1月24日,环球网等多家权威媒体发布了一条振奋人心的消息:由清华大学航天航空学院喷雾燃烧与推进实验室研制的新型发动机,成功完成了飞行演示验证实验。
新型冲压发动机完成飞行演示验证
这型发动机由王兵教授团队研发,在试验中,先由“清航·大兴号”两级火箭助推,一级火箭分离后,二级火箭将任务段发动机送到预定高度和速度。随后发动机进气道实现高效吸气,供油系统将航空煤油雾化喷入燃烧室,点火系统顺利启动!
在点火后,发动机稳定工作,获得了持续的推力,试验到得了圆满成功。借用权威媒体的话:“试验表明,我国已经掌握该新型发动机的自主研发与工程实现能力,在新型空天动力领域跻身世界前列”。(注意是空天动力!)
试验过程动画演示
俗话说“字越少,事越大”。一次飞行试验能获得这样的评价,足见这件事情不一般。只是这个“新型发动机”的名称太宽泛,让人一时搞不清楚是哪种发动机。从对发动机点火过程的描述来看,这似乎是类似于美国X-51A高超音速飞行器使用的超燃冲压发动机,即以冲压方式进气,燃料在超音速气流中燃烧产生推力。但仔细琢磨,却又像是更加高级。
为了弄个究竟,人马君又查阅了清华大学发布的消息,发现了更多的猛料:该消息中将这次飞行演示试验称为零的突破,并且有这么一段话:
“早在上世纪50至60年代,国际上便提出了将自增压燃烧技术应用于动力系统的理念,但直至2011年前后,随着相关研究结果发表数量的增加,才逐渐引发国内外学术界和工业界的高度关注”。
这里面的关键词是“自增压”,传统意义上的超燃冲压发动机在燃烧室内是等压燃烧,并没有自增压功能。既然提到了自增压,显然这并不是一般的超燃冲压发动机,而是另一个近10年才活跃起来的新锐发动机技术。
超燃冲压发动机原理
于是人马君换了个思路,对该项目的负责人王兵教授产生了兴趣。在清华报道中有提到:
“王兵带领的喷雾燃烧与推进实验室团队,在多年研究火箭发动机燃烧不稳定性的基础上,敏锐地把握空天科技的领域前沿,在国内几乎空白、国际上方兴未艾的情况下,从零起步,构建新型热力学循环方式,自主研制新型冲压发动机。”
这一段里特别指出了火箭发动机的燃烧不稳定性。燃烧不稳定又能自增压,那不就是爆轰或者爆震吗?于是人马君查询了一下王兵教授发表的文章,其中赫然有多篇学术论文是关于“爆震冲压发动机”的。看来这次的主角,很可能就是高超音速皇冠上的明珠:爆震冲压发动机。
王兵教授团队
所谓爆震或爆轰,是一种不稳定的燃烧状态。当燃料和氧化剂混合点燃时,并不总是处于稳定的燃烧状态,在一定的条件下会产生爆燃,进而出现爆震,短时间内释放大量能量。在以往的航空发动机设计中,爆震是被极力避免的,会破坏发动机的正常工作。
然而当人类进入高超音速领域后,却发现了爆震燃烧的巨大的好处:它的热效率非常高,可以让高超音速飞行器飞得更快,或消耗的燃料更少。利用爆震发动机与火箭相结合,能够让空天飞机自由往返太空,掀起一场空天动力的革命。于是,近年来国际上对爆震发动机的研究越来越多,并提出多种爆震发动机的构型。
第一种也是最出名的是脉冲爆震发动机,即PDE。这种发动机的燃烧不是连续的,而是以一定的频率来产生爆震,实现了“脉冲”运行,相当于在燃烧室内进行一连串的爆炸。脉冲爆震发动机的结构相对简单,研究得比较早,也有着较多的成果。
俄罗斯测试脉冲爆震发动机
但它的缺点也很明显:在每个仅有十几毫秒量级的爆震周期内,要完成燃料喷注、混合、着火、排气等一系列过程,还要完成从点火到爆燃再到爆震的演变,对燃料喷注和点火系统的要求非常高,限制了它的进一步发展。
后来人们又提出了连续旋转爆震发动机(RDE),与前面讲的PDE不同,连续旋转爆震发动机虽然也利用了爆震,但却不是一连串的爆震脉冲,而是形成了连续旋转的爆震波,说白了就是点火后只爆一次,却是一直在爆,并不停止 。
RDE的燃烧室通常是环形的,推进剂沿轴向喷入,在燃烧室头部前端形成爆震波,维持一个或多个波头沿周向旋转传播,波后产生的高温高压燃气迅速膨胀,从开口端高速喷出,从而产生推力。
连续旋转爆震发动机原理
RDE热效率高,燃烧室结构简单,适用飞行范围宽,既能应用于亚音速,也可用于超音速,可以直接拿来改造现有的涡轮发动机燃烧室,提高发动机性能,也能基于它研制新的高超音速发动机。由于它的诸多优点,成为国际上炙手可热的研究对象。清华大学航院正是国内研究RDE水平较高的机构之一。
除了连续旋转爆震,还有一种爆震发动机技术,称为驻定爆震(ODE)。这种爆震也是连续的,但爆震波却不旋转,而是类似驻波一样形状不变。实现驻定爆震最常见的方法,就是前一段时间曾引起热议的“斜爆震发动机”。
斜爆震发动机
斜爆震发动机里有一个斜面,可以是楔形,也可以是锥形(即旋转的斜面)。燃料在燃烧室前方就被喷入,形成的可燃混合气体以极高的速度冲击这个斜面,形成反应面和斜激波耦合的爆震波。
斜爆震发动机能够达到极高的飞行速度,可达16马赫或更高。我国在这方面也有研究:《中国航空学报》2020年11月28日曾刊登中科院力学所的报告,显示我国正在测试一款“站立式斜爆轰冲压发动机”,从照片来看,就是一种利用楔形斜面实现爆震的发动机技术。
站立式斜爆轰冲压发动机试验
不过从清华大学发布的本次试验的动画来看,新型发动机的进气道在顶部,呈现锥形,燃料喷入环形燃烧室内燃烧,由后方的喷管从侧面向斜后方喷出,并没有呈现出“可燃气体在燃烧室前混合,并冲击斜面”的情景。因此,这款发动机不太可能是斜爆震发动机,大概率是一种RDE,即连续旋转爆震发动机。
注意最前端的进气道和后段侧面的喷口
再看一遍动画就明白了
而这次实验,很可能是我国首次成功进行连续旋转爆震发动机的飞行试验,在原理上比美国X51的超燃冲压更牛,具有十分重大的意义。虽然只是实现了成功点火、稳定工作和产生推力,只能说是一次演示验证。但却做到了是骡子是马拉出来溜溜,是一次货真价实的飞行试验,相比地面风洞试验是一个巨大的飞跃。
新型发动机的飞行演示验证实验,说明我国在爆震发动机领域又达到了一个里程碑。在美国X-51A的超燃冲压发动机屡次飞行测试失败的情况下,这种成功更是来得弥足珍贵。希望我国科研人员再接再厉,在高超音速发动机领域继续给我们惊喜!