华夏涡扇航发落后太多 或用脉冲爆震内燃机弯道超车

 金沙网址app     |      2020-01-11 17:54

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发动机是飞机的心脏。在菜特兄弟之前,尽管许多人做了不少飞行试验,但都没有得到令人满意的结果。其中一个重要原因,就是发动机十分笨重,效率不高。从螺旋桨到喷气式,从亚音速到3马赫,航空技术的每一项重大突破都与发动机密切关联。所有的航空大国都把发动机技术列为最需要保守的机密之一;美国在削减军费的情况下,反而增加航空发动机的研制经费;而俄罗斯靠着先进的发动机技术,竟能弥补电子技术与美国的差距,使战机的总体水平与美国抗衡。因此,我们完全可以说,没有杰出的发动机,就没有先进的战斗机。

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▲苏-27优异的机动性与其配套得AL-31F发动机分不开

多管吸气式脉冲爆震发动机原理样机

今天,军用飞机最常用的发动机是涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机,我们经常看到的所谓涡喷发动机和涡扇发动机,分别是它们的简称。有的军用运输机采用涡轮螺旋桨发动机,它被简称为涡桨发动机。涡轮喷气发动机主要由压气机、燃烧室、涡轮、喷管等组成。有的还带有加力燃烧室,称为加力式涡轮喷气发动机。涡轮喷气发动机的基本工作原理是:由涡轮带动压气机旋转,使进入发动机的空气增压;空气增压后,进入燃烧室与燃料混合燃烧,产生高温、高压燃气,高温、高压燃气推动涡轮转动做功,并经尾喷管高速喷出产生反作用推力,从而推动飞机前进。

今年年初,俄罗斯航空技术和研发机构,以及俄罗斯高级研究基金会联合研制的新型脉冲爆震发动机样机试验成功,这是继我国去年660毫米旋转爆轰发动机样机和脉冲爆震发动机研制成功后,又有国家在新概念发动机技术上获得进展,也许也预示着下一代发动机技术展开世界竞赛的趋势越来越明显,脉冲爆震发动机 是利用周期性的爆震波产生的高温高压燃气来产生推力的新概念发动机。脉冲爆震发动机具有热循环效率高、结构简单等优点,可用作大型战略飞机、远程战略无人机、高性能战略导弹的动力装置,也可用作航天级轨道转移发动机、行星着陆发动机以及航天器姿态控制、卫星机动的动力装置等,是目前跨代发动机技术中最具发展前景、也最靠谱的动力研究方向之一,自上世纪90年代中期开始,某西部地区大学在国家自然基金资助下率先开展了国内对脉冲爆震发动机概念跟踪研究,可以说与国外先进国家走入了同一时间表,总算没输在起跑线上。

▲米格-15使用的RD-45离心式涡喷发动机是第一代涡喷发动机的代表,其仿制于英国罗罗公司的尼恩发动机

进入21世纪后,南京航空航天大学、空军工程大学、南京理工大学、清华大学、北京大学、国防科技大学、北京航空航天大学等十几家研究机构也先后开展了脉冲爆震发动机相关技术研究,并取得了一定进展。由于脉冲爆震发动机还处于高度保密阶段,目前国内公开的研制成果很少。所谓的脉冲爆震发动机是依靠爆震波来推动飞行器飞行的,而爆震波也简单视为一种爆炸波,脉冲爆震发动机可以看作是一种连续可控的小爆炸在推进飞行器前进,被一些爱好者不雅观地戏称为连续放屁推进器。军事专家告诉记者,由于在高性能涡扇发动机领域落后太多,我国如果要在动力领域实现弯道超车,就必须从新概念发动机领域取得突破,争取做到与先进国家同步发展的态势。

▲F-100-PW-220涡扇发动机造就了F-15和F-16一代经典

实际上,爆震波的发现最早可以追溯到18世纪末,相比于爆燃波,爆震波的传播速度可以达到几千米每秒,同时产生极高的燃气压力和燃气温度,这意味着以爆震燃烧为基础的推进系统在热循环效率上将非常具有优势,总体上来说,脉冲爆震发动机的推进能力是普通小涵道比涡扇发动机的几倍,甚至十几倍,理论上让载人飞行器飞个马赫数10以上的速度都是轻轻松松。

