近日,中国独创无人飞行器在甘肃某机场完成首飞,因为技术过于先进,具体数据并未披露。
但是新闻里提到了一点,大家就知道这个无人飞行器究竟有多牛了?全球首次采用连续旋转爆震发动机,这也就意味着中国的连续旋转爆震发动机已经可以进入量产阶段了。
爆震发动机是什么
在自然界有两种燃烧波: 一种是爆燃波,另一种是爆震波。爆燃波通常以相 对低的速度向未燃混合物传播,对大多数碳氢燃料与空气的混合物的火焰传播速度约为每秒几米 至十几米。而爆震波产生于前导激波压缩自点火,能够以高超音速在可燃气体中自持传播,是一种高速、高效的燃烧形式。
爆震波传播速度极快,其后的燃烧过程可视为等容燃烧过程,因此,爆震燃烧方式具有能量释放速率快、热力循环效率高等优点,在推进领域中一直都备受关注。
在航空航天领域,采用爆震燃烧方式的发动机有:脉冲爆震发动机( PDE)、斜爆震发动机(ODWE) 和旋转爆震发动机( RDW E)。
连续旋转爆震发动机是什么
通常旋转爆震发动机采用环形燃烧室,推进剂从燃烧室的封闭端喷入,产生一个或多个爆震波在燃烧室头部旋转传播,燃烧产物从另一端高速排出,从而产生推力。
美国国家航空航天局(NASA )将旋转爆震发动机列为革命性概念加以大力发展,美国国防预先研究计划局( DARPA )、空军、海军也都制订了相应计划支持各研究机构和公司开展旋转爆震发动机研究。美国海军研究局与众多大学开展了旋转爆震发动机的多学科研究创新计划。
但是因为爆震存在冲击力大,噪音较大等多重问题。 另外爆震发动机工作过程具有周期性,非稳态性质,不能采用传统发动机那样的常规分析方法,而斜爆震则又面临着不能起爆的问题,这就需要非常先进的风洞才可以攻克这一系列的难题。这也是为什么美欧一直在爆震发动机上止步不前的原因。
而中国研发出来的是连续旋转爆震发动机,连续爆震的基本原理是:将爆震波限定在燃烧室内,而燃烧产物则排出做功。爆震燃烧较为接近等容燃烧,相比于采用等压燃烧,爆震发动机的熵增更小,拥有更高的热效率。此外,连续爆震发动机对来流条件的要求非常低,从而可以大大简化结构,减轻质量。
这就是连续旋转爆震发动机,与脉冲爆震发动机相比,旋转爆震波发动机只需要一次起爆,推进剂就可以连续爆震燃烧,解决,高频率重复起爆的难题。另外与脉冲爆震发动机的频率相比,旋转爆震波发动机内部的燃烧振荡频盗更高,达数万赫兹,推力更加稳定,作为动力系统,可以为飞行器其它部件创造更好的工作环境,连续旋转爆震发动机也被认为是超级重型火箭的最优发动机之一。
连续旋转爆震发动机的作用
众所周知,液体火箭推重比远远高于固体火箭,同样重量的固体火箭运力远小于液体火箭,所以,已有的重型火箭都是以液体发动机为主,还没有一个以固体发动机为主的重型火箭。
但是目前的液体火箭尺寸不大,推力也不大,这是燃烧不稳定现象导致的,这是液体火箭发动机至今仍未能解决的难题,也是限制大尺寸、大推力火箭发动机研制的瓶颈。许多专家认为,液体火箭发动机内的燃烧不稳定是由爆震燃烧引起的,而旋转爆震波发动机正是采用爆震燃烧方式,不存在燃烧不稳定问题,并且还有推重比大、结构设计灵活和级间结构质量小等优点,连续旋转爆震的诞生将为超级重型火箭的研制提供了可能。
当然,这只是连续旋转爆震发动机的一种用途,连续旋转爆震发动机具有一次起爆、燃烧速度快、热效率高、结构紧凑等优点,还可作为高速无人机动力、燃气轮机动力,应用于各类火箭和导弹、临近空间飞行器、无人机等领域。
除此之外,连续旋转爆震发动机最高可以实现20马赫的速度,这种发动机可以与涡扇发动机结合,成为继变循环发动机之后的下一代航空发动机。
