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日志

 
 

冲压发动机百年发展历程与展望  

2014-02-27 09:40:15|  分类: 高超声速 |  标签: |举报 |字号 订阅

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马刚 (三院31所总体研究室副主任)

刚刚过去的2013 年是对飞航技术发展至关重要的冲压发动机问世100 周年。自1913年法国工程师雷纳·劳伦提出冲压发动机概念以来的100 年里,冲压发动机在飞航技术发展需求推动下发展迅速,特别是近十几年,以临近空间飞行器、空天飞行为背景,冲压发动机发展备受世界各国关注。本期航天论坛将目光投向这一具有百年历史的冲压发动机技术,通过回顾其发展历程来展望其发展前景。——编者

冲压发动机概念及特点

冲压空气喷气发动机,简称冲压发动机,是一种适合在超声速和高超声速飞行器上使用的吸气式发动机,主要由超声速进气道、燃烧室、收敛扩张尾喷管和燃料供给系统等构成。
冲压发动机工作时,高速气流在进气道内经过激波压缩实现减速增压,完成布雷顿热力循环中的工质增压过程,压缩空气进入燃烧室与燃料掺混燃烧形成高温高压燃气,燃气经尾啧管膨胀加速,在热能转变为动能的同时,利用反作用力原理产生推力。与涡轮喷气发动机相比,冲压发动机在高速飞行状态下,利用激波压缩的气动原理实现增压,从而不再需要压气机、涡轮等部件,也消除了旋转热端部件对来流总温和燃烧温度的限制,因此它可以在更高的马赫数下工作,也可以加入更多热量而产生更大的单位迎面推力。与火箭发动机相比,由于冲压发动机不需携带氧化剂,其比冲可提高4~6倍,更适合远航程飞行。特别是液体冲压发动机,因氧化剂完全来自于大气,比冲较携带贫氧固体燃料的固体冲压发动机更高。
由于冲压发动机具有结构简单、推重比大、比冲高,以及适应在大气层和临近空间空域内超声速飞行的特点,其研究得到了持续的关注。经过一个世纪的不懈努力,冲压发动机技术已经实现了广泛的工程应用。目前,冲压发动机逐渐成为继液体火箭发动机、固体火箭发动机之后最重要的航天动力技术,正处于飞速发展的应用拓展期。

