06.02 再談空天飛機可用的爆轟發動機——這次中國不掉隊!

爆轟發動機又叫爆震發動機,其優勢前面一篇文章《

爆轟發動機到底有多牛?全世界研究了80年仍不放鬆(一)》已經介紹過,需要科普的請自行翻看,這裡不再贅述。今天著重介紹適用於空天飛機的連續旋轉爆轟發動機。

在美國航天飛機退役以後,空天飛機成為航天強國爭相研發的方向。目前關於空天飛機的動力,主要選擇是組合動力,大氣層內使用渦噴發動機或渦噴發動機加超燃衝壓發動機,大氣層外使用火箭發動機。這種組合方案可以讓空天飛機以更少的燃料,更高的效率完成空天飛行。但是也增加了飛機的複雜程度。

再談空天飛機可用的爆轟發動機——這次中國不掉隊!

空天飛機

因此,前文提到的爆轟發動機的優勢就體現出來了,不僅可以實現大氣層內空氣助燃飛行,也可以實現外太空自帶氧化劑飛行。同時可以實現大氣層內低速飛行和高超音速飛行,也可以實現大氣層外高比衝火箭推進。

雖然爆轟發動機有三種原理類型,但是研究最多的是脈衝爆轟發動機,最新的熱點是連續旋轉爆轟發動機。這兩種發動機是國內外研究最多的,也是最有可能突破並走向實用的爆轟發動機。都有廣泛的應用前景,但連續旋轉爆轟發動機在空天飛機上實用可能更加可靠。

脈衝爆轟發動機雖然研究最多,樣機最多,也最接近實用。但是應用到空天飛機上,尤其是載人空天飛機上卻有很大的劣勢。脈衝爆轟發動機的爆炸頻率比較低,換氣需要時間比較長,而且需要不斷點火。這些特徵造成其載荷需要耐受持續的震動,給人的感覺就像坐拖拉機,而且要遠比拖拉機震動厲害。當然,隨著技術不斷完善,也有可能像拖拉機變多缸汽車一樣,變得平穩,目前單缸頻率最高不超過100赫茲。

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脈衝爆轟發動機循環

至少目前相對來說,連續旋轉爆轟發動機雖然也有爆震過程,但能夠實現高頻持續爆震,飛行平穩性要好很多。對於載人空天飛機來說,這是一個非常不錯的選擇,對於火箭也是非常不錯的選擇。因此,國內外對這種發動機的研究非常多。其基本原理是在兩個圓筒中間的很薄的空間(環形燃燒室)裡實現爆震燃燒,爆震波以超音速沿圓筒螺旋排出,多道爆震波並行連續工作實現穩定燃燒和動力持續。

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旋轉爆轟發動機原理圖

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我國雖然起步比較晚,但由於爆轟發動機整體沒有跳出理論研究階段,加上我國很多高校和科研機構都在積極參與相關理論研究,我國的研究進度並不慢。目前從事相關理論研究的高校至少有國防科學技術大學、南京航空航天大學、南京理工大學、北京大學、西北工業大學、上海交通大學、哈爾濱工程大學、吉林大學、北京交通大學、中國科學技術大學等。其中國防科技大學和南京理工研究最為全面。

要說世界各國誰更領先,那得說是俄羅斯。俄羅斯從上世紀五六十年代開始一直沒有中斷過研究,最近更是製作出了全世界第一臺液氧煤油旋轉爆轟發動機樣機,而且實現了連續爆震,產生穩定推力,發動機工作頻率達兩萬赫茲。

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原理圖

美國在五六十年代研究發現這種發動機研製難以實現,放棄了繼續研發。直到本世紀初才重新開始相關研究,尤其2009年以後,美國大量軍工單位和高校都投入到連續旋轉爆轟發動機的研究工作中。

除此之外,法國、波蘭、日本、新加坡、韓國等國家也都進行了一些相關研究。

其實連續旋轉爆轟發動機之所以研發困難,主要瓶頸還是理論研究不充分和材料科學沒跟上。其中材料科學領域,要求儘快實現能夠長時間承受3000度高溫的材料或者合理的冷卻方案。另外一旦應用到飛行階段,發動機的自重、推力、比衝等因素就必須不斷優化。期待我們國家能儘快突破這項被稱為21世紀黑科技的發動機技術。

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