而根据媒体介绍,中国研发的这款连续旋转爆震发动机的名字叫做“FB—1型旋转爆震发动机”,使用煤油燃料的吸气式发动机,具备零速启动、快速点火、适合高速飞行等特点,其最大推力可达1000N,采取爆震发动机的无人机体现了较高的成熟性,可以实现快速响应飞行降落,在全机供电后,可在15分钟内具备起飞条件,着陆后5分钟内撤离跑道。当然,这还是处于试验飞行状态。
如果真到了服役阶段,搭载了连续旋转爆震发动机无人机将获得极大的动力性能。可以迅速从静止提速到高马赫数。在时间资源宝贵的情况下具有重要意义。如在发生地震和海啸等严重自然灾害时,该无人机可在接到升空指令后迅速爬升、并加速到大于等于5马赫的巡航速度,而当突发战争时,利用无人机的超高升限与超声速巡航,迅速安全的到达作战区域或敌方上空进行数据采集、传回至作战指挥室,以此提供实时准确的作战信息,必要时,可按要求携带相关武器弹药,以完成对重要战略目标提供相应打击,提高作战效率与胜率。
同样,如果第六代战机采用了超级旋转爆震发动机,那么将带来最高20马赫的高超音速巡航速度,而且爆震循环可高达 49%的热效率,熵增最低,且比冲>2000s,巡航时间增长,而且因为拥有高的推重比,六代战机飞的也将更高,再加上结构简单,也具有更高的稳定性。
可以说,无论是作为六代战机来使用还是高超音速无人机来使用,连续旋转爆震发动机可以让它飞的更快、更高、时间更长且更加稳定。
很多网友关注的点是,如果飞行速度真的可以达到20马赫,飞行员如何承受,需要说明的是,最高飞行速度20马赫,并不是一直要以20马赫的速度飞行,除此之外,如果不做高机动动作,飞行员可以承受20马赫的飞行速度,那么六代机如果采用爆震发动机,将会注重在视距外以导弹解决战斗。
中国在下一代发动机上全面超越美国
事实上,在关于下一代发动机的研制上,中国已经实现了对美国的全面超越,关于下一代战机,主要的有变循环发动机超、燃冲压发动机、爆震发动机。
中国在爆震发动机领域领先全球,在连续旋转爆震发动机领域,根据公开的媒体报道,除了此次成功试验的这款,清华大学航天航空学院王兵教授团队研制的清航空天清航一号旋转爆震冲压发动机也取得了成功。
而在斜爆震发动机领域,中国JF-22风洞设计师姜宗林表示,中国已经攻克了驻定斜爆震发动机(也可以叫驻定斜爆轰发动机),可以让飞行器速度达到9马赫,而根据姜宗林的介绍,该款发动机已经接近实用阶段。
总结来说,美国等先进国家已结合实际应用需求开展大量试验研究和样机试制,目前已基本完成了原理性试验,进入了演示验证阶段并取得了阶段性成果,但推力水平仍未达到预期,距离研制基于爆震发动机的经济实用飞行器还需要解决大量技术难题。
而中国如今已经进入了研制基于爆震发动机的经济实用飞行器阶段,西北工业大学、空军工程大学、南京航空航天大学、航天科工31所、中科院力学所、南京理工大学、清华大学等在爆震发动机领域全面开花。
在超燃冲压发动机,中国同样已经成功进行了飞行试验,并且还开发了相关的飞行平台,至于变循环发动机,西北工业大学王占学和张晓博团队、南京航空航天大学周文祥团队、沈阳发动机设计研究所的李斌、李瑞军团队和四川燃气涡轮研究院刘勤、祁宏斌团队,都对自适应变循环发动机进行了深入的研究,并且都提出了不同的技术路线,而美国已经原地踏步了近30年,原本变循环发动机要给F35使用,如果被迫下马,换到了第六代战机使用。
为什么美国会在下一代发动机上如此拉垮,最核心的一个原因,就是美国在空气动力学上的落后以及军工复合体的冗杂,美国先进风洞并不多,尤其是高超音速风度,中国更是全球独创爆轰理论。除此之外,美国的军工复合体已经到了人员冗杂尾大不掉的地步,研发费用高、成果出来慢,成为了制约美国研发的老大难题。
还记得10年前,不少国人都在吐槽中国在航空航天发动机领域和美国仍有50年的差距,然而仅仅过去10年,中国就实现了超车,这就是中国速度!
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