高超音速领域的每一个进展都会引起全球关注,因为目前全球还没有一个国家能以革命性的高超音速发动机推动大型飞行器前进,这个级别的发动机一旦成熟并商业化,那么人类最伟大的时代或将出现,数小时内洲际旅行,甚至低成本进入太空都将一一突破!

印媒《欧亚时报》报道了一项中国在高超音速领域的进展,让人有些惊讶的是突破的方向是在目前最前沿的旋转爆震发动机,而燃料却是最难在航空发动机中应用的煤粉!

煤粉混乙烯:解决爆震问题!

《欧亚时报》报道称,通过使用燃烧乙烯和煤粉混合物的吸气式发动机,可以显著降低商业高超音速飞行的成本。南京科技大学瞬态物理国家重点实验室翁春生教授领导的研究小组表示:“煤粉的高能量密度、安全性和低廉的价格使其在用作发动机燃料时具有独特的优势。”

煤粉怎么就成了飞机发动机的燃料?

笔者的第一反应也是相当惊讶,煤粉这种固体燃料怎么用到了飞机的发动机上?这还真不是吹牛,而是发表在《Acta Armamentarii》(兵工科技)上的一篇论文,作者是南京理工大学瞬态物理国家重点实验室的翁春生教授。

对于他的名字大家可能比较陌生,但教授在高超音速领域可是享誉国内外,他是南理工弹道国防科技重点实验室副主任,博士生导师,任职于瞬态物理国家重点实验室,其研究方向包括高超声速飞行器动力技术、声波探测技术和水下冲压发动机技术。其中高超声速飞行器动力技术主要涉及研究马赫数大于5的高超声速空天飞行器发动机技术。

翁春生教授

《乙烯对煤粉-氧气爆轰波起爆特性影响机制的实验研究》论文给大家展现了一个完全不一样的瞬态爆轰过程,而且这个粉末连续爆轰过程很稳定。

煤粉这种高密度、高能量、高安全性以及低廉价格的特性与现代最先进的高效率爆震发动机结合成为近些年来连续旋转爆震发动机热门的研究对象,此前Bykovskii使用连续爆震燃烧室通过混合氢气的方式将煤粉喷射入爆震燃烧室,获得了1.6~1.8千米/秒的连续旋转爆轰波,氢气的加入量最低可以低至2.3%,这是一种非常有潜力的应用。

但仍然存在点燃困难以及未来实际应用时氢气不好储存等问题,翁春生教授领导的研究小组使用了乙烯这种容易保存且价格非常低廉的气体,但仍然存在气固两相起爆原理复杂等问题,研究人员在等容燃烧的环境中对这两种燃料的混合爆轰展开了大量研究。

结果发现爆轰波会让煤粉在热应力的作用下将颗粒粉碎得更细,颗粒表面积增加,在整个燃烧阶段燃烧速度会持续上升,更有利于建立煤尘悬浮液的精细爆轰结构模型。在本研究中,团队使用了400mm的高压密闭容器内,采用乙烯作为助爆气体,分别在有无乙烯条件下煤粉-氧气混合物内进行点火起爆实验,成功揭示了在煤粉爆轰发动机中助爆气体对发动机点火起爆过程的作用机制,并为煤粉爆轰发动机点火起爆奠定理论基础。

团队在测试环境中获得了稳定的爆轰波,测得的爆轰波速度为1.799千米/秒,这个是典型的粉尘爆炸的爆轰波传播速度范围(TNT炸药爆轰波速度可达7千米/秒左右),在这里必须要说明下为何要研究爆震发动机,毕竟涡轮喷气和涡轮风扇这种喷气式发动机已经非常成熟了。

等压燃烧与等容燃烧

在介绍爆震发动机时必定会提及一个等压燃烧与等容燃烧的概念,一句话解释就是等压燃烧还是火焰燃烧,而等容燃烧就是爆炸,两者的区别是等压燃烧的燃料颗粒间燃烧传播速度不一样,等压燃烧船舶是亚音速,而等容燃烧速度是超音速,比如上文的爆轰波速度可达1.8千米/秒。

爆轰波

这个速度与发动机排气速度有很大的关系,对于喷气式发动机,尽管燃烧传播速度没过音速,但仍然可以通过尾喷管的形状,在收敛阶段超过音速,比如喷气式发动机的马赫环,它是这样形成的:

超音速飞行的飞机发动机喷嘴都是收敛-扩张型,喷出的气体在收敛段由亚音速加速至音速。从最窄处到喷嘴为扩张段,这一段气流会被加速至超音速,火箭发动机的喷气速度为数倍音速,这些高温气体高速喷出时,由于喷管形状产生的激波形成波峰波谷,造成一明一暗间隔的现象。

要想让排气速度超过音速,要么改变喷管形状,要么不断增加喷管前燃烧室内的压力,也就是喷入更多的燃料,以维持压力,这就是等压燃烧。而以超音速燃烧的爆轰燃烧则不一样,它的爆轰波速度基本是固定的,也就是处在爆轰状态,这就是等容燃烧(相当于固定大小空间的爆炸),这种方式天生的排气速度就达到了音速的5~6倍左右。

排气速度与飞行速度无关,但与燃料消耗率有关

发动机的排气速度和飞行器的最终速度并没有直接关系,比如火箭的排气速度可达1.7千米/秒,但它加速的飞船可以超过第二宇宙速度甚至第三宇宙速度飞出太阳系,只是火箭有个毛病,它需要大量燃料不断燃烧排气获得累积加速。

提高飞行器速度的解决办法,除了大量燃料外,还可以提高发动机的排气速度,比如离子电推的排气速度可达10千米/秒,这种提高排气速度来增加燃料利用率的方式也可以理解为提高了发动机的比冲。

这个比冲的意思就是火箭发动机单位重量的推进剂产生的冲量,当然排气速度越高,这个数字就越大,一般液体火箭的450秒只有氢氧发动机才能达到,如果是煤油机,350秒左右就已经相当不错了,普通的肼类燃料连300秒都不到。

爆震发动机的比冲大约是涡轮风扇发动机的1.5~2倍,这种发动机一旦投入使用,那么它的燃料利用率将会达到极致,装载同等燃料的飞行器航程将会是目前的2倍,成本会大幅度降低,当然全球各国看重的还是它在高超音速领域的应用。

旋转爆震发动机:到底是个什么鬼?

