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从冲压到超燃冲压发动机,巡航/反舰导弹速度有望带来数倍提升

原标题:从冲压到超燃冲压发动机,巡航/反舰导弹速度有望带来数倍提升

前言

上一篇介绍乘波体高超音速武器的文章里,笔者有介绍过美国的X-51A高超音速飞行器。这个飞行器在一票乘波体高超音速武器中与众不同,它并非是使用弹道导弹那样的固体火箭发射的,而是采用了吸气式的进气道和喷气式发动机。不过这种发动机和我们目前任何一种导弹的发动机都有较大差别。就拿我们的YJ-12反舰导弹来说,它采用的是冲压发动机(ramjet),可以达到3马赫以上;而X-51所代表的技术方向,则是冲压发动机的顶配版——超燃冲压发动机(Supersonic Combustion Ramjet),速度是6马赫打底,理论上限可达25马赫。

超燃冲压发动机原理

首先我们就看看什么是冲压发动机,再看什么是超燃冲压发动机。

冲压发动机

冲压发动机,其实就是省去了燃气涡轮压气机的喷气式发动机。冲压发动机其实是轴流式涡轮喷气发动机演变而来。轴流式涡轮喷气发动机的基本结构由一个外壳构成内涵道,包裹数级压气机叶片和涡轮叶片,涡轮和压气机由一根传动轴连接;空气经过压气机后被压缩,在涡轮前的燃烧室与喷出的油混合燃烧,推动涡轮旋转,废气从尾部喷出;涡轮带动压气机继续吸气并压缩,这样就完成了一个可持续的循环。

轴流式涡轮喷气发动机原理

但是这种发动机当飞行速度达到3马赫当时候,效率就会变得极为低下;因为气流要想进入压气机,首先必须从超音速减速到亚音速,那么为了给超音速气流减速,就必须在进气口外,以及进气喉道中设置多个斜激波进行减速。早期采用的是可调的激波锥,比较有代表的就是机头进气的米格-21;后来又出现了矩形进气道,进气道内设置可调隔板来调整激波角度;然而随着速度的增加,给气流减速也越来越困难,不得不在发动机内设置多个波系,比如SR-71,就有多达6个波系,而且气流减速到亚音速的行程也越来越长,发动机的进气喉道越长重量也越大。所以随着飞行器飞行速度的增加,涡轮喷气式发动机的设计也越来越复杂。

多波系外压式进气道

而冲压发动机,在高马赫数下却可以很好的解决气流减速的问题。在亚音速下,压气机对气流的增压作用很明显,而超音速下随着马赫数的增长,进气道本身对气流的增压作用就强,到了1.2~1.4马赫时,进气道的增压作用和压气机几乎相同;而到了3马赫以上时,进气道对气流的增压比达到40:1,远远超出了压气机的效率。所以对于高马赫数飞行器,完全可以去掉,压气机和燃气涡轮结构,通过进气道截面积逐渐减小和进气道内的激波来实现对气流的减速压缩,并采用火箭上常用的拉瓦尔喷管增加废气的喷出速度。于是冲压式发动机就变成了这个样子:

冲压式发动机原理

不过由于冲压发动机在亚音速下无法工作,低马赫数下总压恢复系数非常低,一般不会工作在2马赫以下,所以它不会单独出现在飞行器上,一般是要搭配一个涡轮喷气发动机,或者火箭发动机来配合使用。比如SR-71黑鸟的J-58发动机,就是一种涡轮机组合循环(TBCC)发动机,在2.5马赫下,工作在涡轮喷气状态,2.5-3.2马赫下,工作在冲压发动机状态。而现代的冲压式反舰导弹,直接采用火箭发动机,先将导弹加速到2马赫以上,再开启冲压发动机进行循环,使导弹可以加速到3马赫以上。鹰击-12,P-10/布拉莫斯,雄风-3反舰导弹均属于此类设计。

J-58冲压发动机,高速下激波锥向发动机里缩堵住压气机,变身成冲压发动机

鹰击-12,使用了冲压发动机,速度可达3马赫以上

超燃冲压发动机

那么此时的冲压发动机能不能进一步将导弹提高到5马赫以上,成为一种高超音速武器呢?很遗憾的是,这种将气流减速为亚音速再压缩的冲压发动机,理论上在超过5马赫后,受材料耐温极限的限制,进气道不能将高超声速来流压缩到适合燃烧的亚声速了。而且即便可以用这样的材料,将5马赫以上的气流减速到亚音速,付出的阻力代价也是巨大的,现有的碳氢燃料很难满足这样的要求。而如果燃烧室可以直接利用超音速气流进行点火,那么就不存在以上问题了;于是一种新的冲压发动机被提出,那就是——超压冲燃发动机,英文是Supersonic Combustion Ramjet,也被简称为Scramjet

