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最近***航天出了一个大新闻,实验成功10马赫风洞技术,在5毫秒时间内,氢气在速度近3千米/秒(10000公里/小时)空气中的超声速自主燃烧,并获得了超声速燃烧模态下的试验数据和火焰图像。

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近日,中国空气动力研究院空气动力实验与工程应用研究所成功完成的氢氧燃烧推进试验,实现了5毫秒时间内,氢气在速度近3千米/秒空气中的超声速自主燃烧,并获得了超声速燃烧模态下的试验数据和火焰图像。

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美国空军花费10年研制的全新“空天飞机”X-37B。小艾供图

10马赫超燃冲压发动机风洞试验点火成功

这高超音速风洞是带火焰的,确实稀罕

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中国空气动力研究院在官网透露
,中国10马赫超燃冲压发动机风洞试验获突破,将实现天地往返飞行,并在网上公布了实验视频以及风洞结构,非常震撼。注意,这个风洞与以前公布的超声速激波风洞不一样,以前网上曝光是对飞行器结构吹风的,如今这个新风洞是对超燃冲压发动机进行实验的,意味着中国在超燃冲压发动机方面研究已经快实现理论验证即将突破阶段。想当年,美国首先突破,但至今实验多次未有获得实际突破,后来苏联包括俄国也有重大突破,但总的说来,谁都没有实现真正突破。中国现在建立风洞,点火成功,意味着离世界先进水平更进一步了,也可能实现后来居上!

而承载此次试验的是航天十一院自主研发建造的我国首座、国际最大口径******驱动高能脉冲型风洞,此次氢氧燃烧推进试验,一举攻克了超高速超燃冲压发动机地面试验的两大关键技术***难题,一是通过极为精确的时序控制技术,在百分之一的眨眼时间(5毫秒)内实现了氢燃料与速度近3千米/秒(10000公里/小时)空气之间的空间交汇,并且达到“你中有我,我中有你”的水***融状态;二是利用光壁横向喷注与凹腔稳焰相结合的技术,实现了氢燃料的超声速点火与稳定燃烧,这好比在***度***中实现了一根火柴的点燃及稳定燃烧。**

空天飞机X-37B飞行效果图。小艾供图

10马赫超燃冲压发动机风洞试验

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最近,X-37B首飞的消息引起了媒体的极大关注。据悉,美空天飞机X-37B将于本月19日从佛罗里达州的卡纳维拉尔角升空,在加利福尼亚州着陆,计划在轨道上进行270天无人飞行。X-37B长约8.8米,翼展约4.6米,起飞重量超过5吨,体积只有美现役航天飞机的四分之一。

超燃冲压发动机是未来军民两用尖端技术,能够产生4倍于火箭的推力,采用小分子碳氢燃料时,超燃冲压发动机的飞行速度不超过8倍音速,如果换成液氢燃料其飞行马赫数可达到6——25倍音速,本次实验是10马赫。

追求速度永无止境,2-3马赫飞行的喷气飞机不够用了,世界开始迈向空天一体化作战,需要更快速度

一些空天专家认为,X-37B实际上是一种先进的空天战斗机或空天作战飞行器的雏形,在未来战争中具有极高的军事价值,其作用甚至不亚于核武器。那么X-37B到底怎样,我们通过分析空天飞机的发展过程、关键技术和军事运用来一探究竟。

超高速超燃冲压发动机

此项试验的成功,不仅标志着该院的高能脉冲风洞正式迈入实用化阶段、真正成为先进飞行器的孵化器,更表明此风洞的3千米/秒(10000公里/小时、马赫10)量级氢氧燃烧推进试验能力取得关键***突破,从而为我国的超高速超燃冲压发动机研究提供了良好的技术储备。此举将大幅加快天地往返运输系统动力技术的革新进程,促进现有动力的“开弓没有回头箭”难题的解决,从而实现真正的“腾云驾雾”、灵活***地穿梭于天地间。

世界空天飞机发展概况

现代航空发动机已经进入一个死胡同,普通涡轮风扇发动机超过2马赫就到了瓶颈,强大的离心力就会使发动机破裂。后来科学家发现,去掉涡轮,像打气筒一样,直接点燃气体加压喷出,效果更好。但在高马赫的情况下,说起来容易做起来难。尤其像10马赫速度下,比在12级台风中点燃一支蜡烛还难。在高马赫情况上,燃料如何均匀混合,点火,压缩,喷出,整个流体机制,一切都是未知数。

