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7倍音速,8000公里航程:中国可重复使用大范围高超音速飞机MD-22

 星辰大海种花家 2022-11-07 发表于浙江

珠海航展上一架飞行器的照片吸引了大量媒体的关注,它激进的气动外形表示它是一架速度很高的飞行器,旁边的标牌则说明这是一架最高可达7倍音速,航程可达8000公里的高超音速飞行器。

有网友留言戏称“我认为中国基本上是在告诉全世界:可能暂时还造不出先进半导体,但我可以制造出你做梦也想不到的东西。”,玩笑归玩笑,目前中国军工确实已经有这个能力,但问题来了,究竟是什么动力系统才能让飞行器达到如此高速?

中国可重复使用大范围高超音速飞机MD-22

MD-22的数据和用途来自于标牌说明,这些参数确实有些让人吃惊,而且这样的一架飞行器居然还只是一个测试平台,这......用于实验各种飞行器?那首先是不是得自己先跑一圈给大伙看看?

这块标牌说明中有几个非常关键的参数:

  • 1、长10.8米,宽4.5米,起飞重量约4吨;

  • 2、0~7马赫,最大航程可达8000km;

  • 3、临近空间高超音速技术试验平台;

  • 4、高速条件下实施6g稳盘过载;

第一条参数中规格表示,这不是一种纯试验性的飞行器,而是作为一种成熟的飞行器出现,一般的超燃冲压发动机等实验没有那么大的载机,并且早期实验也不需要那么大;

第二条参数表示,马赫数最高可达7马赫,这基本已经达到了碳氢燃料超燃冲压发动机最高速度极限,也就是说它搭载速度最快的发动机是碳氢燃料版超燃冲压,应该不会搭载氢燃料版的超燃冲压发动机,因为氢燃料的超燃冲压发动机可以轻易达到10马赫以上;

第三条参数表示这是一种临近空间的高超音速技术试验平台,它涵盖的范围是临近空间,不过这要取决于搭载的发动机,毕竟越是高空越是不需要在意气动外形;

第四条参数表示,这飞行器能在高音速条件下可以做到6g的稳盘过载,这表示这种飞行器不是拿来做四平八稳的飞行器用的,很有可能是准备探索在超音速条件下的作战。

高音速下的高G作战

在未来高音速和高超音速发动机成熟后必将应用于作战,但在超音速条件下的机动和亚音速条件下机动完全不是一回事,比如现代战斗机基本都能达到9G过载,比如F-15在1000千米/小时高亚音速条件下9g的过载可以达到17.2度/秒的转弯角速度,但到了1500千米/小时的超音速条件下只能达到12度/秒,而且速度越高转弯角速度也越低,到了高超音速条件下,只能绕大弯了。

当然在高音速甚至高超音速条件下并不只是考虑过载,因为这个转弯角速度是在“真空速”下计算出来的,没有考虑空气动力因素,因为在大气层中飞行不只要考虑机体承受的“离心力”,还要考虑气动翼面对高速气流称承载能力,所以亚音速条件下的9g,到了高音速或者高超音速下变成6g或者3g都是有可能的。

但高音速下的高g作战能力显然非常重要,这表示机体在高g过载以及更高速度气动条件下的灵活性,对占位发射导弹能力尤其重要,同样在规避导弹时也是一样的。另外还有一个则是在高音速条件下载机发射导弹,此时打开弹仓等都会严重影响载机的气动条件,能抗过载更高的机体在这个过程中是具有优势的。

MD-22对高g性能的需求表示中国军工已经开始考虑高超音速条件下作战了,也可从侧面看出我国的高超音速技术正从实验阶段正走向实用。

究竟什么发动机可以上机测试?

上文中的第三条参数表明MD-22是一架“临近空间高超音速技术试验平台”,除了搭载电子设备与武器等测试装备的载机外,MD-22应该还会搭载高超音速发动机进行测试,那么究竟是哪种发动机才能上得了MD-22的测试台呢?

