于文懷
目前,世界各航空強(qiáng)國為了更有效地掌握制空權(quán),除了加強(qiáng)智能發(fā)動機(jī)、多電發(fā)動機(jī)等燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)技術(shù)研究發(fā)展外,紛紛開始探索新穎的發(fā)動機(jī)技術(shù),將航空、航天推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行組合,其中變循環(huán)組合發(fā)動機(jī)就是目前備受關(guān)注的、適合高超聲速飛行的新型發(fā)動機(jī)。本文對組合發(fā)動機(jī)的技術(shù)應(yīng)用、特點、發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢等進(jìn)行簡要了介紹。
航空、航天推進(jìn)技術(shù)組合的戰(zhàn)略意義
隨著世界航天航空技術(shù)的進(jìn)步和新軍事變革,各國軍用武器裝備水平有了跨越式提高,使得天地往返運輸技術(shù)的發(fā)展顯得越來越迫切,“誰能控制空間,誰就能控制世界”。對于未來的航空(天)運載器來說,不僅要實現(xiàn)可重復(fù)使用,而且還要滿足必需的空間高度、飛行速度(達(dá)到高超聲速)、飛行距離以及更廉價進(jìn)出空間的要求,其技術(shù)水平體現(xiàn)了一個國家自由進(jìn)出空間和保持空間優(yōu)勢的能力。發(fā)動機(jī)作為空天飛機(jī)和重復(fù)使用航天運載器的核心部件,其系統(tǒng)方案和性能直接影響到飛行器的起飛方式、飛行速度、飛行高度和作用距離,進(jìn)而影響到飛行器的運載能力、效能和可靠性。
空天飛機(jī)和可重復(fù)使用的航天運載器是航天與航空技術(shù)的高度綜合,一旦研制成功并投入使用,將對航空航天、未來戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)模式與對抗優(yōu)勢地位產(chǎn)生重要的影響。而RBCC火箭基組合循環(huán)發(fā)動機(jī)、TBCC渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機(jī)和ARCC吸氣式-火箭組合循環(huán)發(fā)動機(jī)對中、小型亞軌道飛行器具有良好的適用性和應(yīng)用前景,可為亞軌道飛行器提供在多種跑道上起飛并重復(fù)使用的可行系統(tǒng)方案,有助于確定信息化高技術(shù)條件下空間競爭中的優(yōu)勢地位,建立有效的空間飛行作戰(zhàn)平臺,是未來高技術(shù)戰(zhàn)爭不可或缺的一部分,其發(fā)展水平關(guān)系到航空航天技術(shù)領(lǐng)域和國家安全,因而具有重要的戰(zhàn)略價值和意義。
國外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
根據(jù)預(yù)測,在不久的將來美軍有能力在兩小時之內(nèi)將全副武裝的海軍陸戰(zhàn)隊士兵從美國本土投送至全球任何地點,且無需獲得外國領(lǐng)空的通行證。美國設(shè)想中運送士兵的超級飛行器是個亞軌道飛行器,一次可搭載13名海軍陸戰(zhàn)隊士兵以及兩名駕駛員。在飛行過程中,它先是被懸掛在一架大型亞軌道飛機(jī)的腹部,在被帶到數(shù)千米的高度后便與母機(jī)分離,然后通過超聲速沖壓噴氣發(fā)動機(jī)將飛行器提高至30千米的空域,再發(fā)動火箭發(fā)動機(jī),以拋物線的軌跡將飛行器提升至80千米以上的太空。當(dāng)?shù)竭_(dá)距離地面約110千米高度后,飛行器將展開雙翼并開始進(jìn)入著陸階段。該飛行器將是能從根本上改變部隊作戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)的空間輸送系統(tǒng),可重復(fù)使用和高超聲速飛行的特點使其具有強(qiáng)大的優(yōu)勢。
