能空天通吃的脉冲爆震发动机

本文专供腾讯军事频道( http://mil.qq.com/ ),禁止转载

能空天通吃的脉冲爆震发动机

根据一篇9月24日刊登在俄罗斯《航空新闻网》的报道称,俄罗斯留里卡设计局目前正在研制一款脉冲爆震发动机样机,从设计、制造到试验全过程都由该局完成,并计划推出一个脉冲爆震发动机家族,不论是导弹还是空天飞机都可以使用脉冲爆震发动机。脉冲爆震发动机被认为是21世纪最有潜力的空天动力,推重比可达20以上,显然足以“藐视”现有的喷气发动机,是航空航天领域革命性动力之一。

脉冲爆震发动机背后的概念比较简单,是目前航空航天动力系统发展的“新型动力”之一

航空航天动力主要有两条路发展:火箭发动机和吸气式推进系统,两种动力的工作方式有着根本性的区别,火箭发动机通过排出高温高速气流推动飞行器,可以不需要空气进行工作,通常在航天器和导弹上使用,比如超级氢氧机RS-68、高真空推重比的NK-33都是比较著名的火箭动力;而吸气式发动机就需要利用大气中的氧作为氧化剂,顾名思义就是将空气“吸入”,此类发动机目前应用范围很广,从分类上可分为冲压喷气动力、活塞式发动机还有燃气涡轮发动机等,目前使用的航空发动机基本属于吸气式推进系统,典型的有通用电气的GE90、罗·罗的Trent 900、普·惠的F119等等。

吸气式发动机的优点在于可以使用大气中的氧,携带的燃料质量也会相对低一些,这就减轻了飞行器的起飞重量,也降低了造价,执行任务的时候准备时间较短,安全性也比火箭发动机高一些,在高超音速推进方面,吸气式发动机的成熟度目前还不及火箭发动机,但发展的趋势是显而易见的,比如目前在研更加先进的高超音速发动机和脉冲爆震发动机,高超音速动力系统主要分为超燃动力和脉冲爆震动力,前者可突破冲压发动机的速度限制,在6马赫数以上时依然能保证发动机正常工作,超燃动力可在毫秒级的时间内完成燃烧,理论上速度范围为6马赫至25马赫,推重比也可达到20,是大气层内高超音速飞行的关键性动力,可使用在巡航导弹、空天飞机等可重复使用平台上。另一种高超音速飞行动力就是脉冲爆震发动机。

能空天通吃的脉冲爆震发动机

RS-68火箭动力(左)与普·惠F119发动机(右)测试

脉冲爆震发动机(PDE)是目前航空航天动力系统发展的“新型动力”之一,可在亚轨道高度工作,大约为30至50公里高度,其主要通过周期性的爆炸波产生高温高压的热气流形成推力,点燃的过程可以是间歇式的,也可以是脉冲式的,爆炸波是高温气体在发生膨胀时形成的激波,喷入燃料后就可以形成高温气体,如此反复通过爆震波产生高温高压气体形成推力的原理就是最为简单的脉冲爆震发动机。从热力循环的过程上看,脉冲爆震发动机主要有4个过程,进气阶段、起爆阶段、爆震波定向传导以及循环排气过程。

脉冲爆震发动机主要的分类有四种,脉冲爆震火箭发动机、吸气式脉冲爆震发动机、组合式脉冲爆震发动机和混合式脉冲爆震发动机。这四种亚目分类在结构上有着较大的区别,从结构上看脉冲爆震发动机较传统的发动机更加简单一些,没有涡轮叶片等复杂装置、外部结构大致可分为进气道、爆震发生室还有尾喷管,内部结构比如爆震触发器、喷射装置等,由于删除了压气机和转动部件,脉冲爆震发动机比传统的涡轮动力更轻,因此可以根据脉冲爆震发动机的外围装置进一步分类,由此形成了脉冲爆震火箭发动机(PDRE)和吸气式脉冲爆震发动机,两者最大的却别在于是否使用空气,吸气式使用空气和燃料、火箭式使用氧化剂和燃料,两者都存在控制阀门、爆震装置和尾喷管,但是也有一种脉冲爆震发动机是无阀门的,即无阀式PDE,我们知道阀门的作用是控制空气进入,没有了阀门就直接让气体“贯穿”发动机。如果从结构和点火方式上划分,脉冲爆震发动机可分为单管式、多管式、混合爆震发动机等,单管式、多管式的脉冲爆震发动机目前比较常见了,比如GE公司研制的5管脉冲爆震发动机。

能空天通吃的脉冲爆震发动机

普渡大学有着世界知名的火箭推进系统研究实验室

事实上,脉冲爆震火箭发动机和吸气式脉冲爆震发动机可以归为一个大类,即“纯”脉冲爆震动力,剩下的就是混合式脉冲爆震发动机以及组合式脉冲爆震发动机。“纯”脉冲爆震动力可以理解为最“简单”的脉冲爆震形式,没有与其他动力进行组合工作,也就是上文提到的火箭式和吸气式,特点是结构和重量较轻,可单管式也可以为多管式,美国海军研究的一种脉冲爆震发动机也是5管,该项目已经进入尾声,可应用于导弹、无人机等平台;

