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超燃冲压发动机技术发展现状及相关建议

发布时间:2019-04-17 11:36所属分类:理工论文浏览:1

高超声速飞行器技术的发展是人类继发明飞机、突破声障、进入太空之后又一个划时代的里程碑,而以超燃冲压发动机为代表的高性能推进技术则是实现高超声速飞行的核心关键技术之一。因此,美国等航空航天强国正加紧布局,积极开展相关技术研发。本文对世界各主要

  高超声速飞行器技术的发展是人类继发明飞机、突破声障、进入太空之后又一个划时代的里程碑,而以超燃冲压发动机为代表的高性能推进技术则是实现高超声速飞行的核心关键技术之一。因此,美国等航空航天强国正加紧布局,积极开展相关技术研发。本文对世界各主要国家超燃冲压发动机技术的研究发展现状进行了梳理分析,并基于我国研究现状提出了进一步的发展建议。

航空发动机

  一、关于超燃冲压发动机

  超声速燃烧冲压发动机(简称超燃冲压发动机)被认为是目前实现飞行器在大气层内高超声速飞行的最佳动力装置,由于其良好的经济性与结构简单性,已经成为21世纪航空航天领域研究的重点之一。超燃冲压发动机由进气道、燃烧室和尾喷管3大部件组成,其中进气道通过收缩壁面将高超声速空气减速增压到适合燃烧的状态,然后气流与燃料在燃烧室内混合燃烧释热,转变成高温高压气体后通过尾喷管膨胀产生推力。

  当飞行速度超过5倍声速时,受材料耐温极限的限制,进气道不能将高超声速来流压缩到适合燃烧的亚声速,且空气会开始离解。如果此时进入燃烧室的气流为超声速,这些弊端就能得以化解,于是超声速燃烧冲压发动机应运而生(俞刚、范学军,2013)。

  超燃冲压发动机只需携带燃料,氧气可从大气中吸取,其几何形状简单,没有任何转动部件,具有涡轮喷气发动机和火箭发动机不具备的性能优点,有可能开发成为飞得更高、更快的高超声速飞行器,未来还有可能发展成为更加便捷、安全和低成本的天地往返运输系统(俞刚、范学军,2013)。

  二、各主要国家超燃冲压发动机研究情况

  1.美国

  美国作为目前超燃冲压发动机研究最为领先的国家,其牵头超燃冲压发动机及其组合动力科研的政府机构主要包括:美国空军研究实验室(AFRL)、美国海军、国防预先研究计划局(DARPA)和美国航空航天国家总署(NASA)(胡冬冬、孙艺、李文杰,2017)。美国在超燃冲压发动机领域保持稳定的投资,以持续推动小型和中大型超燃冲压发动机的科研活动。

  小型超燃冲压发动机目前处于先期技术开发阶段,研发重点是开发并演示验证碳氢燃料超燃冲压发动机。针对战术任务子系统,2016—2017年,美国制定了相关研究计划,包括超燃冲压发动机起动系统、燃料系统以及发动机控制系统。最近即将启动具有工程转化目标的超燃冲压发动机制造项目,该项目可应用于高超声速吸气式武器方案(HAWC)(胡冬冬、孙艺、李文杰,2017)。

  中大型超燃冲压发动机的研发则主要面向应用研究阶段,该阶段位于基础研究和先期技术开发阶段之间。研发的重点主要是开发组合/先进循环吸气式高速(到马赫数5)和高超声速(马赫数5~7)推进技术,以支持未来高速/高超声速武器和飞机的应用。目前研究处于建模仿真、关键部件的概念验证、先期部件开发和地面演示验证阶段(胡冬冬、孙艺、李文杰,2017)。自2015年以来,针对可重复使用高超声速飞行器的应用需求,重点围绕着先进的发动机部件,拓宽超燃冲压发动机工作马赫数范围,大型超燃冲压发动机的尺寸缩放规律等问题开展研究(胡冬冬、孙艺、李文杰,2017)。

  2.英国

  考虑到超燃冲压发动机高的起动马赫数,英国超燃冲压发动机的研究始终与面向单级入轨空天飞行器应用的组合循环发动机研究相伴随。组合循环发动机是将各种发动机单元有机地组合到一起,功能上实现相互补充,以达到最佳的发动机性能。20世纪80年代末,英国反应发动机公司在霍托儿RB545发动机的基础上提出了佩刀发动机(李文杰、耿刚、叶蕾,2017)。

