SR-72靠什么样的发动机飞6马赫

SR-72靠什么样的发动机飞6马赫

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洛克希德·马丁公司近日披露了SR-72高超音速无人侦察机的研制计划,最为惊人的是该平台飞行速度可达到6马赫,单纯比速度的话,多数空对空、地对空导弹几乎追不上SR-72,更不用说把它给打下来,“鼬鼠工厂”再次向世人展示了其强大的创新和研发能力,作为SR-71的同门师兄,SR-72继承了其贵族血统,把隐形和高超音速飞行技术完美结合,尤其是高超音速飞行技术代表了21世纪的空天发展方向,谁能先把高超搞成烂大街的路边货,谁就能称霸天空。

高超音速飞行器是本世纪航空技术发展的重点,目前美国、俄罗斯、英德法、日本等航空强国都在发展这一技术,传统意义上的大气层内有人驾驶超音速飞行是我们所熟知的,封顶速度也就是3马赫左右,一般的空优战斗机最大速度都在2.3至2.5马赫左右,只有少数几种可以称为“变态”的飞行器最大速度可冲到3马赫,比如SR-71,XB-70、米格-25等。高超音速飞行的要求是达到5马赫速度以上,显然大气层内以吸气式动力为主的平台达到这一速度需要更大的技术突破,而导弹平台就可以达到更高的速度,基本上可以接近或达到高超音速,比如爱国者、C-300系列都可以达到6马赫左右,制约高超音速飞行的主要因素为动力系统。

超音速飞行可以通过火箭动力和吸气式发动机实现,火箭动力就不言而喻了,它与吸气式动力相比最大的特点在于不需要使用空气,燃料和氧化剂都存储在箭体内,这就意味着火箭动力的飞行器可以进入大气层之外的空间飞行,根据使用燃料的不同,火箭动力还可以分为液体和固体等。对于大气层内的高超音速飞行而言,吸气式发动机技术就显得尤为重要,目前多数高超音速飞行测试几乎都不使用火箭动力助推,尤其是发展可重复使用飞行器时,尽量避免使用到火箭动力,更多的是研究吸气式发动机在高超音速飞行阶段的性能。

吸气式发动机是未来空天动力的关键技术,从广义上该动力模式可以分为活塞式、燃气涡轮和冲压喷气等,并衍生出一系列的“家族树”,比如冲压转子发动机、脉冲爆震发动机和高超音速发动机等,而高超音速发动机之中超燃冲压与脉冲爆震发动机最具发展潜力,是高超音速飞行标杆动力,但是超燃冲压固然牛逼,也具有较大的局限性,比如无法从零开始加速,需要另外一级的发动机进行助推,达到一定速度后才能启动超燃动力,从“超燃”一词也可以看出,这个发动机的优势在于能驾驭超音速燃烧,不亚于在超强飓风中点燃一根火柴,不仅不会让其熄灭,还可以继续燃烧。根据目前的高超音速测试飞行结论,超燃冲压发动机是非常适合作为高超音速飞行平台的动力,但该飞行器的飞行包线决定了超燃冲压发动机无法作为单一动力完成这一任务:速度变化跨度大,可从零到达6马赫以上;高度变化大,可从海平面一直到30公里以上的亚轨道空间,跨大气层、跨声速、从亚轨道到近地轨道都是高超音速飞行器的活动空间,显然超燃冲压发动机势单力薄、有心无力。

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涡轮基组合循环发动机是一种比较理想的高超音速飞行动力

在低马赫数飞行或者说从静止开始加速的过程中,涡轮风扇发动机是一种非常理想的动力,技术非常成熟,推力也很给力,可胜任2.5马赫数以下的飞行要求。当马赫数大于2.5而小于5、6马赫时,就需要使用亚音速燃烧技术的冲压发动机,当马赫数大于5、6马赫时,基于超音速燃烧动力的发动机就更具优势,因此一型高超音速平台就需要使用至少两种发动机作为主要动力,第一种就是使用涡轮风扇发动机动力与亚燃发动机组合,形成涡轮基组合循环发动机,第二种即超燃冲压发动机,这样可以在起飞阶段使用涡轮基组合循环发动机,当飞行器抵达一定高度和速度后,启动超燃冲压发动机,这样动力布局模式是比较理想的高超音速飞行平台,当然这可是空天飞机的动力标配,对于一般的大气层内高超音速打击飞行器而言,这样的动力组合显得过于奢华了。