混合式PDE是与传统的发动机相结合,形成混合涡扇、混合涡喷甚至是混合活塞推进系统,从结构上看,就是将脉冲爆震发动机代替了压气机、涡轮、加力燃烧室等,以涡扇发动机为例,混合式的涡扇脉冲爆震发动机就是在外涵道位置加装爆震结构,这样可以产生更强劲的动力,比传统通过加大燃烧室来增加推力的方法“聪明”地多;

组合式PDE更加先进,前景也很诱人,这种动力是将脉冲爆震发动机与超燃冲压发动机或者火箭发动机相结合,通过整合优化后可以轻松突破5马赫,即便是高马赫数也能有极佳的性能,可以在不同飞行速度范围进行调节,使用范围更广,因此组合式的脉冲爆震发动机可以作为单级入轨空天飞机的动力。

能空天通吃的脉冲爆震发动机

脉冲爆震发动机看似是一种新型动力,但该动力的具体研究可追溯到上个世纪40年代,由于脉冲爆震发动机的主要机理是控制周期性的爆炸波产生动力,因此对爆震波的研究可以认为是脉冲爆震发动机的前期调研,德国人霍夫曼是早期对间歇爆震进行研究的科学家之一,50、60年代是脉冲爆震发动机的入门期,对此类动力进行了可行性研究试验,到了80年代中期,美国海军研究生院进行试验很大程度上推动了脉冲爆震发动机的发展,确认可以研制出推力可调的脉冲爆震发动机。90年代后期,NASA等机构提出使用脉冲爆震发动机全面替代涡轮冲压动力的计划,并从1998年起研究脉冲爆震火箭发动机,作为上面级的动力。2004年,JP8燃料实现在超临界燃料喷射系统的爆震效果,推动了脉冲爆震发动机的发展,在脉冲爆震发动机的燃料方面,主要涉及氢气和乙烯。第一架以脉冲爆震发动机的有人驾驶飞行器也在2004年进行了振动等测试,后来还使用F-15B进行脉冲爆震发动机进行测试,主要涉及发动机的进气道、喷管以及阀门控制技术等。

能空天通吃的脉冲爆震发动机

六管脉冲爆震发动机

作为21世纪的航空航天主要动力之一,美国在脉冲爆震发动机方面取得了长足的进步,也是该推进系统发展最快的国家,多个机构对脉冲爆震发动机的研究进行到不同阶段,比较著名的GE、洛·马、普·惠、波音、NASA等都有PDE的项目,上个世纪末,美国将脉冲爆震发动机纳入先进空间运输计划,并在2000年左右完成单管和多管的爆震火箭动力,美国国家航空航天局在1998年测试了小型脉冲爆震发动机。2003年,普·惠对5个爆震室的脉冲爆震推进样机进行了测试,如果使用碳氢燃料,不论是吸气式的还是火箭式的PDE速度上限为4-5马赫左右,如果完全使用氢燃料,上限速度可以更高。但是GE公司则侧重研制组合式的脉冲爆震发动机,通过与涡轮发动机相结合,形成短期内有望实现的超音速推进系统,而且还是商用为主。值得一提的是,美军曾经试图在高空无人侦察机上安装脉冲爆震发动机,以SR-71为例,其在亚音速阶段使用常规冲压喷气发动机,进入超音速飞行时则启动4台并联的脉冲爆震发动机,可将速度提升到10马赫。

俄罗斯对脉冲爆震发动机也有相关的研究,主要为工业型的脉冲爆震反应器,通途为磁流体发电等,俄中央航空发动机研究院、俄科学院高温所等倾向于混合式的脉冲爆震发动机,通过与超燃动力等进行混合,形成可覆盖航空、航天的动力系统。法国在脉冲爆震发动机方面也有较深的研究穿过,航宇公司依然是这方面的领头羊之一,主要业务方向为在导弹、无人飞行器上使用脉冲爆震发动机,法国CELERG公司在本世纪初启动研制使用液体燃料的脉冲爆震发动机,FALEMPIN 公司主要研究使用脉冲爆震发动机的战术导弹。总体上看,欧洲在脉冲爆震发动机上投入的国家并不多,技术实力还是集中在俄法两国,法国的脉冲爆震推进系统多数应用于无人平台,以“纯”脉冲爆震发动机为主,俄罗斯主要倾向混合式的脉冲爆震发动机,显然后者的野心更大一些。

正文已结束,您可以按alt+4进行评论

热门推荐

看过本文的人还看了

相关微博

[责任编辑:znguan]

热门搜索: