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中美俄高超音速飞行器大比拼,讲讲超燃冲压发动机是怎么回事

时间:2022-08-27 21:09:54 | 浏览:6557

最近是高超音速飞行器的PK季,先是中国西北工业大学宣布成功试射高超音速飞行器,然后是俄罗斯宣布高超音速武器匕首投入实战,紧接着就是美国宣布高超音速武器试验成功。听起来似乎是俄罗斯遥遥领先,真是这样吗?我是东城观星,应粉丝要求,再次介绍一下高

最近是高超音速飞行器的PK季,先是中国西北工业大学宣布成功试射高超音速飞行器,然后是俄罗斯宣布高超音速武器匕首投入实战,紧接着就是美国宣布高超音速武器试验成功。听起来似乎是俄罗斯遥遥领先,真是这样吗?我是东城观星,应粉丝要求,再次介绍一下高超音速飞行器。

一、高超音速飞行器

在正式讲解之前,请大家先猜一下,中美俄三国的高超音速飞行器,哪一个更先进呢?其实这三种飞行器的比较就像狗刨、蛙泳和自由泳的比较,具体怎么对号,留给大家来连线。

我前面也已经介绍过了,高超音速武器是飞行速度超过五倍音速的武器,但高速度并不是唯一的指标,高速度的同时还要能高机动。洲际弹道导弹速度比高超音速武器快多了,但并没有被称为高超音速武器,欠缺的就是机动性。

高超音速飞行器,不仅包括武器,还包括我们常说的空天飞机和亚轨道飞行器。而实现高超音速飞行的办法并不是唯一的,有很多种。目前实现高超音速飞行的办法有两类,一类是两级接力方案,另一类是混合动力方案。两级接力方案,要么就是通过火箭助推接力,要么就是通过飞机助推接力。其中上次提到的中国的亚轨道飞行器就是火箭助力,而俄罗斯的匕首和美国刚试验成功的高超音速武器都是飞机助推。通过火箭或者飞机助推的高超音速飞行器,离开了助推,自己是完不成任务的,而混合动力方案可以自己独立起飞,无需外力的帮助。西北工业大学的“飞天一号”就是可以独立起飞的混合动力高超音速飞行器。从这个角度来说,西北工业大学试验成功的这个高超音速飞行器技高一筹。

二、动力类型

然后再说说动力形式。现在航空航天的动力主要有螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机、涡扇发动机、火箭发动机、以及冲压发动机,但不是每一种动力形式都能实现高超音速。其实火箭发动机可以实现高超音速是毫无悬念的,毕竟火箭能发射卫星,卫星最低的速度也得达到二十多倍音速。俄罗斯的匕首高超音速武器,从现有信息来看应该就属于火箭动力的。但是火箭动力却不是高超音速飞行器的最佳选项,因为火箭的效率太低了。就拿长征五号来说,上千吨的火箭,也不过只能发射20吨左右的飞行器进入轨道。其最主要的原因是火箭必须自己携带燃料和氧化剂,比冲太低,主要重量都用来装燃料了。

要想提高比冲,提高运载效率,最好是选用吸气式的发动机,比如涡轮喷气发动机、涡扇发动机和冲压发动机。吸气式发动机最高的比冲能达到4000秒左右,远远高于火箭最高的400多秒。火箭无法实现的单级入轨梦想,通过吸气式发动机和火箭发动机的配合是可以实现的。

吸气式发动机都不能在氧气不足的环境中工作,所以必须搭配能在真空环境工作的发动机,才能服务真正意义上的空天飞机。但如果只在大气层内工作,它们的优势就比火箭发动机大了。

然而就算在大气层内工作,要想实现高超音速飞行,吸气式发动机缺点都是比较明显的。涡轮喷气发动机和涡扇发动机只适合在相对低速的状态下飞行,往往是亚音速,也可以实现超音速,但很难实现高超音速。我们常见的大飞机和战斗机往往都是用这一类的发动机,很难实现高超音速飞行。

超燃冲压发动机才是为高超音速设计的专用吸气式发动机,能够实现高超音速巡航。但是超燃冲压发动机在亚音速的状态下工作效率不高,而且很难实现速度从零到高超音速。超燃冲压发动机必须在高速前行的状态下点火才能稳定工作。所以必须借助其他力量先把自己加速到接近或者超过音速以后再点火。美国近期试验的高超音速武器,就是这一类,它是借助飞机达到点火速度的。

三、西北工业大学的混合动力发动机

因为超燃冲压发动机只适合做高速运动,往往需要跟其他发动机配合才能实现高超音速飞行,所以一个独立的高超音速武器往往都是混合动力的。比如涡轮基变循环发动机TBCC和火箭基变循环发动机RBCC。其中西北工业大学试验的“飞天一号”是火箭基变循环发动机。

变循环发动机可以实现从0到高超音速甚至地球逃逸速度,速度覆盖范围很宽。是空天飞机和高超音速武器的重要选项。空天飞机就是我们刚才在提的单级入轨航天器,飞天一号理论上也可以做成单级入轨的飞行器。

