两小时打遍全球,中国未来空天战机不是梦,

近年来,我国不仅在传统的航空发动机方面取得了重大突破,先后研发了“太行”“峨嵋”等大推力发动机,使得我国先进战机有了可靠的“中国心”;而且在新概念发动机方面,更是喜讯连连,不断取得进展,多项研究成果领先世界。

早在年初的时候,凤凰网曾报道过,我国自主研发的涡轮基组合循环发动机(TBCC)已经完成试飞验证,这是国产飞机和发动机一个技术突破。TBCC发动机飞行试验项目由航空工业成都所总设计师王海峰领导,表明该发动机已完成发动机本身的研发阶段,进入飞机-发动机集成测试阶段。

从王海峰主持的TBCC发动机飞行试验项目来看,目前我国在涡轮基组合循环发动机方面已经取得了研发阶段性进展。这种发动机的优势相当明显,可以选择在不同的速度区间启动不同的发动机,比如在0~3马赫,是采用燃气的涡轮类发动机/亚燃冲压发动机的有利工作范围;在3~5马赫,是采用碳氢燃料的亚燃冲压发动机的有利工作范围;在4~10马赫,是采用碳氢燃料的超燃冲压发动机的有利工作范围,其中亚燃冲压发动机转换到超燃区域的速度在4~5马赫左右。

据推测,国产涡轮基组合循环发动机首先将应用于相对简单的无人机,待未来技术成熟后,还可用于空天飞机的推进系统、高超声速导弹的动力系统等。

近日,中国科学院力学研究所姜宗林团队又在新型高超发动机方面取得突破性进展。

姜宗林教授是我国的气动物理学家,他的团队一直致力于激波与爆轰物理、高温气体流动理论和高超声速试验技术方面的基础研究。二十多年来,他们提出了气体爆轰统一框架理论,建立了正向爆轰技术,研发了JF-16正向爆轰驱动膨胀风洞、JF-12复现风洞(马赫数5~9,飞行高度25~50km,风洞长m,喷管直径2.5m)和JF-22超高速风洞(马赫数10~25,飞行高度40~80km,风洞长m,喷管直径2.5m),成就了国家先进空天飞行器试验平台,刷新了一项又一项的世界第一。这些先进的科研装备在国家重大任务实施和高温气体动力学前沿问题探索中发挥着不可替代的作用。

姜宗林团队研发的新型高超发动机,名字叫“驻定斜爆轰冲压发动机”。

驻定斜爆轰冲压发动机的试验模型及其在JF-12复现风洞中安装的照片

爆轰是一种极端燃烧现象,具有自持、自组织和增压燃烧特征,而且理论上具有近等容循环的热效率,能给出更高的机械能输出。

驻定斜爆轰冲压发动机理论运行范围为马赫数6~16,可用于重复使用的跨大气层飞行器——空天飞机,使得飞行器能够从机场跑道起飞,加速进入太空执行任务,然后重新进入大气层,最终在机场降落。

这么快的速度,不难想象,未来的空天战机将实现在2小时以内抵达全球任何地点。

两小时打遍全球,想想都激动。

姜宗林团队提出了吸气式高超声速推进的两个临界条件。其中,第一临界条件阐述了超声速气体流动中燃烧局部的亚声速或者超声速流动状态的判定问题和上行激波产生机制;第二临界条件给出了当量比燃烧情况下的超声速冲压发动机的最小稳定运行马赫数。

驻定斜爆轰冲压发动机燃烧室内斜爆轰图像和计算模拟得到的H2浓度分布(燃料)

基于临界条件,姜的团队建立了驻定斜爆轰冲压发动机(SodramjetEngine)设计理论,并采用多种流动控制技术完成了Sodramjet概念验证机设计,进而应用JF-12复现风洞,完成了马赫数9飞行条件下的试验验证。试验结果表明:在满足第二临界条件的情况下,驻定斜爆轰冲压发动机可以自点火,并稳定运行,而且是可控制的,从而实现了激波诱导反应面以高超声速传播的燃烧过程。

美国航空航天学会认为,姜宗林团队的科技水平在高超声速大实验装置领域世界领先。JF-12复现风洞能复现马赫数5~9、高度25~50km飞行条件,且不采用移动部件,比传统风洞能产生试验时间更长、能量更高的试验气流。

目前,世界上最具潜力的超燃冲压发动机依然存在推力裕度小、燃烧不稳定等问题。所以,世界上至今依然没有能够满足高超声速飞行器推力需求的工程实用发动机。

而姜宗林团队不仅设计出了概念验证机,而且还完成了马赫数9飞行条件下的试验验证。真心希望这项成果能为国内相关研究领域的科研人员提供参考,助力我国航空航天技术的发展。

新世纪之初,由于美国战略的全球扩张,美军对于全球目标的快速反应需求强烈。因此,美国国防部推出了“常规快速全球打击”(CPGS)项目,目标是研究从美国本土发射、能在1小时内攻击全球任何目标的常规战略武器。

美军的全球快速打击装备需要满足四点要求,即快、远、狠和准。新武器必须能够在接到作战命令后1小时内,对全球任何一个目标实施打击并予以摧毁;一般来说新武器需要拥有洲际作战能力,因为要从美国本土出发打击境外任意目标;作战距离需要达到一万公里以上;此外对新武器的精准性要求也非常高,需要做到一击必杀的效果;新武器还要拥有非常强的突防能力,以适应今后可能的作战环境。

不过美军提出一小时打遍全球计划至今已经过去了十多年,仍没有实现,比如美国研制的以超燃冲压发动机为驱动的X-51A超音速飞行器,虽然已经取得了一系列的突破,但超燃冲压发动机仍没有取得实质性的突破,而且这种驱动方式只能维持不到半个小时,以5~6马赫的速度命中公里远的目标,看来美军离常规武器快速打击全球还有不小的差距。

如今,中国和俄罗斯在高超声速武器方面,已经有了实质性的装备,比如中国的东风-17,俄罗斯的“匕首”、“先锋”、“锆石”等。尤其是中国的东风-17,其携带的乘波体滑翔增程弹头,技术更为先进。

随着我国高超动力的不断突破,未来将有更多的高超声速武器投入现役,尤其是空天战机成功研制的话,未来全球快速打击已经不是梦。



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