  该发动机实质上是一种涡轮—超燃冲压—火箭组合循环发动机。在20多年的研发过程中,该公司对佩刀发动机方案做了4次调整,在2015年公开的改进方案中,燃烧室由一个燃烧室解耦为吸气模态和火箭模态两个独立的燃烧室,尾喷管改为双喉道喷管。改进后的佩刀发动机比冲性能大幅提升,制造难度大大降低,工程实现可行性大幅提高。

  仿真分析表明,推重比基本不变情况下,改进循环后,燃料消耗量降低40%、最大比冲可提高70%。随着技术成熟度的不断提高,佩刀发动机得到了越来越多的关注,并获得了更多的经费支持。不仅欧洲对其青睐有加,而且美国也很认可。美国空军于2014年引进并开始研究佩刀发动机,NASA也对佩刀发动机进行了独立评估,验证了佩刀发动机方案的可行性(李文杰、耿刚、叶蕾,2017)。

  2016年9月,美国空军研究实验室在美国航空航天学会(AIAA)的大会报告中首次公开两型基于佩刀发动机的两级入轨空天飞行器方案。佩刀发动机的技术方案的调整及美英应用方案的提出,标志着该发动机工程实现的技术路线基本明确。另外,美国空军评估认为,佩刀发动机有望在未来5~15年投入实际使用(李文杰、耿刚、叶蕾,2017)。

  3.澳大利亚

  澳大利亚国防科技机构(DSTO)联合美国空军研究实验室牵头,并有多国国防机构以及科研单位参与,在2006年启动了HIFiRE(HypersonicInternationalFlightResearchExperimentalProgramme)项目,旨在采用“经济、可行、原理性试验手段”研究重要的高超声速现象,从而加速远程精确打击飞行器的技术发展。

  项目旨在为X-51以及后续全球远程高速打击武器积累技术基础,近期目标为战术巡航导弹(5~10年),中期目标为高超声速飞机(10~20年),远期目标为吸气式推进的跨大气层飞行器、空天飞机(20~30年)(邓帆、叶友达、焦子涵等,2017)。到目前为止,该项目已经完成8次飞行试验,作为近10年来在探索临近空间有动力飞行器技术方面国际参与度最高、系列试验次数最多、获取飞行实验数据量最大的项目,在气动布局设计和推进系统研发等多方面取得一系列有价值的数据(邓帆、叶友达、焦子涵等,2017)。

  从此项目可以得到一些值得借鉴的经验,如由部分到整体的总体研究思想、目标导向方法的应用、跨国跨组织合作、注重发挥地面实验与数值模拟的作用等(周建兴、佘文学,2015)。总的来说HIFiRE项目基于之前HyShot、HyCUASE等项目的积累,利用探空火箭技术为高超声速飞行研究提供了一个低成本、较成熟的研究平台,对高超声速领域的基础问题和现象开展了研究并获取了相关数据,为未来的高超声速飞行器研究提供了一定的参考。

  4.俄罗斯

  自20世纪50年代开始,苏联就已经开始超燃冲压发动机的相关研究。1962年,第一科学研究所(NII-1)建成了第一座大型自由射流试验设备(BMG)。1969年,中央空气流体动力研究院(TsAGI)开始建造自由射流设备(T-131B)、直联实验台(T-131V)和小型风洞(SVV-1)配套实验系统。80年代后,又进行了一系列自由射流实验(夏有财、戴顺安、苏艳,2016)。苏联解体后,俄罗斯近年来主要实施了“冷计划”和“鹰计划”。

  1991—1998年,“冷计划”的飞行器进行了5次飞行试验,采用氢燃料双模态发动机,实现了由亚燃向超燃的转变,最大飞行马赫数为6.5。“鹰计划”的飞行器采用升力体布局,用3台液氢燃料超燃冲压发动机提供动力,飞行马赫数6以上,2001年6月和2004年2月,以白杨/镰刀(SS-25)导弹作为助推器进行了试飞(夏有财、戴顺安、苏艳,2016)。

  随后,俄罗斯在高超声速及超燃冲压发动机领域的研究相对沉寂。直至2012年,才再次看到俄罗斯完成高超声速导弹与载机挂架的分离试验消息。据悉,俄罗斯目前在开展一项有关超燃冲压发动机推进系统的保密计划,计划中的推进系统可用在洲际弹道导弹上进行导弹防御(姜鹏、匡宇、谢小平等,2017)。

