近日,在央视的公开采访中,中国JF-22风洞设计师姜宗林表示,中国已经攻克了驻定斜爆震发动机(也可以叫驻定斜爆轰发动机),可以让飞行器速度达到9马赫,而根据姜宗林的介绍,该款发动机已经接近实用阶段。
而在JF-22风洞投入使用之后,姜宗林还要再对斜爆震发动机进行升级,目标是让飞行器速度达到16马赫。16马赫就是音速的16倍,大约为5.4千米/秒,要是飞行器能达到这个速度,那么绕地球一周也就2小时。
斜爆震是什么
在自然界有两种燃烧波: 一种是爆燃波,另一种是爆震波。爆燃波通常以相 对低的速度向未燃混合物传播,对大多数碳氢燃料与空气的混合物的火焰传播速度约为每秒几米 至十几米。而爆震波产生于前导激波压缩自点火,能够以高超音速在可燃气体中自持传播,是一种高速、高效的燃烧形式,由于爆震波传播速度极快,其后的燃烧过程可视为等容燃烧过程,这使它对推进系统有很大的吸引力。
而驻定斜爆震发动机是指通过引入斜激波进气道或者中心锥体以形成斜爆震波并稳定下来,这就是斜爆震发动机(ODE)。
总结来说,斜爆震燃烧具有燃烧效率高、比冲高、总压损失低和燃烧室结构更短等优点,是未来空天飞行器动力系统的理想燃烧模式。
斜爆震发动机技术全球目前仅中国掌握
但是因为爆震存在冲击力大,噪音较大等多种问题。 另外爆震发动机工作过程具有周期性,非稳态性质,不能采用传统发动机那样的常规分析方法,而斜爆震则又面临着不能起爆的问题,这就需要非常先进的风洞才可以攻克着一系列的难题。这也是为什么美欧一直在爆震发动机上止步不前的原因。
因为没有先进的风洞技术,欧美迄今为止,连斜爆震起爆机理都没有搞明白,而稳定的斜爆震波驻定和起爆是斜爆震应用的核心技术,而飞行条件下马赫数变化所导致的起爆结构的变化规律,则对发动机量产具有至关重要的意义。
全球目前仅中国掌握核心数据。2018年,中国利用先进风洞,开展了斜爆震波起爆区结构对来流马赫数依赖关系的数值模拟和理论分析,确认了斜爆震波流场结构的突变主要是爆震波面变化引起的。更低的来流马赫数条件下,还首次观察到波面位置的无衰减振荡,揭示了斜激波和燃烧耦合系统的内在不稳定性。从而为斜爆震发动机研究奠定了理论基础。
斜爆轰波流场结构的突变
除此之外,姜宗林针对斜爆震波由于压缩不足或来流压力过低而不能在有限的燃烧室空间内实现起爆的问题,提出了两种解决方案:一是在诱导区内采用横向射流来产生一道弱射流激波,以替代原先的自发爆燃波与主斜激波发生相互作用,从而直接起爆斜爆震波;二是在分离区内采用横向射流以产生一道射流激波与入射斜激波发生马赫反射,借助所形成的马赫杆及其反射激波来实现爆震燃烧。而这些都是依靠JF12风洞实现的。
早在2020年的时候,中国科学家团队就通过JF12风洞成功开展了马赫数为9的、以氢气为燃料的斜爆震发动机实验,实现了氢气与高速来流空气在进气道内的预混,避免了提前燃烧的发生,并在燃烧室内实现了两种驻定的爆震燃烧模态——强爆震燃烧模态和斜爆震燃烧模态,国际上首次通过实验验证了斜爆轰发动机技术的可行性。
斜爆震发动机或用于六代机
需要指出的是,高超音速风洞技术,西方落后中国20年,不要说中国最先进的JF-22风洞,即使是JF-12风洞,中国科学家表示,西方也最少需要15年时间才能建成。这也就意味着西方在爆震发动机领域基本上很难追赶上中国。这是因为中国建设高超音速风洞,采用的是余鸿儒院士独创的理论。
斜爆震发动机将会用作无人机、导弹的动力装置,也会用作轨道转移发动机、行星着陆发动机以及航天器姿态控制、卫星机动的动力装置等。当然,他也会作为中国六代战斗机的候选发动机之一。
很多网友关注的点是,飞行速度16马赫,飞行员如何承受,需要说明的是,最高飞行速度16马赫,并不是一直要以16马赫的速度飞行,除此之外,如果不做高机动动作,飞行员可以承受16马赫的飞行速度,那么六代机如果采用爆震发动机,将会注重在视距外以导弹解决战斗。
需要指出的是,这个大气层内的极速性能除了火箭发动机以外没有任何发动机与之相比,未来的极高超音速飞行器的发动机非斜爆震发动机莫属!
总结
截至目前为止,中国在新一代发动机的进度上已经远超美国,中国不仅掌握了超燃冲压发动机和爆震发动机, 变循环发动机的研制工作也已经结束,这也就意味着中国六代战机可以选用的发动机会非常丰富,而美国目前仍在专注于变循环发动机。
还有一个事实就是,美国六代机的研制还处于初级设计阶段,接下来美国六代战机想要从设计、生产、试飞再到量产这样的一个流程起码需要10-15年。这就意味着美国想要在2030年服役六代战机的希望非常渺茫。2022年底,美国六代机项目尚未通过“B阶段”的审查流程。
与此同时,杨伟总师表示中国的六代机研发进展非常顺利,速度也在加快,杨伟总师提出了中国独创的除了基于六代战机的OODA3.0理论,发动机已经取得突破之外,我们可以看到湖南大学团队已经在基于杨伟总师提出的OODA3.0理论设计基于战场时空信息一体化的战斗机智能座舱了。
就目前的情况来说,中国在六代机的研发进度上要大幅领先于美国。而这对于美国来说,是无法接受的事情。
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