1.空天飛機(jī)與高超聲速飛行器發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
目前,美、俄等國都在加緊發(fā)展各自的“天軍”,甚至提出“誰能控制空間,誰就能控制世界”。在多種處于發(fā)展過程的天戰(zhàn)武器中,空天飛機(jī)和可重復(fù)使用航天運載器集飛機(jī)、運載器、航天器等多種功能于一身,既能在大氣層內(nèi)作高超聲速飛行,又能進(jìn)入軌道運行,將是21世紀(jì)控制空間、爭奪制天權(quán)的關(guān)鍵武器裝備之一。美國、俄羅斯、法國、德國、日本、印度和澳大利亞等國已在高超聲速技術(shù)和空天飛機(jī)方面陸續(xù)取得了重大進(jìn)展,并相繼進(jìn)行了地面和飛行試驗。
⑴ 美國20世紀(jì)80年代中期實施了采用吸氣式推進(jìn)、單級入軌(馬赫數(shù)25)的國家空天飛機(jī)計劃(NASP),大大推動了高超聲速技術(shù)的發(fā)展,僅美國航空航天局(NASA)蘭利研究中心就進(jìn)行了包括乘波外形一體化和超燃沖壓發(fā)動機(jī)試驗在內(nèi)的近3200次試驗。通過這些試驗,美國已基本掌握了馬赫數(shù)小于8的超燃沖壓發(fā)動機(jī)設(shè)計技術(shù),并建立了大規(guī)模數(shù)據(jù)庫,從而為實際飛行器的工程設(shè)計奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
實施過程中美國不斷調(diào)整發(fā)展思路,NASA制定了以對采用的設(shè)計方法進(jìn)行飛行驗證,繼續(xù)發(fā)展以超燃為動力的飛行器設(shè)計工具,降低由于氣動力、推進(jìn)系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)/發(fā)動機(jī)/結(jié)構(gòu)一體化預(yù)估不準(zhǔn)確帶來的風(fēng)險為主要目標(biāo)的Hyper-X計劃,先后研制了以火箭為動力的空天飛行器X-33、X-37和X-43。2004年3月,以超燃沖壓發(fā)動機(jī)為動力的飛行器X-43A試飛獲得成功,可控飛行速度達(dá)到了馬赫數(shù)7,持續(xù)飛行8秒鐘,飛行高度28千米。美國空軍2008年開始研制X-51“乘波者”的高超聲速巡航導(dǎo)彈,采用超燃沖壓發(fā)動機(jī),飛行速度將達(dá)到6000千米/時,如果研制成功將使美軍具有可在60分鐘內(nèi)對全球任何地點實施精確打擊的武器。美國國防部與航宇局也制定了名為“FALCON”的計劃,發(fā)展可重復(fù)使用的跨大氣層空天飛行器,以實現(xiàn)其快速全球打擊構(gòu)想,其核心部分就是可重復(fù)使用、可再入大氣層、以高超聲速飛行、無人駕駛的空天飛機(jī),認(rèn)為它將成為未來最重要的新型空天飛行作戰(zhàn)平臺,為空天運輸和攻防對抗提供超凡的能力。
⑵ 俄羅斯在高超聲速技術(shù)領(lǐng)域仍處于世界領(lǐng)先地位,在亞燃/超燃沖壓發(fā)動機(jī)、耐高溫材料、C/H燃料、CFD技術(shù)及一體化設(shè)計技術(shù)等方面取得了重大突破,且已經(jīng)進(jìn)入了高超聲速技術(shù)飛行驗證階段。在空天飛機(jī)研究方面,俄羅斯研制了“暴風(fēng)雪號”和“彩虹號”高超聲速試驗飛行器,其設(shè)計飛行速度馬赫數(shù)為2.5~6,飛行高度為15~30千米;此外,俄羅斯還研制了采用氫燃料超燃沖壓發(fā)動機(jī)的IGLA高超聲速試驗飛行器,飛行速度馬赫數(shù)為6~14。
⑶ 德國設(shè)計了“森格爾”空天飛機(jī),英國則在進(jìn)行“霍托爾”空天飛機(jī)研制,日本也在研制成本更低廉的空天飛機(jī),采用吸氣式發(fā)動機(jī)和火箭組合的推進(jìn)系統(tǒng),應(yīng)用人工智能飛行控制技術(shù)。