对于这个新闻的解读,其实可以分成2个关键词,一个是超燃冲压发动机,另外一个就是天地往返运输系统动力技术,简单来说就是空天飞机,当然从逻辑上是很明显的,要搞好空天飞机,最好的技术路径就是超燃冲压发动机。**

空天飞机是指能像普通飞机那样在机场起降,既能在大气层内机动飞行,也能在外层空间飞行的飞行器,是航空航天技术结合的产物。

高能脉冲型风洞

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20世纪80年代,世界上出现了发展空天飞机的热潮,美国提出了国家空天飞机计划,英国提出了“霍托尔”方案,德提出了“桑格尔”空天飞机计划。此外,俄、法、日、印等国也开展了研究,提出了种种方案和设想。但是,受当时航空航天技术水平和经费的限制,研究困难重重,再加上90年代初冷战结束使国际形势发生了根本变化,上述空天飞机计划和方案都没有成为现实。

本次承载试验的装备是中国自主研发建造的首座而且是国际最大口径自由活塞驱动高能脉冲型风洞,通过重活塞的高速运动产生高温和高压的驱动气体,再由喷管加速,实现对飞行器返回地球或地外星球进入时的超高速飞行环境的模拟乃至复现。

超燃冲压发动机,最大的特色就是结构简单,麻烦是燃烧不稳定

尽管如此,由于空天飞机在军事领域的巨大价值,20世纪90年代以后,空天飞机的预先研究和技术验证工作节奏在加快、强度在加大,相关关键技术也逐步有了重大突破,美、俄等国对空天飞机的研究兴趣再度升温,新型的X-37B也呼之欲出。

10马赫超燃冲压发动机风洞试验

其实从速度来看,普通火箭发动机推进的洲际***弹头速度都可以达到30马赫,但是火箭发动机由于推进剂全部需要自己携带,使用火箭发动机***载荷上天***昂贵,所以科学家就把点子打到大气层的氧气上,高速高空发动机能不能不带氧气,剩一半燃料,所以这就是超燃冲压发动机的来由。

一是美系列型号高超音速空天飞行器研制齐头并进。美军认为,空天飞机可以在2小时内飞抵全球任何地区,使美军继续保持在实时侦察、远程快速部署和精确打击等方面的优势。因此,在空天飞机研制方面,美更是多路出击。

超高速超燃冲压发动机有两大关键技术性难题,一是要求在毫秒内实现了氢气与空气之间瞬间交融混合,实现燃料的喷射、雾化、蒸发、掺混、点火、稳定燃烧;二是要求特殊技术,实现超声速点火与稳定燃烧,这好比超级龙卷风中点燃一根火柴而且还要让它稳定燃烧。

超燃冲压发动机是最近几十年出现的新概念,简单来说吸气发动机燃烧速度有几种,一种是亚燃发动机(亚音速燃烧发动机)所有的航空用的发动机几乎都是,包括涡喷涡扇发动机都算,普通涡扇发动机或者涡喷发动机的工作极限就是3马赫,超过这个速度,叶片增压就失去效果,只能采用冲压发动机设计。

二是俄在高超音速技术领域仍处于世界领先地位,其国内有多家机构长期致力于高超音速技术基础理论研究,并在亚/超燃冲压发动机、燃料技术、耐高温材料及一体化设计技术等方面取得了重大突破,并且已经进入了空天飞机飞行验证阶段。当前,由于受财力限制,俄难以像美那样四面出击,只能以高超音速飞机为突破口发展空天飞机。

美国的X-43A和X-51A多次实验,。2004年3月27日,美国X-43A飞行器的速度达到了7马赫,但因为无法解决燃料持久问题,最终放弃。后美国又研制了X-51A,最大速度达到5.1马赫,超燃冲压发动机工作时间达到210秒,飞行距离426公里,创造了全球高超声速飞行器的最大飞行距离纪录。

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三是欧洲国家自研与合作相结合寻求发展。法、英、德等欧洲国家的军事技术实力无法和美相比,比俄也稍逊一筹,因此,自研与合作相结合是其发展空天飞机的主要途径。法国凭借其较为雄厚的航空工业实力,自20世纪60年代以来一直进行着高超音速技术研究。近期,法国自发研制了Chamois超燃冲压发动机,并在6马赫的速度下进行了反复试验。在自研基础上,法国宇航公司与俄合作,力图在发动机技术、燃料冷却结构技术、发动机与机体一体化技术等方面有所突破。

