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    超強臺風里點火柴?“飛天一號”字少事大!

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    出品|網易新聞

    導語:不久前,由西北工業大學、北京動力機械研究所、陜西空天動力研究院聯合研制的驗證飛行器“飛天一號”在西北某基地成功發射。其只有一句話的新聞也因此被稱為“上了天的招生簡章”。在“飛天一號”字少事大的官宣后又有哪些信息值得關注?


    配圖:“飛天一號”發射任務現場合影

    圖源:西工大攝

    一、“火箭”出了軌?還是“噴氣機”劈了腿?

    火箭沖壓組合動力究竟是什么?常見的噴氣發動機,如渦輪噴氣(渦噴)和渦輪風扇(渦扇)發動機——都可歸為燃氣渦輪發動機。它利用壓氣機將空氣壓縮成高壓氣體,其中一大部分混上燃油,點燃、噴出氣體形成推力;一小部分則用于驅動壓氣機。


    配圖:渦扇(上)與渦噴(下)發動機結構示意圖

    但也正因為壓氣機與渦輪機的存在,燃氣渦輪發動機在速度提升至3馬赫開始,工作效率也急劇下降。于是,噴氣發動機的運用出現了更“簡單粗暴”的“返祖”——沖壓發動機(早在1913年,法國工程師雷納·勞倫就提出了沖壓發動機的概念)。它省去了渦輪機來推動壓氣機,而是純粹靠高速飛行時進氣錐形成激波壓縮空氣,將動能轉變成壓力能,并將進入燃燒室的升溫升壓的空氣與燃油混合燃燒,收斂擴張超音速噴嘴把燃燒產生的熱量轉化為動能,形成巨大推力。


    配圖:沖壓發動機結構示意圖

    不過,沖壓發動機單靠自己是飛不起來的,需要額外的動力來助其由靜止到高速形成激波,方可順利啟動。此時就要給沖壓發動機串聯一個“一級動力”:比如渦噴或是火箭發動機。

    “飛天一號”首射新聞中提到“火箭沖壓組合動力”,即指通過直接燃燒燃料排出高溫高速燃氣來獲得推力的火箭發動機以驅動沖壓發動機達到運行工況。


    二、氧化劑+特制燃料“失寵”,航空煤油才是“真香”

    從官方發布的內容描述來看,“飛天一號”的速度達到了高超音速,即5馬赫以上。僅以速度而論,這并非沖壓發動機的專利,諸如固/液體火箭發動機的各類運載火箭可以輕松以第一宇宙速度將航天器送入軌道。然而單純的火箭發動機為這一速度代價不菲:火箭在大氣層飛行時,氧氣伸手即得卻還需自己“帶氧”,使總重70%以上是氧化劑,因而在相同體積的情況下,其有效負載低于安裝有沖壓發動機的飛行器。巨大的耗氧量和相對有限的總重也讓火箭工作時間僅占整個飛行段的1/3,且機動包線范圍嚴格受限。而此時,比沖高、工作時間長、機動包線范圍廣的沖壓發動機明顯更為優越。

    在沖壓發動機領域、特別是應用于高超音速飛行的研究上走的最早、最遠的是美國:在2004年測試了X-43A高超音速驗證機并創下吸氣式飛行器的最高速度紀錄。不過作為一種驗證大氣層內工作、需要反復使用的飛行器,X-43A在有一點上有所缺憾:它使用的是液氫燃料,無論是保存、加注便利性與安全性還是使用成本都不及更為常見的碳氫燃料,大氣層內飛行器以液氫為燃料并不算“空前”。


    配圖(①):蘇聯圖-155驗證機


    配圖(②):以液氫為燃料的蘇聯圖-155驗證機示意圖


    配圖(③):蘇聯圖-154示意圖

    但液態氫能量密度僅為傳統碳氫燃料四分之一,因此需要大量空間(上圖②紅圈處)攜帶燃料,載荷能力較傳統燃料型號明顯下降(對比上圖③)。而后使用碳氫燃料沖壓發動機的X-51A(啟動燃料采用乙烯)又先后在2010-2013年期間試飛4次,并在第四次測試飛行時達到了5.1馬赫。而此次成功首飛“飛天一號”也同樣采用煤油作為燃料的發動機以提供更好的耐熱、穩定、抗爆能力,在此方面站在對標世界一流的賽道上。

    三、從地平線到卡門線,“飛天一號”領跑混動賽道

    單純以超燃沖壓發動機作為動力方案的飛行器,如“X-51”等,其缺點在于所使用的動力的速度區間非常狹窄,僅能在6-7馬赫的速度區間內工作,這使它的研制代價與實用前景相比有些“費力不討好”。而在新聞中,“飛天一號”最核心的描述是“首次完成了從火箭/亞燃、亞燃、超燃、火箭/超燃——RBCC(Rocket-Based Combined Cycle,RBCC)的多模態平穩過渡”。

    所謂火箭/亞燃——是指從火箭加速后,在2-4馬赫,啟動亞燃沖壓發動機,將高速氣流降速增壓,降至亞音速,燃燒后通過拉瓦爾噴管將飛行器加速到超音速;亞燃——亞燃發動機穩定工作,繼續加速;超燃——在來流速度達到5馬赫以上時,亞燃模式轉為超燃模式;火箭/超燃——則是指兩種工況同時進行。而前面談到的“超寬包線高效燃燒組織”、“熱力喉道”這兩項技術無論多復雜,最終也都是為滿足“RBCC模式”而服務。


