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美國第六代戰機F-47將采用爆震發動機?仍面臨重大挑戰

美第六代戰機將采用爆震發動機嗎

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3月21日,美國總統特朗普宣布美國空軍正在推動第六代戰機F-47的研發。隨著該項目的公開,對六代機的討論也成為了近期的熱點話題。關于六代機的發展,一個焦點問題集中在航空發動機的突破上。其中,關于爆震發動機(也稱爆轟發動機)的討論尤為熱烈。


從切實的角度來討論,如果全球航空科技延續目前的發展趨勢,航空用爆震發動機至少還需要15—20年,才有可能在尺寸和推力級別較小的800—900千克級戰術導彈上投入實用;至于發展到大推力級別,時間周期顯然將更長,乃至無法確切預測。

目前投入使用的發動機類型如活塞、渦輪、火箭、沖壓發動機等,在燃燒室中釋放化學能的方式均為常規燃燒,燃燒反應產生的能量向周圍傳導擴散,火焰速度一般在每秒幾米到十幾米不等。而爆震發動機的燃燒機理,則是以爆炸為核心的自增壓燃燒,能量傳播是通過爆炸反應形成的強烈激波作為媒介實現的,火焰速度上限可以達到每秒幾千米。


蘇-30MKI只能攜帶射程縮水的2.5噸級空射版“布拉莫斯”。


如果裝備連續爆震發動機,那么F/A-18E/F一次攜帶4枚與“布拉莫斯”基本型打擊能力相當的導彈。

因此,對比目前的發動機,理論上,爆震發動機能夠以更小的體積和重量,提供高得多的熱效率和輸出功率。這是根植于其燃燒機理的優勢。以俄印聯合研發的“布拉莫斯”導彈為例,在同等飛行速度、戰斗部重量和射程的前提下,應用爆震發動機的巡航導彈,重量和尺寸可以從3.0噸/8.4米,縮減到0.8噸/5米。


RTX公司公開的連續爆震發動機導彈概念圖,體現了緊湊的進氣道/發動機尺寸和環形燃燒室。

早期,爆震發動機的研究方向主要集中在長管狀燃燒室的脈沖爆震,希望依靠高頻點火和多管并聯設計來實現穩定、持續的較大推力。但研究人員不久后就發現,由于點火頻率難以提高等原因,該路線前景不明。目前,爆震發動機的主要研究方向是旋轉爆震(也稱為連續爆震發動機),其典型設計是制造一個環形燃燒室,使初次引爆燃料形成的激波在環形燃燒室里不斷循環,以每秒幾千到幾萬次的頻率,引爆后續所有噴注的燃料形成自持燃燒,類似倉鼠跑籠子。

說起來簡單,但工業中實現并不容易。目前爆震發動機面臨的最大難題是其連續穩定燃燒的技術難度要遠高于超聲速燃燒的沖壓發動機。由于燃燒與爆炸同時共存,耦合干擾,燃料在空間內分布不均,會形成局部的富燃貧燃區域等一系列問題,會使得點火過程有巨大的不確定性和不可控性。因此科研試驗工作中,不僅爆震的自持狀態難以達成,而且達成后也極其脆弱。

就連如何實現對爆震過程的高精度觀測,也依然是目前發動機領域需要重點突破的難題。因為爆震流場作為高溫、高壓、高速流動的瞬態流場,變化速度極快,周期性循環時間非常短,這導致它的詳細物理參數和內部流場的三維顯示難以通過實驗方法取得。因此,計算機數值模擬是現階段對于連續爆震波傳播機理研究的最主要手段。


也就是說,目前科技界對爆震發動機的相關研究成果很大程度上是建立在有限統計和猜測上的。也因此,目前最接近實用化的成果,是停留在實驗室中的小型原理樣機,而且離不開對反應活性高的燃料的依賴(特別是氫氣)。在這些限制條件下,相關實驗才能實現相對穩定的持續燃燒,獲得較好的性能數據。

基于氫氧燃料摻混的爆震發動機未來大概率會發展為航天器的火箭爆震動力。但對于巡航導彈和飛機,實用化的發動機大概率依然必須使用常溫、液態的烷烴類燃料,或類似“流星”導彈,使用固態燃料貧氧燃燒后生成的富燃燃氣。


在現階段的爆震發動機研究中,燃料從氫氣更換為氣態的甲烷和乙烯等小分子碳氫化合物后,由于所需的起爆能量和反應空間更大,常會出現火焰傳播速度驟然降低,甚至頻繁熄爆的現象。而液態航空煤油這一類低活性的燃料,如果要維持持續的爆震燃燒,更是機理不明且難以實現。

在核心的燃燒原理和燃料屬性問題之外,爆震發動機還面臨著很多其他工程領域的困難。比如,人們研制爆震發動機的目的是以更小的體積和重量提供極大的功率,這意味著大量熱量要極短時間內釋放在非常狹小的空間里,該過程所造成的熱負荷會遠超任何目前投入使用的發動機。

根據現有氫氧混合燃料試驗的測試數據,爆震波的溫度可以達到3000k,燃燒室結構承受的熱流量更高達12000—17000kW每平方米。因此,該使用怎樣的材料、怎樣的熱管理設計,才能讓緊湊化的輕質結構耐受這樣的高溫環境?是橫亙在各國發動機科研界的巨大挑戰。


多涵道化設計的變循環發動機。

客觀來說,未來連續爆震發動機必然要經歷“由小而大”的長期過程:首先在導彈發動機等成本較低的小型動力系統中獲得應用,并得到驗證,然后逐步放大尺寸和推力等級,并被整合到中大型的渦扇或火箭等發動機產品上,最終推動飛機、火箭的動力系統實現能力提升。從這個角度來說,連續爆震發動機短期內必然難以匹配六代機項目。

盡管如此,當前大多數的實用化發動機,尤其是渦輪燃機,工程基礎理論很成熟,核心部件的設計和制造在反復迭代中,其性能已經趨近可實現的理論極限。因此,研究連續爆震發動機的意義毋庸置疑,該領域也已經成為全球航空強國突破當下科技桎梏、發力前沿科技的重要領域。

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