重大意义

***已经掌握4马赫冲压发动机技术,某些型号***采用了这项技术

德国的高超音速飞行器研制计划主要集中于近程防空导弹方面。预计其马赫数达7的防空导弹将于2010年服役。德、法还于1997年开始联合开展高超音速技术的应用研究,主要任务是评估2-12马赫速度范围内工作的氢燃料双模超燃冲压发动机。

超燃冲压发动机

在这个基础上还有超音速冲压燃烧发动机,这种发动机工作速度一般在6马赫以下,而6马赫以上则必须使用超燃冲压发动机,超燃发动机工作速度在6马赫以上,单位推力是所有类型发动机冠军,所以这是全世界高超音速飞行的热点。

四是亚洲国家日本、印度也积极开展空天飞机相关技术实验。日本的高超音速技术发展很快,1993年,日航空宇宙研究所建成了一座超燃冲压发动机试验台,可进行马赫数4~8、流量40千克/秒的工程性试验,从1994年至1998年共进行了150次大型氢燃料的工程性试验,掌握了点火、推力测量、燃料调节和发动机冷却等关键技术。目前,日正在实施的高超音速飞行器技术项目是两级入轨航天运载器,第一级为高超音速运输机,其飞行速度可达6马赫。

本次实验包括风洞建设将大幅加快中国天地往返系统动力技术的突破,促进跨大气层飞行器,如空天飞机,第六代机战斗机,空天轨道轰炸机,从而真正实现灵活自由地穿梭于天地之间。

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印度国防部启动了命名为AVATAR的小型可重复使用空天飞机计划,AVATAR空天飞机采用涡轮冲压/超燃冲压/火箭组合循环发动机,当它不携带火箭发动机时,可作为一种高超音速飞机,用于对地攻击或侦察,然后返回基地。目前,印有多个实验室正在发展超燃冲压发动机技术,并已取得了较大进展,超声速燃烧效率已经达到了设计值的70%。印还计划投资15亿美元对该系统进行调整,力争到2010年底有重大突破。无论如何,空天飞机要达到实战能力至少还需要10到20年时间。

去年就有公开报道中国在武汉设立一个研发基地,研发腾云系列空天飞机,计划在未来二三十年内,实现商业空天飞行,而且是白菜化价格。

速度6马赫以上,超燃冲压效果最好

空天飞机的关键技术

高超声速飞机

6马赫以上带来了一个很大的麻烦,速度太快之后,使得滞止温度太高,从而导致燃料发生严重的离解失效问题,而且加上燃烧速度过快,所以这是一个天大的技术难题,所以全世界都追求几十年,但是一直没搞定,***航天第一次实现10马赫高超风洞,算是开了一个好头,***的空天飞机,将从这里起飞。

空天飞机能否成功的主要决定因素在于以下关键技术能否取得重大突破。

根据刘兴洲院士提出的设想,我国的在今后十年研制出高超声速飞机,5-10马赫飞行速度,实现1——2小时全球到达;如果全部大气层内飞行的话,这个速度下飞行器阻力和温度都会很高。

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首先是推进技术。经过多年的研究和试验,各国普遍认为超燃冲压发动机是发展高超音速飞行器较为理想的动力装置。研发成熟的该种发动机主要面临两大难题。一是高空高速状态下难以顺利点火和燃烧的问题,即科学家们所说的突破燃烧上的“音障”。二是超燃冲压发动机的缺点是在静止状态下不能自行启动,须用助推方法将其推进到一定速度后才能有效工作,且其低速性能不好。

然后到本世纪中叶,在成熟技术基础上研制出跨大气层飞行器,大气层外飞行速度可达12——25马赫,能直接进入地球轨道,完成任务后再入大气层通过减速滑翔水平降落。这是世界各国梦寐以求的梦想,将来太空旅行将会像现在高铁出行一样方便快捷。

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其次是一体化设计技术。空天飞机要跨越亚声速、声速和超声速三个阶段,这对空天飞机的气动性能和推进系统的稳定性要求很高。而空天飞机飞行速度更高和范围更宽,这个问题尤为突出。同时,空天飞机要从稠密大气层冲向稀薄大气层,空气密度变化也很大,由此给空天飞机的设计带来了很大困难,必须采取全面的一体化设计技术。其中,飞行器机体/推进系统的一体化设计是涉及整个空天飞机性能的关键。

实际上,这个风洞公开的指标是测试指标是3-30马赫,高度20-100公里,实际上来说,20公里以下,3马赫以下,还是需要依靠别的动力,比如喷气发动机,或者火箭发动机,实际上空天飞机还是真不轻松,一种发动机通吃,还做不到。