MD-22的适应速度是0~7马赫,虽然它也能在低速下飞行,但肯定不会去测试普通的低音速涡扇发动机,而上限是7马赫,也不会测试高于7马赫的发动机,就目前而言,排出低速和高速后的发动机目录大致如下:

  • 1、高音速的涡喷发动机;

  • 2、旋转爆震发动机;

  • 3、亚燃超燃一体冲压发动机;

一般不太可能测试的发动机类型有液氢超燃冲压发动机,因为这种发动机可以轻易超过10马赫,当然低于7马赫也能用,所以只能凑合下无法发挥出氢燃料超燃冲压发动机的性能。另外预冷式涡轮变循环火箭发动机也不太可能测试,因为这是一种从0速度直接到入轨速度的“完美”发动机,这架飞行器不能满足测试要求,或者只能测试飞行包线中的一段。

涡喷发动机:作为启动超燃冲压发动机的前奏

先来个铺垫,亚燃冲压发动机启动速度至少也要大于0.5马赫(音速倍数,1马赫表示1倍音速),超燃冲压发动机启动至少得大于4马赫,因此用超燃冲压发动机作为高超音速动力时需要两个前提:

  • 1、火箭或者涡轮发动机推至4马赫速度;

  • 2、涡轮发动机推至超音速,点燃亚燃/超燃一体发动机;

虽然亚燃/超燃一体的冲压发动机很不错,但在超燃冲压发动机仍然困难重重的情况下将两者结合难度太大,以火箭或者涡轮喷气发动机加速至4马赫显然更合理(涡喷在高速下比涡扇更有高速优势),在飞机动力中火箭发动机一般都不予考虑,因此如何将涡轮喷气发动机加速至4马赫就成了一个大问题。

黑鸟动力:J58或许可以参考

能将SR-71推至3.2马赫的J58发动机或许值得参考一下,涡轮喷气和涡轮风扇的最大推力都是在加力燃烧室模式下达到的,J58发动机也同样如此,但为什么J58的发动机能达到3.2马赫并且可以长时间使用而其他发动机不行呢?

原因是使用加力燃烧室过久会超过燃烧室高温涡轮的极限温度,也就是可能会让高温涡轮“融化”,因此一般的战斗机发动机开启加力时有时间限制,一般也就在数分钟到10多分钟内,超过就不行了,但SR-71的发动机是可以的。

原因很简单,J58发动机将第四级压气机的部分气体通过6条管道直接输送至加力燃烧室,与注入的燃油一起燃烧,达到了增推降温的目的!

不过各位不要以为J58发动机很优秀,其实这种1960年代的发动机涡轮前温度只有1093℃,我国的WS-13已经达到了1527℃以上,但J58以这种思维达到了增推降温方法确实非常优秀,这也是变循环发动机的原理,J58也成了变循环发动机的鼻祖,目前GE的XA100变循环发动机已经成功,推重比和耗油率都比F119都要优秀。

我们就投机取巧,将WS-13的核心机改造成涡喷型变循环发动机,J58的变循环结构是最原始的,也最容易实现,但它仍然可以大幅增加加力推力,超过J58的3.2马赫一举突破4马赫,成为推动超燃冲压发动机启动的涡轮机,这点可能是高超音速路线中比较容易做到的。

因此上文这个答案就将第一种涡喷发动机和第二种超燃冲压发动机一并给回答了,而MD-22将成为这种动力最好的装机实验对象,据笔者估计,这种组合的TBCC(涡轮基超燃冲压发动机)应该已经到了临门一脚的程度了。

旋转爆震发动机:零速度启动,最佳动力

爆震发动机其实是一种比较“古老”的发动机,非常节省燃料而且排气速度非常高,这俩指数比目前流行的主要动力喷气式发动机都要好,原因有如下几个:

  • 1、空燃比很低;

  • 2、爆轰波速度超音速;

  • 3、等容燃烧;

空燃比就是燃料燃烧时的空气和燃料比例,一般燃烧比例要更高一些,而爆炸比例却可以很低,比如常见的氧乙炔火焰的混合比为例,一般气割时的高温蓝白色火焰的氧气与乙炔气体混合比大于1.2,也就是乙炔浓度大约为46%左右,当然也可以再低一些,但再低也不可能低至乙炔的爆炸浓度下限,因为乙炔的爆炸浓度范围为2.3%-72.3%!