2.空天飛機(jī)和航天運載器推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢
目前,空天飛機(jī)和可重復(fù)使用的航天運載器可以采用的推進(jìn)系統(tǒng)主要有:火箭發(fā)動機(jī)、吸氣式發(fā)動機(jī)和組合循環(huán)發(fā)動機(jī)。火箭發(fā)動機(jī)是推進(jìn)系統(tǒng)中到目前為止技術(shù)最為成熟的一種發(fā)動機(jī),其特點是不依賴大氣中的氧,以自身攜帶的推進(jìn)劑作能源,所以這種發(fā)動機(jī)可以在大氣層內(nèi)外工作,并且還不受飛行器飛行速度、飛行高度和外形尺寸的影響。但是,火箭發(fā)動機(jī)需要自帶大量的氧化劑,通常氧化劑的重量大約占總起飛重量的2/3,因而其比沖較低,有效載荷小,飛行成本高,在超聲速和高超聲速飛行時,續(xù)航能力不足。而液體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、燃料儲罐尺寸大,還不具有即時發(fā)射性。與火箭發(fā)動機(jī)不同,吸氣式發(fā)動機(jī)在飛行過程中直接使用空氣中的氧氣,自身不需要攜帶氧化劑,其比沖大,并可以大幅度減小飛行器的質(zhì)量和尺寸,有效提高飛行器的飛行距離和有效載荷;但是渦輪發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且在馬赫數(shù)大于3時,其比沖降低很大,所以,它不適合用作馬赫數(shù)3~5或更高速度飛行器的推進(jìn)系統(tǒng)。沖壓發(fā)動機(jī)沒有渦輪發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)和渦輪那么復(fù)雜的轉(zhuǎn)動部件,構(gòu)造簡單,重量比較輕,使用維修方便,并且在馬赫數(shù)大于3時,其比沖優(yōu)于其它類型的發(fā)動機(jī),是高速飛行器比較理想的發(fā)動機(jī)類型。但是沖壓發(fā)動機(jī)的工作與飛行速度的關(guān)系極為密切,當(dāng)飛行馬赫數(shù)很低時,沖壓增壓比小,發(fā)動機(jī)循環(huán)效率低,推力??;極限情況下,飛行馬赫數(shù)為零時,推力就等于零,即沖壓發(fā)動機(jī)不能自行起動;而當(dāng)飛行器飛行速度超過馬赫數(shù)5,采用亞燃燃燒方式時燃燒效率下降很快,就必須采用超燃方案來解決燃燒問題,而超燃帶來的技術(shù)難點較多;同時,當(dāng)飛行高度超過50~60千米時,由于空氣稀薄,燃燒所需要的從空氣中獲得的氧氣不足以維持穩(wěn)定燃燒,故采用沖壓發(fā)動機(jī)的飛行器受到飛行高度的限制。如果飛行器的飛行高度要達(dá)到亞軌道,還需要火箭發(fā)動機(jī)的支持。因此,對于飛行高度要求達(dá)到80~100千米及以上的亞軌道重復(fù)使用空天飛機(jī)和航天運載器來講,需要采用組合循環(huán)的發(fā)動機(jī),將兩種或多種發(fā)動機(jī)循環(huán)有機(jī)地組合在一起,取長補(bǔ)短,以提高性能,滿足使用要求。常用的組合發(fā)動機(jī)有火箭基組合發(fā)動機(jī)(RBCC)、吸氣式組合發(fā)動機(jī),也稱為渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機(jī)(TBCC)和脈沖爆震火箭發(fā)動機(jī)(PDE)等。
