發(fā)布時(shí)間：2019-04-17所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 高超聲速飛行器技術(shù)的發(fā)展是人類繼發(fā)明飛機(jī)、突破聲障、進(jìn)入太空之后又一個(gè)劃時(shí)代的里程碑,而以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的高性能推進(jìn)技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，美國(guó)等航空航天強(qiáng)國(guó)正加緊布局，積極開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研發(fā)。本文對(duì)世界各主要
高超聲速飛行器技術(shù)的發(fā)展是人類繼發(fā)明飛機(jī)、突破聲障、進(jìn)入太空之后又一個(gè)劃時(shí)代的里程碑,而以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為代表的高性能推進(jìn)技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)高超聲速飛行的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，美國(guó)等航空航天強(qiáng)國(guó)正加緊布局，積極開(kāi)展相關(guān)技術(shù)研發(fā)。本文對(duì)世界各主要國(guó)家超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理分析，并基于我國(guó)研究現(xiàn)狀提出了進(jìn)一步的發(fā)展建議。
一、關(guān)于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)
超聲速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)(簡(jiǎn)稱超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī))被認(rèn)為是目前實(shí)現(xiàn)飛行器在大氣層內(nèi)高超聲速飛行的最佳動(dòng)力裝置，由于其良好的經(jīng)濟(jì)性與結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單性，已經(jīng)成為21世紀(jì)航空航天領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)由進(jìn)氣道、燃燒室和尾噴管3大部件組成，其中進(jìn)氣道通過(guò)收縮壁面將高超聲速空氣減速增壓到適合燃燒的狀態(tài)，然后氣流與燃料在燃燒室內(nèi)混合燃燒釋熱，轉(zhuǎn)變成高溫高壓氣體后通過(guò)尾噴管膨脹產(chǎn)生推力。
當(dāng)飛行速度超過(guò)5倍聲速時(shí)，受材料耐溫極限的限制，進(jìn)氣道不能將高超聲速來(lái)流壓縮到適合燃燒的亞聲速，且空氣會(huì)開(kāi)始離解。如果此時(shí)進(jìn)入燃燒室的氣流為超聲速，這些弊端就能得以化解，于是超聲速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生(俞剛、范學(xué)軍，2013)。
超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)只需攜帶燃料，氧氣可從大氣中吸取，其幾何形狀簡(jiǎn)單，沒(méi)有任何轉(zhuǎn)動(dòng)部件，具有渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不具備的性能優(yōu)點(diǎn)，有可能開(kāi)發(fā)成為飛得更高、更快的高超聲速飛行器，未來(lái)還有可能發(fā)展成為更加便捷、安全和低成本的天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)(俞剛、范學(xué)軍，2013)。
二、各主要國(guó)家超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研究情況
1.美國(guó)
美國(guó)作為目前超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研究最為領(lǐng)先的國(guó)家，其牽頭超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)及其組合動(dòng)力科研的政府機(jī)構(gòu)主要包括：美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)、美國(guó)海軍、國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局(DARPA)和美國(guó)航空航天國(guó)家總署(NASA)(胡冬冬、孫藝、李文杰，2017)。美國(guó)在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域保持穩(wěn)定的投資，以持續(xù)推動(dòng)小型和中大型超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的科研活動(dòng)。
