9月9日,
據報道,
我國清華大學航天航空學院正在和我航發沈陽發動機研究所合作研制新概念渦輪噴氣式發動機,
以實現航空發動機推重比的大幅提升。
筆者根據國內外公開資料,
進行簡要的分析。
據資料介紹,
發動機的燃燒一般分為2種模式,
即爆燃燃燒和爆轟燃燒(也稱為爆震燃燒),
傳統的航空航天發動機多基于爆燃燃燒,
例如活塞、渦噴及沖壓發動機。
經過近百年的發展,
要大幅度地提高基于爆燃的發動機推進性能已經變得十分困難 。
然而對于爆燃燃燒來說,
火焰的傳播速度為亞音速,
僅為幾十到上百米每秒的傳播速度,
而爆震燃燒的火焰傳播速度可達到5倍聲速以上,
達到1.7千米每秒量級,
其熱效率要明顯高于爆燃燃燒。
如果發動機的燃燒室中采用爆震燃燒來代替傳統的航空航天發動機所采用的爆燃燃燒室,
有可能大幅提高發動機推進性能。
目前,
已有3種基于爆震燃燒的動力方式相繼被提出:脈沖爆震發動機、連續旋轉爆震發動機和斜激波爆震發動機,
我國科學家都進行了相應的研究,
其中脈沖爆震發動機開展的研究最早,
取得的成果最多,
但是其原理決定整個運行過程是間歇性、周期性的多次起爆循環,
做功時間占整個過程時間的比例太低,
專家們認為其效率不高;斜激波爆震發動機主要在高馬赫數(馬赫數8左右)下運行,
并不十分適合5倍音速以下飛行;而連續旋轉爆震發動機(RDE)它只需要初始起爆一次,
爆轟波便可持續地旋轉傳播下去,
并且爆轟波可封閉在燃燒室內不噴出,
避免了爆轟波噴出燃燒室外而造成的巨大能量損失,
并且其最大優勢是連續旋轉爆震發動機在亞音速乃至5倍超聲速條件下都可以實現穩定工作,
可大幅提高現有發動機的推力性能。
資料顯示,
在現有發動機基礎上只需改進燃燒室,
就可研制出連續旋轉爆轟火箭發動機、連續旋轉爆轟沖壓發動機和連續旋轉爆轟渦輪噴氣發動機,
可廣泛應用于各類火箭和導彈、臨近空間飛行器、軍用飛機、無人機等領域。
早在2015年,
美航空航天學會(AIAA)出版的美國航空航天期刊(Aerospace America),
就報道過北大王健平教授領導的北京大學工學院燃燒推進中心連續旋轉爆轟發動機的研究進展,
聲稱在這一領域,
我方已經獲得了巨大且有意義的突破。
而最近的公開資料稱,
清華大學航天航空學院下屬的噴霧燃燒與推進實驗室(SCPL),
正在開展連續旋轉爆震及其發動機的數值模擬和實驗研究工作。
實驗室建有系統的連續旋轉爆震、爆燃轉爆震過程研究實驗臺,
對連續旋轉爆震的穩定工作范圍和關鍵因素有較為深刻的認識,
并已成功實現穩定連續旋轉爆震火箭發動機、渦輪發動機的地面試車。
在此基礎上,
正與沈陽發動機研究所合作開展兩種連續旋轉爆震渦輪發動機系統方案研究,
據資料披露,
第一種渦扇發動機方案主要由進氣道、壓氣機、隔離段、旋轉爆震燃燒室、混合室、渦輪、尾噴管等部件組成,
與常規燃氣渦輪發動機的區別在于用旋轉爆震燃燒室替代傳統等壓爆燃燃燒室,
同時為避免爆震燃燒室出口溫度分布不均勻的問題,
在爆震室前設置隔離段,
使渦扇發動機獲得了良好的起爆特性和爆震特性。
據資料介紹,
當采用與推比10發動機渦扇-15相同的渦前溫度和壓比時,
可將其不加力推力由10噸提高到13.6噸,
而油耗還降低了2%左右。
而第二種渦扇發動機方案是采用連續旋轉爆震加力燃燒室代替常規的等壓爆燃加力燃燒室,
而發動機主體不變,
其應用范圍可更加廣泛,
適合更多的渦噴,
渦扇及現役發動機改進,
例如可使渦扇10發動機在加力推力保持在13.2噸的情況下,
而最大加力油耗降低36%,
并且其加力燃燒室結構更加簡單,
還減輕了發動機質量,
從而提高了發動機的推重比,
更關鍵的是可大幅延長加力燃燒室的工作時間,
能在一定條件下大幅度提高超音速飛行和機動時間,
實現某種意義上的“準超巡”。