RBCC發(fā)動機(jī)集火箭、沖壓/超燃沖壓發(fā)動機(jī)于一體,優(yōu)勢互補(bǔ),從地面到太空軌道都能提供動力。具體可以是:從起飛到馬赫數(shù)2.25采用火箭動力,并由來自進(jìn)氣道的空氣加力,火箭安裝在發(fā)動機(jī)火焰管中的一個掛架上。速度超過馬赫數(shù)2.25后,火箭關(guān)機(jī),發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)為沖壓模式,燃料仍由排氣管處的噴注器提供。當(dāng)運載器加速到馬赫數(shù)5以上時,發(fā)動機(jī)過渡到超燃沖壓模式,此時要啟用火焰管中部的新燃料噴注器,而后部的噴注器則被關(guān)掉。速度超過馬赫數(shù)10.5而運載器要離開大氣層時,無法再利用大氣中的氧,此時,發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道要關(guān)閉,火箭部分重新開始工作。美國航宇局馬歇爾航天飛行中心目前正在研究對RBCC發(fā)動機(jī)進(jìn)行飛行驗證的幾種方案,包括楔形的“望星者”小型運載器(采用4臺超燃沖壓RBCC發(fā)動機(jī))、相對較簡單的“星騎兵”(使用2臺沖壓RBCC發(fā)動機(jī))和天龍座DRACO(D-21靶機(jī)改裝)。“望星者”和“星騎兵”都將進(jìn)入軌道,而“天龍座”則將只在大氣層內(nèi)進(jìn)行試驗,由SR-71“黑鳥”飛機(jī)發(fā)射。
渦輪基組合循環(huán)(TBCC)發(fā)動機(jī)與RBCC的概念相近,只是在低速飛行階段使用基于渦輪的壓縮系統(tǒng),在彈用發(fā)動機(jī)和SR-71“黑鳥”高空高速偵察機(jī)上得到很多應(yīng)用。而脈沖爆震發(fā)動機(jī)(PDE)的大致工作過程是:燃料先同流過管狀發(fā)動機(jī)的空氣混合,然后引發(fā)爆震。此時燃燒波開始沿發(fā)動機(jī)管向后傳播。隨著火焰前鋒沿管道向下游運動,火焰前方空氣/燃料混合物會受到壓縮,并在壓力達(dá)到臨界水平時產(chǎn)生爆炸。同時,火焰前鋒過后造成的壓力降會使新鮮的燃料被吸入管中,而爆震波離開排氣管會使壓力進(jìn)一步降低,從而會把空氣吸入進(jìn)氣道,引發(fā)下一個爆震循環(huán),每個循環(huán)所需的時間都非常短。為了獲得恒定的推力,全尺寸的脈沖爆震發(fā)動機(jī)將由多個燃燒管組成陣列。美國航宇局在1999年其新設(shè)立的方案計劃將脈沖爆震發(fā)動機(jī)列為三個將進(jìn)入驗證階段的項目之一,國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)等單位在這方面也進(jìn)行了很多深入細(xì)致的研究。
ARCC發(fā)動機(jī)概念及相關(guān)技術(shù)
以中、小型亞軌道飛行器為背景需求的ARCC發(fā)動機(jī)目前正在研制,其系統(tǒng)方案、關(guān)鍵部件研究及性能分析中所采用的發(fā)動機(jī)(見圖1)是由以煤油作為燃料的常規(guī)渦輪噴氣發(fā)動機(jī)或基于旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮技術(shù)的渦輪發(fā)動機(jī)、亞燃或超燃沖壓發(fā)動機(jī)和固體火箭發(fā)動機(jī)組成,是一種新型的可重復(fù)使用的航天運載器的推進(jìn)系統(tǒng)。
ARCC發(fā)動機(jī)綜合了渦輪噴氣發(fā)動機(jī)、沖壓發(fā)動機(jī)和固體火箭發(fā)動機(jī)單獨工作時的優(yōu)點,同時彌補(bǔ)了各自的不足之處,使采用這種發(fā)動機(jī)的飛行器在不同的飛行條件下都能具有良好的推進(jìn)性能。以采用旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮技術(shù)的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)為例,其基本工作過程是:飛行器從地面起飛時,采用旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子的渦輪發(fā)動機(jī)開始工作,來流空氣經(jīng)兩級旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子壓縮增壓后,進(jìn)入燃燒室與煤油混合燃燒,然后再經(jīng)高低壓渦輪膨脹,由尾噴口噴出產(chǎn)生推力。