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反应系统公司研制可供高超声速武器使用的新型吸热燃料

原标题:反应系统公司研制可供高超声速武器使用的新型吸热燃料

无论对于民用交通工具还是军用作战平台而言,燃料的重要性都无需置疑,而对于导弹武器来说,燃料则更加关键。由于命中精度的提升,现有导弹武器并不追求装备大重量、大尺寸的战斗部,而是将弹体载荷大部分用于容纳制导组件和燃料。对于高超声速武器这样的先进武器,除需优化气动外形、研发新型发动机、解决气动加热等问题外,还需要稳定、安全的高性能燃料。

位于美国科罗拉多州的反应系统公司(Reaction Systems)近日宣布成功研制出一种新型吸热燃料,其性能可满足高超声速飞行的需要。该公司副总裁兼首席工程师布拉德利•希奇称,美国空军已经对这种燃料表示了浓厚兴趣,计划进行深入了解并考虑采购部分样品进行试验。

反应系统公司还计划为吸气式高超声速武器研制燃料,达到马赫数5.2以上的飞行速度

希奇认为,在现有技术条件下,高超声速武器达到设计的最大飞行速度有一定困难,更大的瓶颈在于如何支持其实现预想的射程,并在命中目标前始终保持这一速度。该公司的技术人员分析了美军近年来历次高超声速武器的设计方案和试射结果,最终指出,核心难点在于既要保持燃料在高温高压环境下性能稳定,同时还要对发动机燃烧室进行冷却,而制冷方式恰恰是通过弹体壁上敷设的管道内不断流动的液体燃料实现的。现有煤油基燃料的制冷效果相对较差,而且可能发生裂解反应,不但会对高超声速武器的最大速度造成严重限制,还会危及飞行过程的安全。提高燃料在管道内的流动速度同样不具备可行性,这可能导致燃料过量喷入燃烧室,造成发动机瞬时功率过大而自燃。如果降低燃料流动速度使其达到更高温度,则可能发生焦化反应,整个热交换过程也将宣告失败。因此,必须研制一种兼具强吸热能力和高能量密度,同时稳定可靠的新型燃料。

反应系统公司研制的新型吸热燃料实质上是一种特制燃料与催化剂的混合物,该公司的研究得到了美国空军的支持和资助。在项目第一阶段,技术人员经过反复试验确定了燃料与催化剂的最佳配比,试验结果显示,这种混合物的吸热能力远超现有的煤油基燃料。第二阶段计划在一种专用热交换器上对这种混合物进行验证,有消息称,该型热交换器适配于美国空军高超声速武器项目当前在研的先进发动机。该公司首席运营官杰弗里•恩格尔称,新型吸热燃料除可用于高超声速武器外,还有望成为高超声速载人飞行器的理想动力。

恩格尔表示,该公司并不考虑高超声速飞行阶段的其他技术难题,专注于攻关燃烧室的冷却方案。他认为,其他问题与燃烧室过热相比只能退居其次,因为后者直接关系到高超声速武器这一概念的成败。传统的热交换器在高超声速环境下一旦失效,仅需千分之一秒就会烧毁飞行器的元器件和结构件。新型吸热燃料虽然仍需通过热交换器实现制冷,但工作效率大幅提高,这得益于新的热交换器设计。

Fauston公司制造的热交换器剖面

反应系统公司认为,虽然新型吸热燃料性能优异,但要想承受更高燃烧室温度、实现更高飞行速度,则必须在热交换器内部产生尽可能大的催化反应面积,这就要求使用新的热交换器制造技术。提供解决办法的是NASA主要零部件供应商之一的Faustson公司,该公司同时也为F-35项目提供热交换器,根据官网介绍,其核心业务为高精度增材制造,擅长五轴加工和多轴电火花加工(EDM)。

Fauston公司从通用电气集团下属的Concept Laser公司引进了M2型双光束激光3D打印机,最大可制造250×250×280毫米的金属成品,扫描层厚达20~80微米,特别适合加工航天专用耐高温合金。因此反应系统公司称其为“在合适的时机,合适的领域出现的合适的技术”。

Concept Laser公司研制的M2型双光束激光3D打印机

反应系统公司的新型燃料在第二阶段试验中使用的热交换器由Inconel 718合金制造,这是一种含铌、钼的沉淀硬化型镍铬铁合金,在700℃时强度和韧性良好,高低温环境下均具有耐腐蚀性。该公司要求Fauston公司在制造热交换器时必须尽可能多地增大表面积,同时不影响燃料的流动速度。根据目前发布的图片分析,成果令人满意。

除新型吸热燃料外,反应系统公司还在研究如何在高超声速武器的飞行过程中将高温的一氧化二氮分解为氮气和氧气的混合物,使燃料得到充分燃烧,进一步提升飞行速度。

作者:廖南杰

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