我们简单说说飞天一号使用的这个火箭基变循环发动机,是由火箭发动机和冲压发动机组合而成的发动机。冲压发动机一般不能地面点火起飞,进入真空环境又因为缺少氧气而无法工作,所以需要火箭发动机的配合。

相关媒体介绍“飞天一号”实现火箭/亚燃、亚燃、超燃、超燃/火箭的多模态平稳过渡和宽域综合能力,也就是我们刚才说的,从地面起飞到飞离大气层的过程。因为相关技术国内外已经有几十年的研究经历了,这里做一下简单介绍,让你长长见识。

因为冲压发动机都是被动吸气,不方便地面点火启动,必须借助火箭发动机来起飞。这里说的火箭发动机可不是大火箭使用的大推力发动机,而是小推力的引射发动机。之所以叫引射发动机而不叫一级发动机,那是因为起飞的主要动力并非来自火箭发动机,而是来自冲压发动机。火箭发动机只是通过燃烧产生负压,帮助冲压发动机吸气,有了充足的氧气,冲压发动机就可以点火工作了,这时候工作的发动机叫做亚燃冲压发动机。

当飞行达到一定速度以后,就不需要火箭发动机引燃了,进入第二个阶段,亚燃冲压发动机单独工作阶段。这个发动机把飞行器速度提升到超音速以后,就可以切换成超燃冲压发动机工作模式了,也就是第三个阶段。

超燃冲压发动机工作就可以把飞行器提升到高超音速的状态。但是随着飞行高度的提升,空气越来越稀薄,超燃冲压发动机会因为缺少氧气而不能高效工作,这时候又需要火箭发动机的辅助了。这就是第四个阶段。

四、冲压发动机

关于冲压发动机,这里解答两个疑问,第一个疑问是,什么是冲压发动机。第二个疑问是亚燃冲压发动机和超燃冲压发动机是一回事吗?

先说第一个问题,我们避开专业术语,用相对简单的话语来表达。所谓冲压发动机就是通过飞行的速度迎面吸取空气,然后通过进气道压缩把稀薄的气体变成高压气体,高压气体进入燃烧室跟燃料混合点燃着火,一般来说飞行速度越快进气道进气的速度也越快,火焰燃烧越剧烈,推力也就越大。

再说第二个问题,亚燃冲压发动机和超燃冲压发动机是一回事吗?他们都是冲压发动机,工作原理有相似的地方,变循环发动机中它们使用同一个燃烧室。但又不太一样,一方面工作时的飞行速度不一样、火焰燃烧特征不一样,另一方面吸气的方式不一样,或者说进气道不一样。

大家应该都有这样的体验,那就是在做不同运动的时候呼吸的方式也不一样,正常走路用鼻子呼吸就可以了,跑步的时候只用鼻子呼吸就不太舒服了,游泳的时候必须用嘴吸气,潜水的时候就需要憋气,深度潜水的时候甚至可能需要借助液体来进行呼吸。

中间为亚燃冲压发动机,下面为超燃冲压发动机

火箭基变循环混合动力发动机,要想实现各环节的平稳过渡,就需要在不同的阶段用不同的方式来吸气,以达到最佳的性能,这是一个动态调整的过程,各国都有各国的绝招,这里就不详细介绍了。

五、小结

通过以上的比较,中美俄三国最近露面的高超音速飞行器,谁更先进,大家也有一个初步认识了吧。但是要说中国遥遥领先,恐怕还是为时过早了。首先,以美国为首的西方国家,在冲压发动机领域的研发经验是很丰富的,无论是原理上还是材料科学领域都有独到的优势。其次,高超音速飞行器目前还处于试验阶段,尤其是吸气式的高超音速飞行器,距离实用恐怕还有一段时间。

但从进展来看,中国确实是比较领先的,相对于其他国家,历史包袱比较少,研发投入更加积极,首先实现突破并不奇怪。相对于涡扇发动机这样的成熟发动机来说,中国在冲压发动机领域更容易实现超越和领先。中国人的聪明才智在这方面有了充分的展示。

最后,需要说一句。前面提到的这些高超音速飞行器都不是最理想的,最理想的高超音速飞行器是水平起飞、高超音速巡航、单级入轨、水平降落、重复使用的飞行器,也就是真正意义上的空天飞机。飞天一号,一方面是垂直起飞的,还达不到水平起飞,另一方面从造型上来看,它恐怕是不能平安降落的,当个有去无回的武器还行,相当空天飞机还需要进一步改进。所以,它也只是一个技术验证产品,距离实用还有距离,大家不要夸大理解。中美俄欧,都在相关领域有一定的积淀,各有各的优势,谁能成功,还需要时间来验证。

就说这么多吧,大家有什么需要补充的请到评论区发言。

我是东城观星,喜欢介绍大科技背后的科学知识,感谢大家的订阅与关注。

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