達(dá)到轉(zhuǎn)接馬赫數(shù)后,關(guān)閉渦輪發(fā)動機(jī),起動沖壓發(fā)動機(jī),使飛行器從10千米爬升到30~50千米高空,飛行速度馬赫數(shù)達(dá)到5~7。此時空氣壓力和密度已不再適合沖壓發(fā)動機(jī)工作,因而關(guān)閉沖壓發(fā)動機(jī),起動固體火箭發(fā)動機(jī),將飛行器由30~50千米高空推至80~100千米高空。返回過程中,飛行器由80~100千米高空作無動力滑翔至大約30~50千米高空,此后及近地飛行時,可以再重新起動沖壓發(fā)動機(jī)或渦輪發(fā)動機(jī)(需要預(yù)留燃料),做有動力機(jī)動飛行。
1.激波壓縮技術(shù)與旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子
旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子是采用激波壓縮技術(shù)的一種新型的壓縮系統(tǒng)。激波壓縮是一種利用超聲速氣流繞流物體流動時產(chǎn)生的激波來對氣流進(jìn)行壓縮的壓縮方式,現(xiàn)階段主要應(yīng)用在超聲速飛行器的進(jìn)氣道中。與渦輪發(fā)動機(jī)中經(jīng)常采用的軸流式和離心式氣流壓縮方式相比,激波壓縮具有增壓比高、壓縮效率高、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、沒有或轉(zhuǎn)動部件少等優(yōu)點,是一種高效而有巨大潛在應(yīng)用價值的氣流壓縮方式,如圖2中(a)所示。在來流馬赫數(shù)大約為2.2時,激波壓縮就能達(dá)到大約10的增壓比(見圖3)?;谶@樣的思想,美國Ramgen動力系統(tǒng)公司提出了基于激波壓縮技術(shù)的新型壓縮系統(tǒng)—Rampressor的概念,我們稱之為旋轉(zhuǎn)沖壓壓氣機(jī),圖2中(b)是其核心部件——旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子及其輪緣流道的轉(zhuǎn)變示意圖。這種新型的壓縮系統(tǒng)融合了超聲速飛行器進(jìn)氣道中所用的激波壓縮技術(shù)與常規(guī)軸流式和離心式壓氣機(jī)的設(shè)計技術(shù),從而獲得了一種高效的壓縮系統(tǒng)(圖2中(c))。與軸流壓氣機(jī)相比,這種新型的壓縮系統(tǒng)的單級壓比可達(dá)15或更高,而要達(dá)到這樣高的壓比,軸流壓氣機(jī)需要8~12級。在寬馬赫數(shù)范圍內(nèi)工作及在高的單級負(fù)荷條件下可獲得不低于85%(最高可達(dá)93%,參見圖4所示旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子預(yù)期效率與典型離心式壓氣機(jī)效率隨壓比的變化)的級效率,具有總壓縮效率高、產(chǎn)生損失的氣動面積小、結(jié)構(gòu)簡單、軸向長度短和重量輕的優(yōu)點。由上述分析可以看出,旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮技術(shù)是一種極具潛力和發(fā)展前景的新型壓縮技術(shù),這種技術(shù)的應(yīng)用將給發(fā)動機(jī)的壓縮系統(tǒng)帶來一場革命性的變革,利用雙級旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子,可以實現(xiàn)45~50的高壓比。
2.轉(zhuǎn)接馬赫數(shù)和亞燃/超燃沖壓發(fā)動機(jī)技術(shù)
