近期,《南华早报》发表了一篇题为《中国团队测试了一种用于高超音速飞行的发动机——由爆炸提供动力》(A Chinese team has tested an engine for hypersonic flight – powered by explosions)的文章,文章中援引国内某研究所在《实验流体力学学报》公开刊物上发表了一项重要研究结果,这项研究涉及一种回旋爆震发动机(RDE,也称为连续爆震发动机)的地面测试。外界认为,这种发动机技术的最新突破,将极大提升中国航空发动机技术水平,实现在航空动力领域的弯道超车。

从报道中的照片我们发现,该型号发动机的喷射尾焰呈现极为稳定的“淡蓝色”,显示地面测试取得了比较稳定的能量输出。实际上,近年来,中国在爆震推进领域取得了重大进展,正在以颠覆性技术的角色为航天航空和新概念飞航武器领域提供新的发展机遇。

我们知道,燃烧有两种基本类型:爆燃和爆震。我们通常意义上见到的航空涡轮发动机采用爆燃形式,这种发动机通过压气机将进入发动机的空气进行压缩,然后与航空燃料混合后,在发动机燃烧室内进行等压燃烧,燃烧后的高温燃气通过涡轮做功,通过爆燃来驱动压气机,调整发动机工况且收敛喷管,最终形成推力。

所以,不管是涡轮喷气发动机还是超音速冲压发动机,说到底,他们都是通过发生氧化还原反应的分子释放出能量,使临近的反应物达到足够的能量,从而持续引起化学反应。

也就是说,目前,绝大多数发动机,包括活塞式发动机、燃气涡轮发动机还是火箭发动机在内,都采用爆燃的形式,将燃料的化学能转化为内能。以战斗机使用的涡扇发动机为例,其燃烧室中所发生的爆燃反应,由于火焰传播的速度只有米每秒的量级。

此外,航空涡轮发动机对于进入燃烧室的来流有着很严苛的要求,并且为了保证燃烧室火焰的稳定,燃烧室也需要经过精细而复杂的结构设计。所以可以制造火箭发动机的国家很多,但是能够制造先进的喷气发动机,乃至高性能涡扇发动机的国家就屈指可数了。而且常规的涡扇发动机能够在大气层外使用,需要配合其他发动机组成组合式发动机才能进入空天领域,这本身就限制了涡扇发动机在未来的发展。

而我国正在研制的回旋爆震发动机是一种新概念动力,是通过可控爆炸来获得动力的新型理想动力。连续爆震发动机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。爆震燃烧拥有更高的热效率,一般来说,爆震的传播速度达到了千米每秒的量级,远大于普通火焰传播的速度,所以连续爆震发动机是一种极具潜力的新型动力。

实际上,普通的连续爆震发动机像一个拥有冲压功能的二冲程发动机,其环形燃烧室拥有一个进气阀门和排气阀门,进气阀门打开后,排气阀门关闭,进入燃烧室的空气在冲压作用下自动完成增压,然后,进气阀门自动关闭,空气与氧化剂、燃料混合,并点火爆炸。

爆炸产生的高压燃气推动发动机前进,这一循环将周而复始,实际上,这样的小型爆炸将达到每分钟上千次,有人形象地称连续爆震发动机是通过“不断放屁”来推动飞行器飞行的,虽然这个形容并不雅观,但比较形象地反映了连续爆震发动机的工作状态。

从工作性质来看,连续爆震发动机在一定程度上可以视作一种新型燃烧室,目前的应用目标多将其用于火箭、冲压和涡扇涡喷发动机上,通过更换等压燃烧室、核心机和加力燃烧室,连续爆震发动机可以极大改善发动机的的比冲和推力。更加重要的是,普通涡扇涡喷发动机,在飞行速度超过马赫数3以后,其飞行效率就会因为阻力而明显下降。

而超燃冲压发动机需要在接近高超音速飞行下才能正常启动,想要达到高超音速飞行,使用连续爆震发动机将取得明显优势。因为其燃烧效率和推进效率的提高,连续爆震发动机可以从零速度逐渐加速到马赫数5左右的入门级高超音速飞行,这是一种热效率高、结构简单且设计,也是一种相对并不复杂的高超音速武器动力方案,他较为完美地解决了普通飞行器达到准高超音速马赫数5的目标,可以应用于小型化机载高超音速导弹,也可能应用于新一代高速战斗机和高超音速无人机。

从此次试验结果来看,这次公开发表的论文中指出某试验发动机使用了航空煤油作燃烧剂,这是世界连续爆震发动机领域的一次重要突破,标志着连续爆震发动机在地面理论实验领域已经完成重大技术攻关,正在向空中实用型号快速进化。

在地面实现常规航空煤油的高超音速是一个重大技术进步,让连续爆震发动机真正走出实验室,走向实用化成为一种可能,而更加重要的是,在我国航空涡轮发动机长期落后的当下,连续爆震发动机打开了一扇新的大门,为我国航空动力实现弯道超车奠定了坚实的基础。

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