发动机的流量、推力、寿命等都要求较低),国防部、各军种授出了大量研究合同进行概念方案或工程化研究。

2020年,美国防部国防高级研究计划局(简称DARPA,“神盾局”在现实中的原型机构,曾研发出互联网、隐身战机等划时代产品)授予雷神公司100万美元研究以旋转爆震发动机为动力的巡航导弹概念。

同年3月,AFRL“经济可承受任务先进涡轮技术”(ATTAM)倡议主管托马斯表示(ATTAM倡议的前前任和前任分别是“综合高性能涡轮发动机技术”(IHPTET)倡议和“通用经济可承受的涡轮发动机”(VAATE)倡议。

IHPTET倡议主要研究出了压比10的军用发动机技术,孕育出了F-22A战斗机配装的F119发动机,而VAATE倡议的标志性技术为自适应变循环发动机技术,即将孕育出配装美军六代机的自适应变循环发动机),旋转爆震发动机“绝对拥有最高优先级”,这种发动机可成为高速巡航导弹的动力或成为更大型高超声速飞行器组合循环推进系统的一部分。

紧跟着,AFRL在ATTAM倡议的第一阶段授予了3项旋转爆震发动机的关键研发合同,总价值5.2亿美元,其中授予通用电气公司和普惠公司各2.5亿美元,发展、验证和转化关键技术;授予航空喷气洛克达因公司2000万美元合同。尽管透露的合同细节不多,但这三家公司预计都将在2026年9月前完成开发和试验。

同时,在过去3年中,AFRL 还有其他几个旋转爆震发动机开发项目:

*隐身战斗机弹舱内携带、速度高达马赫数3、配装液体燃料旋转爆震冲压发动机的空地导弹项目;

*采用固体燃料旋转爆震发动机的空空导弹项目;

*可替代涡轮发动机加力燃烧室的旋转爆震燃烧室项目;

*自由射流测试项目。

2022年初,普惠公司获得了AFRL一份旋转爆震发动机地面演示验证项目合同,项目将与雷神导弹与防务公司、雷神技术研究中心共同执行。普惠公司新获得的合同可能属于前期2.5亿美元合同的一部分。尽管技术细节未公开,但从侧面证明美国正在大力发展配装旋转爆震发动机的巡航导弹技术,且进展较为顺利。

引起各航空强国极大兴趣的旋转爆震发动机,到底强在哪里?- 精选文章 第8张巡航导弹配装旋转爆震发动机概念图。(美国航空周刊网站图片)

4 月 21 日,美国海军空战中心武器部测试了一种由旋转爆震发动机提供动力的新型战术导弹,表明这种动力系统在从概念转化为实用方面取得了重大进展。这款新型导弹的细节是1月在AIAA 技术会议期间披露的。但这种武器保密程度很高,其他细节未知。

美国空军和海军对旋转爆震发动机的投资也得到了国防部部长办公室研究与工程部门的支持。该部门组织的“联合增强弹药技术”计划对两款吸气式旋转爆震发动机原型机进行了测试。

8月12日,DARPA表示即将启动“开局”(Gambit)旋转爆震发动机技术项目,旨在利用吸气式旋转爆震发动机在尺寸和燃料效率等方面的优势,为第四代战斗机提供远程打击导弹,对时敏目标进行防区外打击。

该项目将为期42个月,DARPA表示,吸气式旋转爆震发动机比传统冲压发动机的初始启动速度更低,且结构紧凑并更具可操作性。这种发动机燃烧室更紧凑的尺寸可以让导弹携带更多的燃料,而较低的发动机启动速度使导弹不需要那么多助推火箭推进剂。这使配装吸气式旋转爆震发动机的机载武器比传统冲压发动机具有更大的射程,可以在防区外充分发挥作用。