国外冲压发动机技术发展启示

1913 年,法国工程师雷纳·劳伦首次提出了冲压发动机的概念,冲压发动机由此诞生。此后的20 年间,部件技术的基础研究逐渐展开,并取得了突破性进展。这期间,英国人本杰明·卡特尔于1926 年提出火焰稳定器概念,利用钝体回流区解决了高速气流中组织燃烧的难题;德国人奥斯瓦梯契发明了中心锥式扩压器,利用激波系解决了高速气流压缩的问题。这两项重大技术突破为冲压发动机由概念到应用创造了条件。
此后,法国、德国、美国、英国、苏联等国家竞相开展了工程应用研究。1935 年,法国工程师雷纳·莱杜克完成了首次冲压发动机地面点火试验,证明了冲压发动机作为推进装置的可行性。
20 世纪40 年代后期,经过美国“大黄蜂”、法国“莱杜克-010”等项目研究,冲压发动机通过了飞行试验验证。
20 世纪50 年代,冲压发动机开始工程应用,典型代表有美国波马克-B地空导弹、黄铜骑士舰空导弹,英国警犬地空导弹、海标枪舰空导弹,苏联萨姆4 地空导弹等弹用冲压发动机。此阶段的冲压发动机主要采用了中心锥扩压器、钝体火焰稳定器、气膜冷却等技术,飞行速度达到马赫数2.0~3.0。
20 世纪60 年代,冲压发动机在无人机上得到应用,装备RJ-43-MA-11冲压发动机的美国D-21无人机,飞行马赫数达到3.2,巡航高度达到24千米。
20 世纪70 年代,对布局紧凑性的要求促成了整体式冲压发动机技术的发展和应用,冲压发动机与火箭助推器共用燃烧室空间,提高了导弹的容积利用率;旁侧或腹部进气道技术、突扩组织燃烧技术、被动热防护技术、整体式发动机转级技术也由此出现。
部件技术方案的丰富使冲压发动机的型谱更加多样化,在液体冲压发动机之外,固体冲压发动机、固液冲压发动机、组合发动机等技术方案相继形成。其中,液体冲压发动机的研究成果尤为显著,其工程应用的典型代表有苏联的花岗岩远程反舰导弹、Kh-31机载超声速反辐射导弹、白蛉超声速反舰导弹以及美国的阿萨而母试飞器。1970年,苏联研制了整体式固体火箭冲压发动机,并在萨姆6 地空导弹上成功应用。
20 世纪80 年代以来,超声速远程飞航导弹更为各国所重视,多个国家和地区相继加入到冲压发动机的研制行列。随着一体化高性能超声速进气道技术、内流场控制技术、蒸发式火焰稳定器技术、可调尾喷管技术、小型化涡轮燃油增压等设计技术的掌握和应用,冲压发动机的性能得到大幅提升,更多以冲压发动机为动力的型号产品相继问世。
法国ASMP空射战略导弹采用整体式液体冲压发动机,高空马赫数大于3,射程数百公里,目前已经向系列化发展。俄罗斯宝石导弹采用液体冲压发动机,最大飞行马赫数为3.0,射程120~300 公里;在此基础上,俄罗斯与印度联合研制开发了布拉莫斯超声速巡航导弹。欧洲6 国联合开发流星空空导弹,采用燃气流量可调节的整体式固体火箭冲压发动机,设计最大飞行马赫数大于4,射程大于100 公里。
在亚燃冲压发动机发展的同时,为解决马赫数5 以上的“热障”问题,必须实现在超声速气流中的稳定燃烧。1950 年,美国Ferri博士成功地完成了在马赫数3 气流中的超声速燃烧试验,开启了超燃冲压发动机技术研究的历史进程。
20 世纪六七十年代,俄罗斯中央航空发动机研究院研究了设计飞行马赫数为6 的矩形和轴对称超燃冲压发动机。美国兰利研究中心实施了高超声速研究发动机计划,发展了马赫数4~8、进气道几何可调、氢燃料冷却的超燃冲压发动机,并在X-15试飞器上进行了飞行试验,得出了超燃冲压发动机必须采用机体/推进一体化技术的重要结论。
20 世纪80 年代,以高超声速导弹、空天飞机等为应用背景,高超声速冲压发动机成为研究热点,各世界强国竞相开展了研究工作。包括美国NASP、Hyper-X、HyTech、HyFly计划,英国霍托尔计划,德国桑格尔计划,俄罗斯针计划、冷计划,法国PREPHA计划,日本Hope计划等。2004年,美国X-43A氢燃料超燃冲压发动机高超声速验证机成功实现马赫数6.8和9.7的自主飞行试验,创造了吸气式发动机飞行速度新记录;2013年,美国X-51A高超声速飞行器完成了第4次碳氢燃料的超燃冲压发动机飞行试验,试飞器被成功加速到马赫数5 并持续飞行300秒以上,创下了人类吸气式动力高超声速持续飞行时间的新记录,证明了采用碳氢燃料超燃冲压发动机实现高超声速飞行的工程可行性。