加力式涡轮喷气发动机经过涡轮后的燃气再次与燃料混合,在加力燃烧室内燃烧,增加由喷管排出的燃气的动量,使发动机的推力显著增大。但是,使用加力会使发动机的燃料消耗过速,因此加力的使用时间必须有严格的限制。涡轮风扇发动机是在涡轮喷气发动机的基础上发展起来的。它以原有的涡轮喷气发动机构成内涵通道,在此基础上加装由涡轮带动的风扇和外涵道。因此这种发动机又叫内、外涵发动机。与涡喷发动机相比,涡扇发动机的推力加大,巡航油耗降低,因此在现代军用飞机中得到了广泛的运用。目前,较先进的战斗机、战斗轰炸机、轰炸机几乎全部选用了涡扇发动机。从技术分类看,涡扇发动机又分为两类,一类是高涵道比涡扇发动机,主要用于大型轰炸机、运输机,它的突出特点是推力大、重量轻、耗油率低和噪音小;但发动机直径大,耗气量高,不适于装在瘦小的战斗机上。现代战斗机大多采用低涵道比涡扇发动机,这种涡扇发动机结构紧凑、推重比大,虽然油耗高于高涵道比涡扇发动机,但却大大低于涡喷发动机,适应了高性能战斗机的需要。

军事专家雷泽告诉记者,脉冲爆震发动机的工作范围比较宽,可在飞行马赫数0至10、飞行高度0至50千米的条件下工作。据估计,脉冲爆震发动机的推重比可达20,最大速度可达10倍音速以上,最大飞行高度可达50千米上下,推力范围0.5千克至50吨,耗油率小于1千克/千克小时。因此,脉冲爆震发动机是未来军用和航空航天运输领域有前途的新概念发动机,据悉,美国已退役SR-71黑鸟3倍音速高空战略侦察机的下一代目前美军矢口否认其存在的曙光女神高超音速侦察机据推测就是采用了脉冲爆震发动机。据公开资料披露,我国早在2010年就成功研制出推力450牛的弹用脉冲爆震发动机原型机,并进行了长时间试车,2018年,实现正样研制成功。

▲高涵道比涡扇发动机主要用于大型飞机,伊尔-76、运20、轰6K都是使用俄罗斯的D-30发动机

而直到2013年,俄罗斯媒体才报道俄罗斯留里卡设计局设计、制造和试验了一款脉冲爆震发动机样机,发动机的平均推力超过100千克,工作时间超过10分钟。据称,该发动机可使整个飞机的推重比提高1.5至2倍,航程和任务载荷提高30%至50%,发动机重量降低1.5至2倍。另据资料披露,由于目前涡轮发动机在2马赫以下燃油经济性具有极大优势,为进一步提高脉冲爆震发动机推进性能,同时实现功率提取,涡轮转动部件被引入到了脉冲爆震发动机中,即燃气涡轮脉冲爆震组合发动机。据公开资料分析,我已研制出了一种弹用涡喷脉冲爆震组合发动机,最大推力为400至500千克,在马赫数小于4倍音速时,小型涡喷发动机和脉冲爆震发动机共同工作,涡喷发动机只为脉冲爆震发动机提供压缩空气源,而不产生推力。

喷气发动机最常见的性能数据有:尺寸与重量推力、油耗、推重比等等。喷气发动机的尺寸一般用长度和最大直径表述,单位使用毫米;重量以公斤为单位。尺寸与重量是发动机最基本的性能数据,在同等推力条件下,当然尺寸重量越小的发动机越好。仔细对比不同发动机的尺寸重量,你可以发现一些有意思的现象。同等推力的涡扇机与涡喷机相比,一般重量轻、长度较短,最大直径则较大;这是因为涡扇机是在涡喷机的基础上增加了外涵道,所以直径较大;而涡扇机的效率较高,所以重量轻、长度较短。有时,两台推力相近的发动机,重量较重的尺寸反而略短,说明这台发动机的结构紧凑,装到飞机上会节省空间。

在高空高速时,脉冲爆震发动机单独工作,能提供足够大的推力,涡喷发动机退出工作。由于脉冲爆震发动机的存在,涡喷发动机涡前温度大大降低,甚至不超过1000摄氏度,降低了对涡喷发动机高温材料的要求 ,涡轮叶片甚至不需要冷却。单位耗油率也减小了20% 。另据资料披露 ,在弹用涡喷脉冲爆震组合发动机长期试车成功后,我国还试图研制出一种装有脉冲爆震加力燃烧室的涡扇发动机。该资料称,如果在我国已成功生产定型,技术已十分成熟的涡扇-9发动机的加力燃烧室改装12根2米长,6.8厘米粗的脉冲爆震燃烧室,当打开加力时 ,最大推力将提高74.6%,达17吨左右,而发动机油耗却降低了一半,并且可在9000米高空1.5倍音速处长期稳定工作,而此时涡扇-9发动机性能极差,根本无法长期运行。

▲低涵道比涡扇发动机主要用于小型战斗机,如中国歼10所采用的ws-10发动机