上文已经说明了爆震发动机的原理,它是利用燃料与空气混合引爆后以爆轰波向尾喷口扩散来作为推进,前文也说明了这种方式比较节省燃料,因为它可以工作贫燃状态,并且这种发动机结构非常简单,就目前而言主要有几种机构方式:

  • 1、多管爆震(PDE);
  • 2、旋转爆震(RDE);
  • 3、斜激波爆震(ODE);

多管爆震是多根爆震管并联,以一定的频率运行的爆震发动机,因为爆震发动机尽管有燃料利用率高的优势,但如果频率太低,无法形成连续推力,那么这种发动机只能说数据很好但却无法实用,因此要多管并联形成高频连续推力。

多管共喷管爆震发动机

这个所谓的高频至少也得50~80HZ左右,当然管数越多、频率越高则推重比和推力都会增加,因此多管并联就成了趋势。这种多管爆震发动机的缺点是需要连续点火,当然其优势是可以搭配多种结构,其一是可以自吸气与火箭混用:

  • 自吸气式PDE
  • 火箭式PDE

PDE可以在零速度下启动,到达高空高速后再启动火箭模式,无缝切换,发动机只需一台就能完成从地面起飞到近地轨道,空天飞机的理想动力。而另一种优势则是它可以搭配目前的发动机改善推重比:

  • 涡扇外涵道使用PDE;
  • 涡喷的加力燃烧室用PDE;

这种工况将大幅改善目前发动机的推重比,也是PDE的一个重要应用,还有则是和冲压发动机以及超燃冲压发动机或者火箭等形成组合动力,类似于RBCC或者TBCC以及TRRE一类组合动力的应用。

涡扇发动机外涵道多管爆震

关于PDE的研究全球多国均有涉入,比如NASA将PDE列为革命性发动机加以大力发展,DARPA以及美国空军、海军也都制定了相应计划支持各研究机构和公司开展PDE研究,海军研究局(ONR)与众多大学开展了PDE的多学科研究创新计划(MURI)。

日本和俄罗斯也同样投入资金予以研究,我国也不落后,西北工业大学、空军工程大学、南京航空航天大学、航天科工31所、中科院力学所、南京理工大学等都有相关研究项目,到目前为止,各国的PDE仍然没有达到实用化的程度。

旋转爆震发动机RDE

这个结构和PDE其实有些相似,不过这个燃烧室是一个环形,相互之间不隔离,以一定频率环形燃烧,一次点火后会产生一个或多个爆震波在燃烧室头部旋转传播,燃烧产物从另一端高速排出,从而产生推力。

旋转爆震发动机是目前最有前途的应用方向,它避免了高频重复起爆的问题,并且RDE是爆震循环,和PDE类似,它可以工作在火箭以及冲压模式下,也可以和压气机的涡轮配合,形成零速度启动的工况,并且还可以使涡轮压气机从近10级压气机减为3-4级,减轻重量,提高推重比,甚至比PDE还要有优势。

从PDE和RDE的原理来看,两者都是涵盖航空到航天领域的,目前的涡扇发动机过于复杂,造价极高,假如未来能用结构极其简单的PDE或者RDE来代替的话,那么飞行器的成本将会大幅下降(发动机甚至占到飞机总成本的一半),相信运营成本也会大幅下降,以后的飞机票价真要比高铁票价便宜得多,而且由于成本降低,座位也不会那么拥挤,舒适度也会大幅提高。

相对于PDE的研究稍稍落后于各国,但ODE却基本与全球持平,国内多个高校发挥其理论分析和基础研究的优势,在爆震机理研究方面,开展了大量的基础研究,部分研究领域处于世界领先地位。2021年1月24日,清华航天公开测试的就是一种旋转爆震发动机。

斜激波爆震发动机ODE

这种发动机和超燃冲压发动机很相似,它的原理是利用超音速的激波在燃烧室前混入燃料,在燃烧室内点燃爆震,只是这种爆震模式的启动条件比较极端,目前测试过的只有中国的姜宗林团队。

但斜激波爆震发动机的应用非常诱人,当然就如上文所述,测试太困难,此前曾报道因为难以实现,全球进展寥寥,只有姜宗林高超音速团队仍然在持续跟进。

高超音速领域除了爆震类发动机外还有超燃冲压发动机,这种类型的发动机燃烧有些类似于爆轰燃烧,否则超音速燃烧室的燃烧速度根本赶不上气流穿过的速度。超燃冲压发动机的优势是相当明显的,只是它无法自持启动,所以只能和涡轮或者火箭等搭配形成组合动力。

但这些发动机除了液体燃料外就是气体(氢燃料)等,以固体的煤粉作为燃料的确实有些大跌眼镜,尽管其单位质量比碳氢燃料要小,但优势是密度是碳氢燃料的2倍以上。而且成本则相差更大,因此翁春生教授领导的研究也是开启了一个新的思路。(完)