大量研究文獻(xiàn)指出,渦輪噴氣發(fā)動機(jī)由于燃燒室出口溫度受到渦輪葉片熱強(qiáng)度等的限制,隨著飛行馬赫數(shù)的增加,燃燒室出口溫度增加,不得不減少發(fā)動機(jī)的供油量以減少加熱量,從而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)熱力循環(huán)效率迅速下降。飛行速度越高,發(fā)動機(jī)進(jìn)口速度沖壓就越大,當(dāng)飛行馬赫數(shù)接近3時,發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道沖壓壓縮已達(dá)到相當(dāng)高的氣流壓強(qiáng),致使渦輪—壓氣機(jī)系統(tǒng)成了高速飛行時發(fā)動機(jī)的多余部件。一般來講,國內(nèi)外基本將渦輪-沖壓組合循環(huán)發(fā)動機(jī)中渦輪發(fā)動機(jī)與沖壓發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)接馬赫數(shù)選定為2.25~2.5。
在馬赫數(shù)2~5范圍內(nèi),流經(jīng)沖壓發(fā)動機(jī)的氣流經(jīng)過擴(kuò)壓后靜壓、靜溫升高,使得同樣加入熱量情況下熵增較小,所以亞燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室中總壓損失較小。雖然亞燃沖壓發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道內(nèi)有較強(qiáng)的正激波損失,但亞燃沖壓發(fā)動機(jī)與超燃沖壓發(fā)動機(jī)相比,亞燃沖壓發(fā)動機(jī)總損失要小。隨著飛行速度的增加,亞燃沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道中正激波損失不斷加大,到馬赫數(shù)5~6時,亞燃沖壓發(fā)動機(jī)和超燃沖壓發(fā)動機(jī)的循環(huán)損失幾乎相等。當(dāng)馬赫數(shù)大于6時,超燃沖壓發(fā)動機(jī)就明顯地顯示了其優(yōu)越性。在超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室中,靜溫、靜壓都比較低,這不僅從化學(xué)熱力學(xué)來看是有利的(因熱力分解程度減輕,氧化程度更高),而且還大大減少了熱傳導(dǎo)損失,減輕了結(jié)構(gòu)負(fù)荷。但在超聲速氣流中加熱不僅會引起較大的總壓損失,而且由于燃燒室中氣流速度很高,噴嘴噴出的燃料在燃燒室中駐留的時間很短,只有幾毫秒的時間,在這樣短的時間內(nèi)燃料必須與超聲速氣流進(jìn)氣有效地混合、燃燒,否則燃料將被吹出燃燒室,從而造成燃燒室火焰熄滅,燃燒效率下降,甚至發(fā)動機(jī)不能正常工作,因此超燃的點火及燃燒穩(wěn)定性問題比較嚴(yán)重,會大大增加發(fā)動機(jī)組織有效燃燒的困難。因此,亞燃沖壓發(fā)動機(jī)與超燃沖壓發(fā)動機(jī)都有其最佳工作范圍,采用哪種燃燒形式或是采用雙模態(tài),應(yīng)該根據(jù)沖壓發(fā)動機(jī)工作的馬赫數(shù)范圍和飛行高度等來綜合確定。
結(jié)論
鑒于ARCC發(fā)動機(jī)本身的寬廣工作范圍和可能達(dá)到的良好的工作特性并考慮未來中、小型亞軌道飛行器對推進(jìn)系統(tǒng)的要求,可知ARCC發(fā)動機(jī)可以作為空天飛機(jī)和重復(fù)使用航天運載器推進(jìn)系統(tǒng)的候選方案之一。組合循環(huán)發(fā)動機(jī)基礎(chǔ)及實際應(yīng)用領(lǐng)域的第一項技術(shù)進(jìn)步,都將不斷強(qiáng)化空天飛機(jī)和重復(fù)使用航天運載器研究和發(fā)展的動力基礎(chǔ),對提升航天技術(shù)、鞏固國防安全具有巨大的促進(jìn)作用。
(作者單位系中航工業(yè)黎明)