小型超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)目前處于先期技術(shù)開(kāi)發(fā)階段，研發(fā)重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)并演示驗(yàn)證碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)。針對(duì)戰(zhàn)術(shù)任務(wù)子系統(tǒng)，2016—2017年，美國(guó)制定了相關(guān)研究計(jì)劃，包括超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)、燃料系統(tǒng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。最近即將啟動(dòng)具有工程轉(zhuǎn)化目標(biāo)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)制造項(xiàng)目，該項(xiàng)目可應(yīng)用于高超聲速吸氣式武器方案(HAWC)(胡冬冬、孫藝、李文杰，2017)。
中大型超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)則主要面向應(yīng)用研究階段，該階段位于基礎(chǔ)研究和先期技術(shù)開(kāi)發(fā)階段之間。研發(fā)的重點(diǎn)主要是開(kāi)發(fā)組合/先進(jìn)循環(huán)吸氣式高速(到馬赫數(shù)5)和高超聲速(馬赫數(shù)5～7)推進(jìn)技術(shù)，以支持未來(lái)高速/高超聲速武器和飛機(jī)的應(yīng)用。目前研究處于建模仿真、關(guān)鍵部件的概念驗(yàn)證、先期部件開(kāi)發(fā)和地面演示驗(yàn)證階段(胡冬冬、孫藝、李文杰，2017)。自2015年以來(lái)，針對(duì)可重復(fù)使用高超聲速飛行器的應(yīng)用需求，重點(diǎn)圍繞著先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)部件，拓寬超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作馬赫數(shù)范圍，大型超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸縮放規(guī)律等問(wèn)題開(kāi)展研究(胡冬冬、孫藝、李文杰，2017)。
2.英國(guó)
考慮到超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)高的起動(dòng)馬赫數(shù)，英國(guó)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究始終與面向單級(jí)入軌空天飛行器應(yīng)用的組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)研究相伴隨。組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是將各種發(fā)動(dòng)機(jī)單元有機(jī)地組合到一起，功能上實(shí)現(xiàn)相互補(bǔ)充，以達(dá)到最佳的發(fā)動(dòng)機(jī)性能。20世紀(jì)80年代末，英國(guó)反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)公司在霍托兒RB545發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上提出了佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)(李文杰、耿剛、葉蕾，2017)。
該發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)質(zhì)上是一種渦輪—超燃沖壓—火箭組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)。在20多年的研發(fā)過(guò)程中，該公司對(duì)佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)方案做了4次調(diào)整，在2015年公開(kāi)的改進(jìn)方案中，燃燒室由一個(gè)燃燒室解耦為吸氣模態(tài)和火箭模態(tài)兩個(gè)獨(dú)立的燃燒室，尾噴管改為雙喉道噴管。改進(jìn)后的佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能大幅提升，制造難度大大降低，工程實(shí)現(xiàn)可行性大幅提高。
仿真分析表明，推重比基本不變情況下，改進(jìn)循環(huán)后，燃料消耗量降低40%、最大比沖可提高70%。隨著技術(shù)成熟度的不斷提高，佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)得到了越來(lái)越多的關(guān)注，并獲得了更多的經(jīng)費(fèi)支持。不僅歐洲對(duì)其青睞有加，而且美國(guó)也很認(rèn)可。美國(guó)空軍于2014年引進(jìn)并開(kāi)始研究佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)，NASA也對(duì)佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了獨(dú)立評(píng)估，驗(yàn)證了佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)方案的可行性(李文杰、耿剛、葉蕾，2017)。