第三是材料与结构技术。当空天飞机以高超音速在大气中飞行时,气动加热非常严重。当飞行速度达到8马赫时,飞行器的头锥部位温度可达1800℃,其他部位的温度也将在600℃以上。因此,长寿命、耐高温、抗腐蚀、高强度和低密度的结构材料对于研制空天飞机是非常关键的。如果在材料与结构技术方面不能取得突破,那么就连空天飞机的飞行试验样机都无法制造出来。

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第四是高超音速空气动力/热力学。空天飞机通常要求尽可能地减轻结构重量,并确定空天飞机上的气动力/热载荷,因此,高超音速空气动力/热力学对于发展空天飞机技术是非常关键的。当空天飞机以高超音速飞行时,会产生很强的激波,激波与附面层之间产生相互干扰,在高超音速气流驻点附近产生极高的温度,能使附近的气体分解和电离,形成相当复杂的混合气体,使得高超音速气流的研究成为非常复杂的问题。

另外,现有的风洞设备还不能较好地模拟高超音速飞行环境,而计算流体力学和飞行试验也都存在着很大的局限性,因此必须一体化地综合运用这三种设计工具。目前,与高超音速空气动力/热力学相关的理论、建模、研究方法、理论计算、程序和验证手段等方面还有许多问题有待深入研究。

第五是燃料技术。高超音速推进系统由于存在极强的热负荷,需要燃料本身在循环过程中对许多部件承担冷却任务(目前正在研究的空天飞机通常采用液氢作燃料和冷却剂),因此需要研制吸热性好、后勤供应方便、能量密度高、可贮存的液体燃料、混合燃料和浆状燃料。

空天飞机对未来战争的影响

研发空天飞机需投入大量资金,需解决诸多技术难题,为何美等发达国家对此还趋之若鹜?原因是不言而喻的。

军事专家普遍认为:空天飞机的出现及大量运用将对未来战争产生深刻的影响,未来战争将面貌一新。一是拓展传统作战空间。由于空天飞机具备现有航空飞行器所不可比拟的速度优势,在有高超音速参战的未来战争中,作战地幅将大大缩小。例如,速度为6马赫的高超音速飞行器,能在6小时内环绕地球一周,能够在2小时内打击地球表面任何一个目标。

更重要的是,专家预测21世纪作战空间将延伸至太空,谁占据了太空,谁就占领了未来军事的制高点。空天飞机可以跨大气层飞行,进一步拓展传统作战空间。它不仅可以承担高超音速飞机的所有任务,同时还可以对航天发射和空间作战产生重大影响。例如,它可以作为天基监视和侦察、通信系统平台支援作战,还可以作为反卫星武器平台,直接参与作战,迅速击毁敌方卫星或航天器。可以作为战时的空间指挥平台,空天飞机能像空间站那样在轨道长期停留,它可配备先进的指挥控制系统,一旦战时需要,可以直接承担起空间作战指挥控制任务。

在作战保障方面,空天飞机可以较低的费用进行发射,快速部署小卫星群和回收卫星,并可对在轨航天器进行维修。

二是空袭和地防不对称发展更加明显。现代战争中,隐身飞机、精确制导武器的应用已使空中突防和地面防空呈现不对称发展趋势,对敌防空系统关节点实施点穴式精确打击,短时间内就可使敌苦心经营的防空系统分崩离析,而空天飞机若应用于战争将使得这种不对称性继续加剧。高空天飞机的飞行速度将使得防空系统的拦截概率因反应时间太短而大幅度下降,并可有效地制约预警系统和地面防空武器系统整体功能的发挥。

例如,当巡航导弹以4马赫的速度在2.4万米以上的高空高速飞行时,俄SA-10和SA-12防空导弹的拦截概率为0.3,升至6马赫时,拦截概率只有0.01,空天飞机还对美斥巨资技术打造的弹道导弹防御系统构成了严重挑战。可见,空天飞机的出现将使防空作战面临更加严峻的考验。

三是大幅提高武器作战效能。空天飞机具有的速度优势不仅能通过热辐射和冲击波造成毁伤,而且其直接命中目标后巨大动能释放的能量可轻而易举地破坏目标的内部结构。比如只有1.5公斤重的高超音速炮弹,其威力足以使一座桥梁顷刻解体。

可以预言,随着相关技术的进一步发展与突破,空天飞机时代不久将会到来。空天飞机在军事上的广泛应用,将谱写未来战争的新篇章。

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