与弹道导弹相比, HGV的弹道要飘忽得多

晨枫:中国超燃冲压技术突破 让美国追不上

但HCM的弹道更加低平,更难探测,也可达到更高的射程和机动性

HCM是终极高超音速武器。美国曾经想一步到位,直接发展HCM,但卡在动力问题上。X-51虽然达到210秒,但这是高度优化的实验条件,而且工作时间太短,离实用化还有巨大的距离。在美国“先放一放”的时候,中国悄悄赶上来了,而且一下子在两个关键技术上取得突破。

在各种已知的航空动力中,火箭发动机的工作时间太短,常规涡轮类喷气发动机难以突破M2.5以上的速度,常规的亚燃冲压也很难突破M4,因为阻力的增加已经快于推力的增加了。只有超燃冲压能用于HCM。这也是冲压发动机,属于喷气发动机,但没有常规涡轮类喷气发动机的涡轮机械。超燃冲压在外观上就是一截空心筒子,但这空心筒子大有讲究。

与亚燃冲压相比,超燃冲压的进气压缩、燃烧和形成推力都是在超音速条件下进行的。与亚燃冲压需要把进气降低到亚音速、然后把燃气加速到超音速相比,大大降低了阻力。但在超音速条件下,不仅燃烧难以稳定,还有高温问题,很容易超过结构材料的耐温极限。范学军团队的主要贡献在于热端部件主动冷却技术。

以燃烧为原动力的发动机通常都有某种冷却。汽车发动机基本上采用液冷,循环的冷却液从发动机带走热量,然后把热量通过散热器向空气中散发;喷气发动机主要依靠空气流动和燃气喷出带走热量。但主动冷却在发动机热端部件(对超燃冲压来说,就是燃烧室和喷嘴)表面下遍布毛细管,通入碳氢燃料,在流动中带走热量,降低表面温度。碳氢燃料吸热升温后,实际温度超过点燃温度,但由于无氧环境而只是升温,并不燃烧。但碳氢燃料注入燃烧室的时候,一方面自然地降压气化,另一方面与进气中的氧混合并自然燃烧,比通常的点燃更加高效可靠。

碳氢燃料是燃油的高级形式,进一步的话可容易地转变为液氢,吸热和燃烧效率更高。但液氢的制备和储存比碳氢燃料要复杂,常温常压下的稳定性也不如碳氢燃料。范学军团队用的是成本更低、稳定性更好的碳氢燃料。

主动冷却的道理不复杂,优点也明显,但恶魔就在细节之中。碳氢燃料在毛细管里的流动需要考虑淤塞问题。毛细管的分布更是有大讲究,过于细密没有必要,过于粗疏则达不到目的。更大的问题是,在流动网络里,优势流动(preferential flow)使得流动的分布偏离预想的均匀,一束看起来差不多的管路里,路径“顺”的流量可能高于需求,路径“不顺”的则可能流量不足,必须通过精细的管径、弯头设计来平衡流量分布,确保均匀吸热。路径之间中途互联可以在部份路径淤塞的时候,用绕流弥补,但使得优势流动的问题进一步复杂化。毛细管内的流动还需要避免流体加热气化后导致气阻的问题。