    配圖:“飛天一號”四種工作模態原理圖

    如此復雜的RBCC循環,如果沒有足夠多的好處自然是得不償失:當“飛天一號” 于零速度以火箭模式啟動切換到沖壓模式時,可產生大約10%的起飛推力增益,從而可讓火箭做的更輕??;在20~40km以上高度利用火箭發動機低工況工作改善沖壓發動機機動性,比在單純沖壓發動機工作模式的情況下可將推力提高40%;而如果高度、速度進一步提升,則可以完全關閉進氣道,進入純火箭模式。這也意味著采用這套動力系統后,火箭/飛行器具備了從地平線到卡門線間自由飛躍的潛力,實現了1+1>2的效果。

    上世紀中葉起,世界航天大國就相繼開始RBCC發動機的研制,并在90年代后達到高峰:美國、歐洲在本世紀初相繼開展“Sentinel”、“EXTV”和“Themis”等RBCC動力飛行器的設計工作,但無一例外停留在概念設計與子系統驗證階段??梢哉f在“飛天一號”之前,全世界尚無任何一個國家、包括我國,完成過RBCC模式發動機在四種工作模態之間的轉換能力。


    配圖:正在規劃中的美國Sentinel飛行器任務剖面

    從已公開報道中可推測,“飛天一號”作為一個驗證型號,它的主要任務就是驗證發動機在四種工作模態之間的轉換能力,為將來更實用的“騰云工程”及其TRRE(渦輪—沖壓—火箭基組合)發動機先行驗證。


    四、超強臺風里點火柴,“飛天一號”還能“比博燃”

    在沖壓發動機半個多世紀的實用化歷史中,更多被采用的還是亞燃沖壓發動機——燃燒室內的空氣流速低于音速,這是因為在超聲速氣流條件下,燃料燃燒的組織控制難度大,如燃料停留時間太短,混合效率非常低。

    因此,以早年技術水平,只有降低氣流速度才能保證動力系統持續穩定燃燒。如此“慢”的進氣燃燒速度,也讓亞燃沖壓發動機的推進速度最高不超過4馬赫。而要想實現“飛天一號”的高超音速,就必須保證流經燃燒室的氣體速度經過壓縮后仍然保持在超音速,還能穩定燃燒,而這一項的難度被堪稱“在超級臺風中點火柴”。



    配圖:在高超音速風洞內測試的超燃沖壓發動機

    如果只是想把“飛天一號”的速度定格在6-8M的高超音速,國內外已經有許多較為成熟的方案,比如利用氫或是乙烯作為點燃碳氫燃料的先鋒火焰;通過合理設計的凹腔火焰穩定器,形成低速回流區,改善航空煤油燈碳氫燃料與空氣的混合程度和火焰穩定性,促進燃燒室內的燃燒釋熱過程。

    但是,如果想讓“飛天一號”“燃起來”還有更難上加難的地方:如X43、X-51A這樣的“超燃沖壓先驅”,只有發射時的火箭模態與達到啟動速度轉入沖壓模態。而“飛天一號”在四種模態:引射模態、亞燃沖壓模態、超燃沖壓模態和純火箭模態(RBCC模式)之間變換。其中亞聲速燃燒與超聲速燃燒具有顯著不同的特點,僅靠前面方式“一招鮮”是難以“吃遍天”的。

    國內資料數據顯示,“飛天一號”可以通過發動機進氣道內的支板引射面積,提高火箭發動機燃氣與空氣兩者間的摻混質量,使火箭發動機燃氣與沖壓燃燒室氣流靜壓和流速能夠適應,實現超燃沖壓燃燒內的超寬包線高效燃燒組織。


    配圖:美國“Strujet”RBCC發動機進氣道示意圖

    國內“飛天一號”等RBCC發動機也可采用類似原理的支板結構以解決超燃模式的進氣問題。除了在進氣與燃燒上下功夫外,不同的速度還要配合釋放合適的推力。因此“飛天一號”應用了熱力喉道調節技術、通過改變燃料噴注位置和噴注量來改變發動機喉道位置及開度:在亞燃沖壓模態下,以熱源形成一個“熱力喉道”,來模擬拉瓦爾噴管的作用,充當亞音速燃燒室末端收斂噴管的角色;在進入超燃沖壓模態后推力全開,此時發動機已經不再需要喉道壓縮效應,“熱力喉道”便可以關閉,實現推力與速度調節。

    結語:

    如今,在空天動力領域的國際競爭非常激烈,航天航空動力也一直是國際前沿工程學科。盡管“飛天一號”還屬于技術驗證型號,而從技術驗證型號再到工程實踐應用,仍有很長路要走;但“飛天一號”在經濟性、重復使用周期、全壽命成本,發射成本等各方面展現出的潛力,將嘗試為目前人類廉價進入宇宙蹚出了一條傳統化學火箭外新的道路。


    參考文獻:

    [1] 張玫,張蒙正,劉昊.火箭基組合循環動力研究進展[J].科技導報,2020,38(12):54-68

    [2] 何國疆,秦飛,魏祥庚,等火箭沖壓組合發動機中若干基礎燃燒問題研究.實驗流體力學[J],2016,30(7):7—14

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