空燃比低表示燃料消耗率也比较低,但它的爆轰波却很高、是以超音速传播的,比如一般的气体爆炸爆轰波可达1400米/秒,而喷气式发动机中的燃烧室速度却低于音速。另一个则是等容燃烧,爆炸可以在开放空间内近似为等容燃烧,而喷气式发动机的燃烧室却是等压燃烧,压力过高就会排气泄压,影响了排气速度的提高。

爆震发动机之所以无法实用是因为频率和连续点火问题,因为爆震发动机的推重比与频率有直接关系,一般的PDE(脉冲爆震)达不到如此高速,只能多管组合起来,但频率依然有限,PDE的爆震频率门槛是80HZ以上,目前也就在略高于此标准而已。

旋转爆震就是一种解决爆震频率的问题,它的基本结构是一个环形燃烧室,起爆频率决定进气道和燃烧室的结构,以某种频率自持起爆工作,它的结构比较特殊,与兴趣的朋友可以研究一下这个结构图:

右侧图纸为鸡饭版,各位凑合着看,这个自持爆轰需要一个气动过程,首先第一个起爆到自持爆轰的过程是这样的:

  • 1、在爆轰通道上喷入燃料混合后点火起爆;

  • 2、点火起爆后的火焰将隔壁通道混合气点燃起爆,以此类推完成一个循环;

  • 3、起爆后爆轰波会扩散出排气口形成推力,但进气道的设计会防止气体向进气道反冲;

  • 4、排气后期会产生负压,吸入进气道气体,并且随着推力增加进气道也会产生进气压力;

  • 5、第二轮起爆,形成不断循环的过程,构成持续推力;

虽然旋转爆震原来很简单,但起爆过程非常复杂,并且形成循环难度极高,另外对排气和进气压力检测也是调整起爆过程的关键,目前这种发动机已经可以供给小型航空器比如小型无人机使用,而大型旋转爆震发动机也在加紧试制中,中国的爆震发动机研究在全球同类发动机中还是比较领先的。

2022年1月24日,清华大学航天航天学院启动与实施实验室新型发动机实验就是旋转爆震发动机,其描述是“新型发动机点火成功,并稳定工作,试验取得了圆满成功。”,这表示我国的旋转爆震发动机进展是相当不错的。

旋转爆震发动机的优势是可以在零速度下启动、也可以高速下启动、熄火重启这些都没问题,比超燃冲压发动机可是要方便多了,唯一有个缺点的是PDE(脉冲爆震)的上限是5马赫,而RDE(旋转爆震)进气原理与PDE是类似的,应该也会受到这个影响,但爆震频率的增加也会提高速度上限,哪位有详细数据的不妨留个言。

上图为PDE发动机工作速度区间,最高低于6马赫,估计RDE也会有些影响!另外氢燃料的超燃冲压发动机也在超过14马赫后效率会下降,另一种倾斜爆震发动机则可以工作在6~17马赫之间工作,从吸气式发动机来看,倾斜爆震的上限应该是相当高了,只是倾斜爆震发动机难度实在太高,目前仅仅在实验中有所突破,离应用还远着呢。

延伸阅读:超越美军的发动机路线,究竟哪个路子才有可能?

上文中有提到,美军变循环发动机已经突破,GE的XA100和PW的XA101都取得了突破,据GE的宣传资料称,XA100的涡轮前温度已经达到了2400K,这个涡轮前温度基本就决定了发动机的性能,我们的目前的发动机涡轮前温度完全无法和XA100的温度比拼,如果一步步跟随,想要超越遥遥无期!

是否有路子可以超越美军?方法还是有的,只能在新体制发动机想出路,比如上文所说的旋转爆震发动机,这个性能相当优秀,而我们和美国的旋转爆震技术相差并不大,至少没有像涡轮风扇发动机的核心机差距那么大。

还有一种涡轮基+超燃冲压发动机的TBCC也有些希望,我国在超燃冲压发动机上还是比较领先的,如果能像上文中说明的方案,WS-13核心机改造一款专门用来突破加力燃烧速度的涡喷发动机,再结合超燃冲压发动机,那么也将一举超越速度的上限,直达碳氢燃料的冲压发动机速度极限7马赫。

而美军的变循环发动机尽管非常省油,但这种结构存在涡轮结构,4马赫之后速度很难提升,所以美军再折腾变循环也只能在4马赫左右的区间打转,因此目前的的态势正是跨越前进的好时候。

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