2016年9月，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室在美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)(AIAA)的大會(huì)報(bào)告中首次公開(kāi)兩型基于佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)的兩級(jí)入軌空天飛行器方案。佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)方案的調(diào)整及美英應(yīng)用方案的提出，標(biāo)志著該發(fā)動(dòng)機(jī)工程實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線基本明確。另外，美國(guó)空軍評(píng)估認(rèn)為，佩刀發(fā)動(dòng)機(jī)有望在未來(lái)5～15年投入實(shí)際使用(李文杰、耿剛、葉蕾，2017)。
3.澳大利亞
澳大利亞國(guó)防科技機(jī)構(gòu)(DSTO)聯(lián)合美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室牽頭，并有多國(guó)國(guó)防機(jī)構(gòu)以及科研單位參與，在2006年啟動(dòng)了HIFiRE(HypersonicInternationalFlightResearchExperimentalProgramme)項(xiàng)目，旨在采用“經(jīng)濟(jì)、可行、原理性試驗(yàn)手段”研究重要的高超聲速現(xiàn)象，從而加速遠(yuǎn)程精確打擊飛行器的技術(shù)發(fā)展。
項(xiàng)目旨在為X-51以及后續(xù)全球遠(yuǎn)程高速打擊武器積累技術(shù)基礎(chǔ)，近期目標(biāo)為戰(zhàn)術(shù)巡航導(dǎo)彈(5～10年)，中期目標(biāo)為高超聲速飛機(jī)(10～20年)，遠(yuǎn)期目標(biāo)為吸氣式推進(jìn)的跨大氣層飛行器、空天飛機(jī)(20～30年)(鄧帆、葉友達(dá)、焦子涵等，2017)。到目前為止，該項(xiàng)目已經(jīng)完成8次飛行試驗(yàn)，作為近10年來(lái)在探索臨近空間有動(dòng)力飛行器技術(shù)方面國(guó)際參與度最高、系列試驗(yàn)次數(shù)最多、獲取飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量最大的項(xiàng)目，在氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)和推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)等多方面取得一系列有價(jià)值的數(shù)據(jù)(鄧帆、葉友達(dá)、焦子涵等，2017)。
從此項(xiàng)目可以得到一些值得借鑒的經(jīng)驗(yàn)，如由部分到整體的總體研究思想、目標(biāo)導(dǎo)向方法的應(yīng)用、跨國(guó)跨組織合作、注重發(fā)揮地面實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的作用等(周建興、佘文學(xué)，2015)。總的來(lái)說(shuō)HIFiRE項(xiàng)目基于之前HyShot、HyCUASE等項(xiàng)目的積累，利用探空火箭技術(shù)為高超聲速飛行研究提供了一個(gè)低成本、較成熟的研究平臺(tái)，對(duì)高超聲速領(lǐng)域的基礎(chǔ)問(wèn)題和現(xiàn)象開(kāi)展了研究并獲取了相關(guān)數(shù)據(jù)，為未來(lái)的高超聲速飛行器研究提供了一定的參考。
4.俄羅斯
自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，蘇聯(lián)就已經(jīng)開(kāi)始超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)研究。1962年，第一科學(xué)研究所(NII-1)建成了第一座大型自由射流試驗(yàn)設(shè)備(BMG)。1969年，中央空氣流體動(dòng)力研究院(TsAGI)開(kāi)始建造自由射流設(shè)備(T-131B)、直聯(lián)實(shí)驗(yàn)臺(tái)(T-131V)和小型風(fēng)洞(SVV-1)配套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。80年代后，又進(jìn)行了一系列自由射流實(shí)驗(yàn)(夏有財(cái)、戴順安、蘇艷，2016)。蘇聯(lián)解體后，俄羅斯近年來(lái)主要實(shí)施了“冷計(jì)劃”和“鷹計(jì)劃”。
1991—1998年，“冷計(jì)劃”的飛行器進(jìn)行了5次飛行試驗(yàn)，采用氫燃料雙模態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了由亞燃向超燃的轉(zhuǎn)變，最大飛行馬赫數(shù)為6.5。“鷹計(jì)劃”的飛行器采用升力體布局，用3臺(tái)液氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，飛行馬赫數(shù)6以上，2001年6月和2004年2月，以白楊/鐮刀(SS-25)導(dǎo)彈作為助推器進(jìn)行了試飛(夏有財(cái)、戴順安、蘇艷，2016)。
