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一小时打遍全球不是梦!

美军在21世纪初提出了一小时打遍全球计划,而真正要实现这个目标,就要求武器的速度要达到1小时内绕飞地球半圈,也就是说飞行器至少要16倍音速才能够完成这一任务。目前美军最快的SR-71黑鸟战略侦察机不过3.35马赫,距离16倍音速的距离还非常远。

虽然战略洲际导弹可能达到这一速度,但因其飞行轨迹是固定的抛物线缺乏机动性,且只能使用一次,载弹量不大却过于昂贵,因此限制了其军事运用空间。如果有一种发动机可以重复使用,且速度达到16马赫,那无疑战争形态会发生翻天覆地的改变,而实现这一高超音速武器的关键就是超燃冲压发动机。

从冲压到超燃冲压

冲压发动机是一种结构简单推力大,特别适合在高速情况下使用的发动机。其基本原理就是利用一个两头粗中间细的管子对空气进行做功,管子从左到右分别是进气道、定子、燃烧室和喷口。当在管子的一端施加超音速空气时,其因为发动机内部的定子阻碍会减速到亚音速,被减速的空气进入燃烧室和燃料混合后点燃,产生的高温气体体积迅速膨胀并且向外喷出,而大量空气的反推力则推动发动机本身向前运动。

与普通发动机相比,冲压发动机结构简单,推力大,可以达到较高的速度。因为没有平常发动机压气机和涡轮风扇结构,因此其虽然速度快,却在低速时因为进入进气道的空气量太小而无法启动,于是一般都是先使用火箭发动机或者涡扇/涡喷发动机将其推到超音速接近2马赫以上后,冲压发动机才开始工作,前者的代表作品有我国的鹰击-12导弹,而后者则是著名的SR-71黑鸟。

冲压发动机最多只能工作在4马赫左右,再往上提速时就遇到了问题,当飞行速度越来越快时,进气道吸入的空气也变成了超音速。这样的话,超音速空气直接进入燃烧室和燃料混合燃烧,其实质就变成了要在12级大风中点燃一颗火柴且要求其稳定燃烧,这在技术上非常难,而实现了这一技术的发动机就是超燃冲压发动机。

超燃也超难

要解决上述问题,需要突破在超音速气体内精确喷洒燃料、雾化、点火且稳定燃烧的问题。点火问题自然不必担心,超音速气流本身温度就非常高,足以点燃燃料,精确调解燃料喷洒却需要极高的计算机控制技术,此外为了在燃烧室稳定燃烧,就再也不能用普通的航空煤油了。

经过俄罗斯人的试验,碳氢燃料被遴选了出来,特别是吸热碳氢燃料还可作为冷却剂,在吸收了发动机部件的热量后被催化、裂解、发生相变形成气态煤油、小分子碳氢燃料(如甲烷、乙烯等)和氢的混合物进入燃烧室。一方面燃料通过相变和裂解能够吸收大量的热量,满足了燃烧室等壁面的冷却要求,另一方面大大改善了液体燃料雾化、掺混性能以及燃烧性能。

理论上,超燃冲压发动机可以实现6~20马赫左右的飞行速度,但在这样的高速下飞行器表面甚至要超过1000度高温,不但机体外壳要被烧蚀,还有可能因为热胀冷缩出现巨大的形变。机体内部的设备一旦受到外部热量的影响,就会被毁。这样即使飞到目标上空也失去了高超音速飞行器的意义,因此隔热材料也是各国在发展超燃冲压发动机过程中竞相突破的重点。

美国暂时领先,中国取得突破

目前全世界研制高超音速的竞赛不断升级,美国走在了前列。其代表作品是X-43A和X-51A,前者在2005年先是由B-52携带加速到超音速,释放后再利用和自身捆绑的火箭加速到4马赫以上,最终火箭脱离,成功飞到了惊人的9.7马赫。然而X-43A仅10秒就耗费完了燃料,然而进行了6分钟的滑翔飞行,在飞过1368千米后掉入大海。后者试飞则一直失败,最大速度只达到了5.1马赫。从美国的试验来看,超燃冲压发动机配属的飞行器在解决隔热吸热以及燃料持久性问题上还有很长的路要走。

我国的超燃冲压发动机一直由航天三院主要负责研制,目前已在地面试验、飞行试验技术等方面有了突破性进展。有意思的是今年9月18日媒体曾报道试飞中心某新型高超音速验证机试飞成功。据称这是一架高超音速验证机,外形与美国SR-71黑鸟类似,如果报道属实,那必然也是采用了超燃冲压发动机。每次技术革命都带来战争的压倒性优势,朝着16马赫和一小时打遍全球目标迈进的各国不会停止自身的脚步。

上图为美军的高超音速飞行器X-51A,可以看到其挂载在B-52上,最前方是一个向下开口的进气道,在飞行器尾部还装有带四片尾翼的火箭推进部。X-51A运行时,先由B-52加速到接近超音速,而后释放X-51A,再由火箭推进器推进到超音速,而后抛弃火箭推进部,自身的冲压发动机开始工作。通过飞行过程中的发动机参数调整,加速到高超音速,成为超燃冲压发动机。美军目前对其进行了三次试飞均未达到预期6马赫以上飞行的设计要求。

上图为美军的高超音速飞行器X-43A,也是使用B-52挂载加速而后火箭推进到超音速再启动冲压发动机的方法进行飞行,其进行的三次试飞均告成功,最大速度达到9.7马赫,但仅持续了10秒钟就耗尽燃料,因无法解决续航时间的问题,该项目最终下马,技术积累用在了之后的X-51A的研制中。


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