DARPA计划选择两家公司研究吸气式旋转爆震发动机动力导弹的概念和初步设计,并在18个月内测试燃烧室和进气道。其中一家公司将被选中完成关键设计评审,制造验证弹和开展试验测试。

5

赢在未来?航空强国的选择



 

*俄罗斯

2014年,俄罗斯先期研究基金会在俄罗斯动力机械科研生产联合体基础所建立了液体爆震发动机专业试验室。

2016年8月,该基金会成功完成了首型新一代液体燃料旋转爆震发动机的测试,推进剂为氧气和煤油。试验共进行了33次,爆震波旋转频率达到约20kHz,实现了连续爆震并产生稳定推力。俄罗斯科学院新西伯利亚拉夫连季耶夫流体动力学研究所以及莫斯科航空学院共同完成了上述工作。

2017年,俄罗斯科学院新西伯利亚拉夫连季耶夫流体动力学研究所设计了拥有旋转爆震燃烧室的液氧煤油火箭发动机,并开展了长时间的运行试验。该发动机长1.05米,直径0.31米,在马赫数4-8的风洞试验环境中取得了3600秒的高比冲。

*法国

2010年,法国MBDA公司设计了小尺寸演示验证旋转爆震发动机,其环形燃烧室内外径分别为80毫米和100毫米,燃烧室长90毫米,没有冷却系统,反应物为氢气/甲烷,燃料和氧化剂通过570个喷嘴注入燃烧室,最大注入压力8兆帕。

研究人员使用电爆丝点燃反应物,点火压力10焦耳。受承热能力影响,该旋转爆震发动机最长工作时间为5秒,地面最大推力54.7牛。经过换算,在真空环境下其最大推力为338.5牛,比冲310秒。

该试验完成后,MBDA公司又设计了一个更大的演示验证旋转爆震发动机,并使用主动冷却装置,环形燃烧室内外径分别为280毫米和350毫米,并且安装了喷管。

2018年,法国赛峰集团、欧洲导弹集团和pprime研究所共同研究了旋转爆震发动机的爆震特性。

*日本

日本拥有大量的旋转爆震发动机研究项目。2017年8月,名古屋和庆应义塾大学联合团队、日本航宇开发局和室兰技术研究院开展了乙烯/氧气旋转爆震发动机试验,在近真空环境中可以获得330秒比冲和895牛的高推力,燃烧效率超过95%。

*中国

我国旋转爆震发动机技术研究也取得了重要进展,西北工业大学、清华大学、北京大学等均围绕该技术领域开展过不同程度的探索。

引起各航空强国极大兴趣的旋转爆震发动机,到底强在哪里?- 精选文章 第9张国内学者研究RDE火花塞点火起始过程的高速相机图像。(赵明皓,王可,王致程,等.点火方式对空桶型旋转爆震燃烧室起爆特性的影响[J].航 空 学 报,2022,43(1):124870)

由于旋转爆震发动机具有热效率高、结构简单、重量轻、单位燃油消耗率低等潜在优点,在军民用领域应用前景广阔。其中,根据技术发展的成熟度,旋转爆震发动机的应用可划分三个阶段:

A.近期,可作为机载武器、无人机、靶机、诱饵机、靶弹的动力系统;

B.中期,可作为高超声速隐身侦察机以及空间作战平台的变轨发动机、姿控发动机等;

C.远期,可作为飞机、单级和多级入轨飞行器的组合动力系统。

如果以上设想变为现实,科研机构还需要进一步研究液态碳氢燃料的高效雾化与掺混、热管理、进气道设计、系统集成等关键技术。我们需要更加深刻地认识旋转爆震的燃烧机理,并通过工程化手段把旋转爆震发动机应用于型号实践中,将对航空动力领域产生变革性影响。

如果我国能够抓住机会深耕旋转爆震领域,有机会迅速缩短与世界航空动力强国的差距,甚至有可能如在汽车行业的“新能源”弯道超车一般跻身世界航空动力的第一梯队。


发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注