撇开超燃冲压发动机,仅仅装备涡轮基组合循环发动机就可以实现6马赫数左右的高超音速飞行,可以充分发挥涡轮风扇发动机和冲压发动机各自的特点,比如涡轮风扇发动机可从0加速到0.9马赫,让飞行器属于亚音速巡航飞行,不仅经济也非常实用,然后继续加力爬升,冲破音速加速到2马赫、继续爬升加速到2.5马赫左右,这时候启动冲压发动机,高度大约可达到18公里左右,继续突破3马赫屏障,最终加速到5至6马赫,高度大约为26至30公里,这样就可以进行高超音速巡航,两小时内打遍全球自然不在话下。

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涡轮基组合循环发动机比较适合两级入轨平台的运载级

在超燃冲压动力技术还不成熟的情况下,涡轮基组合循环发动机是一种比较理想的高超音速飞行动力。事实上,组合循环动力模式有三个大类,第一类就是涡轮基组合循环发动机,还有一种被称为火箭基组合循环动力,从字面上就可以看出火箭基组合循环动力以火箭动力完成第一阶段的加速,当飞行器加速到冲压发动机启动要求的环境后就可以结束火箭助推工程,用冲压发动机完成高超音速飞行,第三类就是混合型的组合循环动力,不仅使用了涡轮发动机,也使用火箭发动机,这样就结合了涡轮基组合循环和火箭基组合循环各自的优点。

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美已经陆续开始研制多款高超音速验证机,未来的天空将是充满各种6马赫速度以上的飞行器

国外涡轮基组合循环发动机技术研究起步较早,比如美国、德法、俄日等,从目前的技术状态和实验结果来看,美国在涡轮基组合循环发动机研究上处于较为领先的地位,但是法国在1951年就开启了对涡轮基组合循环发动机的研制,在1957年实现2.1马赫数,美国在1956年研制J-58发动机提升到3.2马赫,德国的涡轮基组合循环发动机技术研制起于桑格尔计划,项目启动时间为1988年,平台为两级水平起降的空天飞机,第一级为超音速载机、第二级为火箭动力有翼飞行器,第一级水平起飞后抵达释放高度,第二级火箭动力点火分离,级间分离速度需要由第一级吸气式发动机提供,在桑格尔计划框架内对6种涡轮基组合循环发动机进行了综合评估,确定以串联式的涡轮基组合循环发动机作为第一级动力组成。苏联中央航空发动机研究院对R-11-300、AI-25动力进行了测试,俄罗斯也延续了对涡轮基组合循环动力的研究,其主要用于侦察平台,27公里高度马赫数达到4,采用串联式涡轮冲压组合循环动力。

事实上,串联式的涡轮基组合循环发动机项目较多,比如在HYPR框架下研制的基于HYPR90-T涡轮风扇平台的串联式组合循环冲压动力,充分发挥出大涵道比涡轮风扇动力的亚音速品质和亚燃冲压在3马赫以上的性能。并联式的涡轮基组合循环发动机典型代表为美国国家航空航天局在J-85涡喷动力基础上与冲压动力组成的涡轮基组合循环模式,起飞模式依然为亚音速段运行涡喷动力,从2马赫至3马赫过程中逐渐打开冲压涵道,3马赫数以上速度飞行段完全关闭涡喷动力。

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RALV-B两级入轨平台方案

涡轮基组合循环发动机的设计概念多嵌入到单级、两级入轨的空天飞机计划中,在美国国家空天飞机计划中,一种单级入轨方案就使用了低速段涡轮基组合循环发动机与高速段超燃动力组合模式,前者为0至6马赫数的主要动力,后者为6至25马赫提供推力,显然这一组合是较为理想的空天动力,当然进入轨道后就要使用到就需要使用到火箭发动机与吸气式动力组合,100公里轨道高度上氧含量非常低,需要冲压动力过渡到火箭动力,这种动力组成中以火箭双模态冲压动力为首,因此涡轮基组合循环动力与火箭动力“混搭”可覆盖海平面至近地轨道。除了单级入轨空天飞机外,两级入轨平台也可以使用到涡轮基组合循环发动机,主要用于第一级载机平台携带,美国国家航空航天局、美国空军针对两级入轨平台的第一级载机动力系统进行了深入研究,在第一级上使用上下并联式涡轮基组合循环动力,并提出了后续高速推进评估计划和高马赫数涡轮动力计划,从这些项目的进展过程中看,建立在涡轮风扇基础上的冲压循环动力具有较强的发展潜力,在超燃动力还没有完成成熟的前提下,可以在短期内时间4至6马赫数左右的高超音速飞行。

