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将爆炸化作推力!俄罗斯脉冲爆震发动机,进入第一阶段测试

2021-05-02 09:09 中国航空新闻网 中国航发 专栏

4月9日,俄罗斯发动机研制企业“罗斯泰克”在官网上宣布,该企业研制的一款新型脉冲爆震式发动机已经进入第一阶段测试。这种发动机可以用于在一些特定条件下,它能提供超越传统发动机大50%的推力水平。

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一:脉冲爆震发动机——将爆炸化作推力!

脉冲爆震发动机的核心思路和目前常见的所有航空发动机类型都不同。它的工作原理是把燃料与氧化剂(可以是外界的空气,也可以是飞行器自带)混合在一起并引爆,只要两次爆炸之间的时间足够短暂,而且爆炸一次次地不断持续下去;爆炸过程产生的高温高压燃气,就可以用来形成非常强力的持续喷射气流。

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图:脉冲爆震发动机原理

这种原理上的差异,使它具备了这样一种可能性:相较于目前的涡轮式、冲压式两类主流航空发动机,它不仅能避二者之短、而集两家之长于一身,还能在推重比、油耗等性能指标上实现巨大的突破。

以涡喷和涡扇为代表的涡轮式发动机,需要高速旋转的叶片来压缩空气、与雾化的燃料掺混在一起燃烧,形成发动机喷流。这种方案良好地解决了飞机从起降到M2.4以内的动力需求,但转子结构的存在不仅让发动机沉重、复杂,而且一旦需要更高的飞行速度时;转子自身就是降低阻力、提升发动机燃烧效率的最大障碍。

冲压发动机是涡轮式发动机的另一个极端,它在一个管状的空间内,依靠从前方冲进来的空气就能与燃料完成掺混和燃烧,产生大量的喷流。尽管它结构简单、轻巧,非常适宜于M2.4以上高速飞行的推进;但它在低速下无法产生足够推力,更无法独立完成飞行器的加速起飞,通常必须与其他类型发动机配合使用。

脉冲爆震发动机一方面在结构原理上相当简洁,没有复杂的转子结构,非常类似于冲压发动机,M2.4以上的高速飞行能力,远远优越于涡轮式发动机。另一方面,它在静止状态下依然能产生有效推力,可以独立推动飞行器完成从起飞到超声速的飞行,这又是冲压式发动机不可企及的。

由于热效率高、结构简单,理论上脉冲爆震发动机可以把推重比做到20以上,而且燃料消耗率大幅度低于现在的涡扇发动机。在最乐观的估计中,它的工作范围可以达到马赫数Ma=0~10,升限高达5万米的范围。

由于其简单的结构、工作原理对尺寸不敏感(可以做非常大或者非常小),爆震发动机有着令人惊讶的应用灵活性:

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图:通用的一种设计方案,在涡扇发动机的加力燃烧室中,安装多管设计的脉冲爆震发动机

单纯的脉冲爆震发动机,它既可以是吸气式的,也可以是自带氧化剂、形成火箭脉冲爆震发动机,这意味着它还可以在太空环境下飞行。它不仅可以单独使用,还可以作为一种强化设计,整合到现有传统类型的发动机中,实现性能的显著提升——比如安装在战斗机发动机的加力燃烧室中,或者安装在大涵道比发动机的外涵道中。

正是由于它在原理上具备了相当多的突出优势,在应用前景上存在非常大的想象空间;在近几十年中,它一直是各航空强国重点研究的技术路线。罗斯泰克的新产品,就是俄国在这一领域的成果。

二:脉冲爆震发动机实用化的阻碍是什么?

脉冲爆震发动机虽然拥有很多理论上的优势,但迄今为止却从未有真正实用化的型号。这一窘境源自两个方面的多种不利因素限制,这些问题一日不能得以良好地解决,脉冲爆震发动机就一日不能真正发挥出性能上的完整潜力,也一日不能摆脱应用场合的严重限制。

熟悉汽车的读者都知道,爆震在汽车发动上是非常忌讳的事情;情况严重一些,直接导致发动机毁坏的例子都屡见不鲜。在现阶段脉冲爆震发动机面临的最严重制约,也正是发动机结构水平上,不足以支持连续爆震燃烧带来的严苛要求。

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图:传统发动机上,严重的爆震现象可以造成毁灭性的破坏

脉冲爆震发动机在工作时,温度(227~1727℃)和压力(0-20kg/cm²)的跨度变化都非常大,而为了形成连续推力,爆震室内一秒钟要进行至少上百次的爆炸循环。在现有的技术水平下,人类拿不出这样的材料:它能在足够轻薄的情况下,依然能承受这种能反复耐受高温高压冲击,而且价格上也经济到足以批量生产使用。

罗斯泰克公布的新闻照片上,就很明显依然是停留在实验室阶段的原理样机;它用非常厚实的结构满足了耐高温高压能力,但巨大的重量也使它根本无法放大应用到实际型号上。

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图:美国在2008年试飞的脉冲爆震发动机验证机,基于Long-EZ载人飞机改装。下方是发动机吊舱,试飞中振动非常猛烈,噪声达到接近200dB的可怕水平

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图:Lone-EZ的脉冲爆震发动机验证机,采用了4根爆震管的设计

即便是发动机解决了自身的问题,这种高频爆震的原理自带的负面影响,也无可避免地要波及飞行器平台——它传递给整个飞行器的振动,剧烈程度上必然要远远超过现有的多种持续燃烧原理的发动机。虽然并不是无法解决,但是它对于飞行器结构、可靠性、载人舒适性带来的挑战,确实是前所未有的。

此外爆震发动机还有一个原理上解决难度极大的问题,就是它的噪声过于猛烈——特别是尺寸较大的发动机上。这一缺陷如果不能被克服,那么它在民用领域就基本没有发展前途;无论是对于机内的乘客,还是对于航线所经城市,不会有人愿意接受这样的动力,它不可能拿到适航认证。

结语:

基于脉冲爆震发动机显著的性能潜力,它依然在军事和航天领域有着很强的吸引力,其重要突破方向的身份不会变化。

罗斯泰克公布的进展,无疑代表着俄罗斯在相关研究领域再次有所进步;但从目前的情况来看,包括俄罗斯在内的各国,脉冲爆震发动机依然远未发展到足以实用化的阶段。

责任编辑:实习编辑