我国冲压发动机技术的发展特点

我国冲压发动机的研发历程始于20世纪50年代。钱学森当时即指出,“冲压发动机是个好发动机,但是个复杂的高级发动机,它的推力产生于发动机进出口动量之差,是两个大数之差,因此冲压发动机必须精细设计。”在钱学森、梁守槃等老一辈科学家的倡导下,我国于1957年组建了冲压发动机研究所,开始了冲压发动机的研制工作。
1957年年底,在钱学森的积极倡导之下,当时的国防部五院成立冲压发动机研究室,我国冲压发动机事业艰难起步。这也是我国第一个冲压发动机研究单位——北京动力机械研究所(三院31所)的前身,同时也是目前国内唯一实现冲压发动机研制工程化的专业研究单位。
这种被钱学森称为“好发动机、复杂的高级发动机”的“直筒子”,在当时物资匮乏、技术落后的年月里,研制每走一步都是举步维艰。已故中国工程院院士刘兴洲,因为是2008年圣火耀珠峰的幕后功臣,被称为“火炬院士”,其实他的准确身份是我国冲压发动机事业的主要开创者之一,并为之付出了毕生心血。
“刚刚来到单位,梁守槃教授在谈话中提到我国发展冲压发动机的意图,布置我们从试验设备入手开始研究,并告诉我们,搞冲压发动机是国防需要,是‘争气’机,要为中国人民争气。可当时这一技术在国内还是空白,谁也没见过,更没学过。几天后在他的办公室,梁教授在一张纸上简单地画了一个原理图,这才让我们恍然大悟,也正是这张简图开启了我国冲压发动机研制之路。”这段往事,一直深深刻在刘兴洲的记忆里。虽然后来到苏联留学学的是冲压发动机,但是由于保密,直到他毕业回国,也没看到冲压发动机的真实面目。“谁也不会把最先进的东西给我们,创新不能靠别人。”刘院士与大家一起做了大量开创性的研究工作。他主持翻译的《冲压发动机与火箭发动机原理》,成为当时我国冲压发动机研制的重要参考资料。
那个年月的人几乎都是一种忘我的状态,设备简陋的令人难以想象,试验时躲在铁皮后面仿佛瞬间会被烤熟,夏天做试验,振动太大受不了,就把军大衣反过来穿护着心脏,噪音太大,做完试验几天耳朵都不听使唤——回忆起那段刻骨铭心的起步阶段,很多老同志一辈子都难以忘怀。
经过老一辈创业者的不懈努力,我国于1960年实现了第一台冲压发动机的成功点火;1969年,我国首型冲压发动机取得飞行试验成功,使我国成功跨入世界上少数几个掌握冲压发动机技术的国家行列。在随后的几十年里,我国立足于自主研发,冲压发动机技术保持了与国际先进技术水平的同步。
2013年1月18日,在2012年度国家科学技术奖励大会上,北京动力机械研究所一项冲压发动机技术研究荣获国家科技进步二等奖,这让迅速成长起来的一批年轻的冲压发动机技术专家兴奋不已,也更加期待冲压发动机技术下一个百年的辉煌。

冲压发动机技术未来发展需要探索的关键技术

冲压发动机已经成为超声速和高超声速巡航动力的主要选择,作为组合动力的重要基础,冲压发动机技术也推动着组合发动机技术和空天飞行技术的蓬勃发展。
当前先进的涡轮冲压组合发动机具有可零速启动、工作模态多样、全包线比冲高、航程远、可重复使用等突出优点,成为高速无人机及临近空间飞行器的理想动力装置,在民用方面可以作为远程快速运输的飞行器动力装置。
而火箭冲压组合循环发动机更可大幅拓宽动力装置工作范围,实现跨大气层工作,将为远程快速投送和可重复使用天地往返运输提供动力支持,是未来最具前景的空天动力之一,在空间利用、太空探索的飞行活动中发挥更大的作用。为适应未来超声速飞行器大空域、远航程、大机动、高速巡航飞行以及可重复使用的发展方向,新一代高性能冲压发动机及其组合发动机需要进一步深入研究应用以下关键技术:可变几何流道设计技术、新型组织燃烧技术、主被动热防护技术、复杂环境适应性技术、先进控制技术、结构高可靠性设计技术和新型材料应用技术等。这些技术的掌握将使快速到达和空天往返逐步成为现实。
冲压发动机在百年华诞之际迎来新的起点。随着越来越多的部门和科学家投入到冲压发动机技术研究领域,我们有理由相信,冲压发动机广阔的应用前景和内在技术优势将促使人类克服一切艰难险阻,完成吸气式推进的又一划时代的革命,向着更快、更高、更远的目标不断迈进。

《中国航天报》2014年1月23日
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