超压冲燃发动机与冲压发动机都没有压气机和燃气涡轮,但是具体还是有区别的,主要差别在于进气道-燃烧室这段的结构。它要捕捉更多的空气,并且要有更高的压缩比,因此看起来超燃冲压的进气口和燃烧室进口的截面积比值更大一些,看起来更像一个喇叭形;超燃冲压发动机进气口的几个关键指标,是空气流量捕获系数、总压恢复系数、出口流场品质以及较高的抵抗燃烧形成高压的能力(抗反压能力)等性能。如果不能达到要求,就不能实现稳定循环。

超燃冲压发动机

此外,超燃冲压发动机的另一个关键技术就是如何实现稳定的超音速燃烧。这个瓶颈是过去几十年喷气式发动机一直坚持要把气流减速到亚音速后在进入燃烧室点火的一个原因。由于超音速气流的不稳定性,而且在燃烧室内存在反射激波的耦合作用,这些都要考虑在内,否则很难实现稳定燃烧,这个难度相当于在台风下点燃一根火柴;实现的关键在于如何设计燃烧室的几何形状和截面积,以及选取合适喷油位置。

亚/超双模态冲压发动机

超燃冲压发动机的收益十分明显,那就是它可以维持6~25马赫的飞行速度。当使用碳氢燃料时,理论上最大飞行速度能达到8马赫;而使用氢燃料则可以突破10马赫,理论最大速度25马赫。不过超燃冲压发动只能在高于5马赫的状态下启动,所以真正投入使用的,是亚音速/超音速燃烧的双模态冲压发动机。也就是说在小于5马赫时,超燃冲压发动机是无法启动的。因此只能先让让亚音速燃烧的冲压发动机先工作,加速到接近5马赫时开启超燃模块进气道,实现超音速燃烧。

双模态冲压发动机

带火箭助推器的双模态冲压发动机

中美俄等国的超燃冲压技术的发展

美国

超燃冲压发动机的难度无疑是非常高的。虽然早在80年代, NASA就已经开始了超燃冲压发动机和飞行器的研究,但是首个超燃冲压飞行器的试飞,已经21世纪的事情。2002年美国NASA研制的X-43A高超音速飞行器是第一个使用了超燃冲压发动机的飞行器,采用了乘波体的构型,不过以失败告终;而2004再次发射时,持续了11秒的飞行中到达6.8316马赫的速度,创造了新的世界纪录。在2004年的最后一次试射中,更是短暂达到了9.8马赫的极速,这也是迄今维持吸气式发动机试飞中创下的一个记录。

NASA的X-43A

而2005年12月试射的Hyfly则是一种轴对称形状,采用双模发动机的高超音速飞行器,计划由火箭助推器将其加速到3.5马赫后在启动双模态发动机工作,加速到6马赫。该飞行器在5.5马赫下维持了11秒飞行。

波音研制的Hyfly

但以上的验证机因为都无法维持长时间的稳定飞行,所以根本无法应用到实际的作战武器中;不过因为积累了足够的经验,美国打算开发一种新的乘波体+双模冲压发动机的高超音速武器。这就是X-51/X-51A。该项目从2005年启动,2013年5月最后一次飞行试验中,X-51A成功以5.1倍声速飞行了约3.5 min,飞行距离距离将近500km。虽然速度远不及之前的X-43和Hyfly,但这种稳定可持续的飞行,才是军方所需要的。不过在这之后,尽管美国提出了HSSW计划(高速打击武器)。但长达数年的时间都没有重新试射X-51A,一直到中国的乘波体高超音速武器试射成功,俄罗斯“匕首”“先锋”高超音速武器宣布服役,在高超音速武器的进度上已经被中俄反超,美国的DARPDA才宣布将在2019年同时试验两种高超音速武器以应对中俄的威胁,其中一种是吸气式高超音速巡航导弹,一种类似俄罗斯“匕首”空射弹道导弹那样的空基火箭滑翔武器。

X-51A,起个大早赶个晚集

HSSW

不过呢,虽然美国进度落后,我们也不能小看。因为美国的路线是正确的,乘波体吸气式高超音速武器自身不携带氧化剂,因此以较小的体积就可以获得很高的射程,并且适合战斗机携带、发射,因此很适合作为战术打击武器。比起需要用弹道导弹来发射的高速滑翔弹头,发射成本低了许多。

俄罗斯

俄罗斯对超燃冲压发动机的研究也是始于80年代,在90年代初就实现了高空试验台的点火。同样地,俄罗斯对高超音速武器的研究也是两条路线,一种是轴对称式的,一种是锥导师乘波体。不过也都处于试验形式,没有真正首飞。