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X-43平台验证了高超音速飞行的动力原理

SR-71使用的J58发动机是涡轮基组合循环发动机的早期平台,由涡轮喷气动力与亚燃冲压动力组成,通过后续的国家空天飞机计划、先进航天运输计划中都对涡轮基组合循环动力进行了不同程度的研究,2001年美国国家航空航天局提与GE公司联合提出革命性涡轮加速器计划,这是一种基于YF120加力涡扇动力带冲压燃烧室的组合动力,计划用于巡航导弹平台,目前X-43B平台上试飞就是该动力。2005年,猎鹰组合循环发动机FaCET计划启动,起飞阶段依然使用涡轮发动机,2.5至5马赫速度段使用冲压动力,5马赫以上使用超燃动力。

可以预见,涡轮基组合循环发动机不仅可单独作为巡航导弹平台的动力,目前的巡航导弹都使用涡扇动力,显然其速度无法突破音速,即使具有极强末端规避能力的巡航导弹也无法突破日益高端的中近程防空体系,对于巡航导弹发展而言,突破3马赫关口实现5马赫至6马赫数的高超音速飞行才是对现代防空体系的挑战,试想一下,采用苏联饱和攻击模式的高超音速巡航导弹以6马赫速度突防是什么样的情形,有一个词汇叫做望弹兴叹,拦截?想都不用想!同时涡轮基组合循环动力还可以用于侦察机、轰炸机执行远程战略侦察和攻击任务,除了在短时间内提升巡航导弹突防速度外,涡轮基组合循环动力也可以用于单级或者两级入轨平台的第一级,使用组合动力的空天飞机只需要传统的跑道就能起飞、加速爬升、入轨,不论是第一级还是第二级都具备水平降落的能力,出勤故障率比传统的火箭发射要低很多。此外,在经济型上,涡轮基组合循环发动机效费比较火箭发动机更高。

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Trijet项目设计的组合循环发动机同时集成了涡轮、火箭与双模态冲压组合

从当前全球研究涡轮基组合循环发动机的进度来看,美国和日本处于这一领域的领先地位,日本于1989年启动的高超声速运输机推进系统研究计划(HYPR)在1993年至1996年间对涡扇和冲压组合动力进行测试,试图开发基于涡轮基组合循环动力的大型超音速客机,起飞质量可以达到400吨以上,巡航速度为5马赫,高度在30公里左右。美国则通过革新涡轮加速器(RTA)项目、Falcon组合循环发动机技术(FaCET)项目、Trijet涡轮、火箭与双模态冲压组合发动机项目对0到7马赫速度段的组合循环动力进行研究,要使涡轮发动机与冲压动力整合,需要进行一体化设计,尤其是需要拥有可调性好的进气道与阻力小的尾喷管。以6马赫数巡航飞行时发动机进气口的温度极高,应用型的涡轮基组合循环发动机需要使用相对应的冷却技术和特殊材料。

我国的涡轮基组合循环发动机目前也取得了一定的进展,北航、南航、沈飞、航天三院、中国燃气涡轮研究院等机构介入了涡轮基组合循环发动机的研制,初步掌握了涡轮基组合循环的概念性特点,发动机技术向来是我国的弱项,尤其是新型动力系统的出现需要前期技术积累,而涡轮基组合循环建立在涡轮动力和冲压动力的基础上,技术成熟后还要进一步使用超燃动力,如此宽的飞行范围需要各系统完美结合,可适用于0速度、亚音速、超音速和高超音速飞行要求,尤其强调了一体化设计理念,即发动机与机身之间高度流线化,两端进气道和尾喷管的气动性能要求较高,所使用的碳氢燃料也需要较高的稳定燃烧特性,因此涡轮基组合循环发动机应用范围非常广泛,但技术难度也很大。

文:文渊阁大学士

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