  5.法国

  法国超燃冲压发动机的研究始于20世纪60年代。60年代末就已建造了高超声速风洞S4MA,70年代初在ESOPE计划中进行了马赫数7的燃烧实验和马赫数6的直联式实验。20世纪90年代,法国在国防部等单位的领导下开始实施先进的高超音速推进技术与研究计划(PREPHA计划)(夏有财、戴顺安、苏艳,2016)。

  该计划重点研究氢燃料超燃冲压发动机的设计与地面试验,包括:超燃冲压发动机试验模型的设计与地面试验、试验设备的建设、计算程序和物理模型的发展、材料技术和总体设计技术的研究,主要研究用于大型飞行器的超燃冲压发动机技术(袁春飞、仇小杰,2016)。此外,法国还与俄罗斯的中央航空发动机研究院(CIAM)合作,用助推器发射以轴对称构型氢燃料超燃冲压发动机为推进系统的高超声速飞行器,以便初步了解超燃冲压发动机在飞行状态下的工作性能(袁春飞、仇小杰,2016)。在法国政府的支持下,欧洲导弹集团公司(MBDA)在20世纪90年代与俄罗斯莫斯科航空学院(MAI)合作,进行了几何结构可调的宽马赫数双模态超燃冲压发动机研究(夏有财、戴顺安、苏艳,2016)。

  为初步研究高超声速巡航导弹推进系统设计和使用技术,并能直接考虑某些作战限制因素,1999年,法国国防部正式启动PEOMETHEE项目,该项目旨在研究固冲发动机的相关技术难题(王志吉、夏智勋、罗振兵等,2001)。同时,法国还与俄罗斯、德国进行了大量合作,如法国与俄罗斯合作开展了马赫数3~12的超燃冲压发动机项目、火箭搭载的飞行试验等(夏有财、戴顺安、苏艳,2016)。

  6.其他国家

  德国早在1987年就开始了一项高超声速技术储备计划,1993年与俄罗斯合作进行了马赫数6状态下燃烧室试验,同时在马赫数5和6的状态下对缩尺矩形超燃冲压发动机进行了试验。自1995年起,对HFK系列(HFK-L1、HFK-L2、HFK-E0、HFK-E1)高超声速导弹进行了多次试验,最大飞行马赫数6~7(夏有财、戴顺安、苏艳,2016)。日本从70年代开始了超声速燃烧基础研究。

  1993年在Kakuda研究中心的国家航空航天实验室(NALKRC)建造了自由射流试验设备(RJTF),能够模拟马赫数4、6、8的飞行条件。1997年在NALKRC安装了一个大型、自由活塞、高焓激波风洞(HEIST),能够进行马赫数8~15速度范围内的超燃冲压发动机试验。自20世纪90年代起,日本开展了为期10年的超声速/高超声速运输推进系统(HYPR)计划,美、英、法等国公司也有参与,重点研制大推力高速度的TBCC(涡轮基组合循环)发动机(夏有财、戴顺安、苏艳,2016)。

  2003年,NALKRC与日本宇宙开发事业集团(NASDA)、日本空间科学研究所(IASA)合并为日本宇宙航空研究开发机构(JAXA),继续开展超燃冲压发动机关键技术研究。对我国超燃冲压发动机技术发展的建议:

  (1)加强顶层设计与统筹规划,形成技术储备。基于我国目前在超燃冲压发动机领域各研究机构在研究方向上相对分散的现状,建议在国家层面上,对超燃冲压发动机技术所涉及的研究领域与突破方向进行总体规划,部署高超声速推进系统相关重点专项,在制度层面上保证我国超燃冲压发动机总体研究计划的执行,有条不紊地建立我国在超燃冲压发动机工程应用所需的各项技术储备。

  (2)进一步加强相关基础科学问题研究。火、火焰传播与火焰稳定、碳氢燃料的详细化学反应机理,以及壁面热防护等。由于超燃冲压发动机工作过程的复杂性,以及相关过程间的强耦合性,使得目前还未对这些现象进行圆满的解释,进而限制了对发动机相关过程机理的揭示。因此,建议进一步加大对超燃冲压发动机相关基础科学问题研究的支持力度,从而为相关关键技术的突破提供强力支撑。

  相关刊物推荐:《航空发动机》Aeroengine(双月刊)1975年创刊,作为我国航空发动机专业创刊最早、报道内容全面翔实、技术含量和学术价值颇高的自然科学期刊在行业内外具有很高的影响和知名度,被专业权威机构指定为“航空发动机专业国内核心期刊”和“中国学术期刊综合评价数据库统计源期刊。

  

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