“冷”高超音速飞行器,带双模冲压发动机和液氢燃料

彩虹设计局的D-2吸气式高超音速武器

我们知道,世界上第一种超过3倍音速的反舰导弹,P-10,就是俄罗斯弄出来的,后来拿到印度去卖了个不错的价钱,这就是布拉莫斯。布拉莫斯采用的是头部进气道冲压发动机。在这个基础上,2018年俄罗斯首次试飞了超燃冲压发动机的“锆石”反舰导弹,据称这种导弹的最大速度在6~8马赫。从外形来看,锆石与美国的X-51A颇为相似,也是乘波体,而非像布拉莫斯那样轴对称的进气结构。这款导弹预计在2019年服役。

锆石的外形与X-51A颇为相似

到目前为止,试飞的超燃冲压发动机,都是在6~8马赫这个区间。这个问题主要出在碳氢燃料上。碳氢燃料的键能基本上决定了热值。而氢燃料则不然。采用液氢做燃料的超燃冲压发动机理论上可以飞到25马赫(只要耐热材料够用)。于是,在这个领域上的后起之秀——中国,开始了自己独特的道路。

中国

和我国的各种由弹道导弹发射的水漂弹相比,我国的双模冲压高超音速飞行器的研究显得低调了许多。我国的首个吸气式乘波体高超音速飞行器的首飞是在2011年,并且在2014年获得圆满成功。可以说到了这里,我们的进度和美国的X-51A已经相差无几了。由于这项技术的重大突破,航天三院301所的陆红总师也因此拿到了2016年度的国家科技进步特等奖。

疑似我国首个乘波体吸气式高超音速飞行器

从外形上看,这款乘波体高超音速武器比较符合楔锥乘波体的构造,进气道设计也非常独特,和美国的X-51A和俄罗斯的锆石都有较大不同。可以说我们在这个领域的研究能力已经迈入自由王国。

而在去年的中国国际展览中心举行的北京国际军民融合装备展览会上,国防科技大更是高调展出了一种临近空间的高超音速试飞平台——凌云。凌云是一种轴对称式的双模冲压发动机高超音速飞行器,与美国曾经研究过的Hyfly非常相似,这次敢在军民融合展览会上展出,说明我们在一路线上的研究已经比较成熟,而且这绝对不代表我们的最高水平,因为按照惯例敢拿出来民用和外贸的肯定不是最先进的。

凌云高超音速通用试飞平台

凌云发射

你以为这就完了吗?没有!2018年12月,中国空气动力研究院在官网宣布,液氢燃冲压发动机风洞试验点火成功,点火时的速度达到了10马赫,持续了5ms。之前我已经介绍过,液氢燃料的超燃冲压发动机可以在6~25马赫下工作,只要耐热材料扛得住。这次我们显然是不满足于碳氢材料带来的速度极限,让吸气式高超音速飞行器开始向10马赫甚至15马赫,20马赫迈进!这可是了不得的基础研究上的突破。有了这个风洞,我们研发出液氢燃料的双模冲压发动机也就指日可待。

其他国家

根据美国兰德智库给出的报告,超燃冲压领域中美俄占据前三,而印度、法国紧随其后,其次是澳大利亚、日本和欧盟。法国人在超压冲燃领域的研究在90年代就已经开展,当时与俄罗斯合作,进行了2次飞行,达到了5.8马赫的速度;不过当时法国人希望的是开发一种单级入轨飞行器,将火箭和超燃冲压发动机结合起来,做成一种可以重复利用的轨道运输机。

近些年,眼看着中美俄在高超音速武器上的进步和实用化趋势,法国又有些坐不住了,这次他们务实了一些,打算发展的是载荷较低的吸气式高超音速武器。和其他的欧洲兄弟相比,法国的基础比较扎实,要想研究出来相对容易一些。

2019年6月,印度DRDO成功试射了本国的吸气式高超音速武器。这种武器的外形与锆石比较相似,也是乘波体结构,不知道是不是得到了俄方技术人员的支持。因为布拉莫斯基本上就是俄罗斯P-10的印度国产版,独立搞出双模冲压发动机的可能性不大。所以应该就是所谓的“布拉莫斯II”,也就是锆石的出口版。

出口版锆石上写的是“布拉莫斯II”

日本的超燃冲压式高超音速武器研究,始于1980年年代。不过受到和平宪法限制,以及本国实在没有这方面需求,一直都没有进行过验证飞行。不过最年防卫省已经已经宣布,将要研发本国的吸气式高超音速武器,预计在2025年3月就可开始试生产,并在2026年3月正式服役。

总结

从涡喷发动机到冲压发动机,再到超燃冲压发动机,人类吸气式飞行器的速度从2马赫突破3马赫,再到10马赫,正是印证了那句名言:“天下武功唯快不破”,面对已经成熟的末端反导和日趋完善的中段反导,超燃冲压式的高超音速武器有足够的自信来突破这种防御系统的封锁,也必然刺激催生新的反导系统的概念。返回搜狐,查看更多

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