隨后，俄羅斯在高超聲速及超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的研究相對(duì)沉寂。直至2012年，才再次看到俄羅斯完成高超聲速導(dǎo)彈與載機(jī)掛架的分離試驗(yàn)消息。據(jù)悉，俄羅斯目前在開(kāi)展一項(xiàng)有關(guān)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的保密計(jì)劃，計(jì)劃中的推進(jìn)系統(tǒng)可用在洲際彈道導(dǎo)彈上進(jìn)行導(dǎo)彈防御(姜鵬、匡宇、謝小平等，2017)。
5.法國(guó)
法國(guó)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的研究始于20世紀(jì)60年代。60年代末就已建造了高超聲速風(fēng)洞S4MA，70年代初在ESOPE計(jì)劃中進(jìn)行了馬赫數(shù)7的燃燒實(shí)驗(yàn)和馬赫數(shù)6的直聯(lián)式實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì)90年代，法國(guó)在國(guó)防部等單位的領(lǐng)導(dǎo)下開(kāi)始實(shí)施先進(jìn)的高超音速推進(jìn)技術(shù)與研究計(jì)劃(PREPHA計(jì)劃)(夏有財(cái)、戴順安、蘇艷，2016)。
該計(jì)劃重點(diǎn)研究氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與地面試驗(yàn)，包括：超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)與地面試驗(yàn)、試驗(yàn)設(shè)備的建設(shè)、計(jì)算程序和物理模型的發(fā)展、材料技術(shù)和總體設(shè)計(jì)技術(shù)的研究，主要研究用于大型飛行器的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)(袁春飛、仇小杰，2016)。此外，法國(guó)還與俄羅斯的中央航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院(CIAM)合作，用助推器發(fā)射以軸對(duì)稱構(gòu)型氫燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為推進(jìn)系統(tǒng)的高超聲速飛行器，以便初步了解超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行狀態(tài)下的工作性能(袁春飛、仇小杰，2016)。在法國(guó)政府的支持下，歐洲導(dǎo)彈集團(tuán)公司(MBDA)在20世紀(jì)90年代與俄羅斯莫斯科航空學(xué)院(MAI)合作，進(jìn)行了幾何結(jié)構(gòu)可調(diào)的寬?cǎi)R赫數(shù)雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研究(夏有財(cái)、戴順安、蘇艷，2016)。
為初步研究高超聲速巡航導(dǎo)彈推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和使用技術(shù)，并能直接考慮某些作戰(zhàn)限制因素，1999年，法國(guó)國(guó)防部正式啟動(dòng)PEOMETHEE項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在研究固沖發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)技術(shù)難題(王志吉、夏智勛、羅振兵等，2001)。同時(shí)，法國(guó)還與俄羅斯、德國(guó)進(jìn)行了大量合作，如法國(guó)與俄羅斯合作開(kāi)展了馬赫數(shù)3～12的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目、火箭搭載的飛行試驗(yàn)等(夏有財(cái)、戴順安、蘇艷，2016)。
6.其他國(guó)家
德國(guó)早在1987年就開(kāi)始了一項(xiàng)高超聲速技術(shù)儲(chǔ)備計(jì)劃，1993年與俄羅斯合作進(jìn)行了馬赫數(shù)6狀態(tài)下燃燒室試驗(yàn)，同時(shí)在馬赫數(shù)5和6的狀態(tài)下對(duì)縮尺矩形超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。自1995年起，對(duì)HFK系列(HFK-L1、HFK-L2、HFK-E0、HFK-E1)高超聲速導(dǎo)彈進(jìn)行了多次試驗(yàn)，最大飛行馬赫數(shù)6～7(夏有財(cái)、戴順安、蘇艷，2016)。日本從70年代開(kāi)始了超聲速燃燒基礎(chǔ)研究。
1993年在Kakuda研究中心的國(guó)家航空航天實(shí)驗(yàn)室(NALKRC)建造了自由射流試驗(yàn)設(shè)備(RJTF)，能夠模擬馬赫數(shù)4、6、8的飛行條件。1997年在NALKRC安裝了一個(gè)大型、自由活塞、高焓激波風(fēng)洞(HEIST)，能夠進(jìn)行馬赫數(shù)8～15速度范圍內(nèi)的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)。自20世紀(jì)90年代起，日本開(kāi)展了為期10年的超聲速/高超聲速運(yùn)輸推進(jìn)系統(tǒng)(HYPR)計(jì)劃，美、英、法等國(guó)公司也有參與，重點(diǎn)研制大推力高速度的TBCC(渦輪基組合循環(huán))發(fā)動(dòng)機(jī)(夏有財(cái)、戴順安、蘇艷，2016)。
2003年，NALKRC與日本宇宙開(kāi)發(fā)事業(yè)集團(tuán)(NASDA)、日本空間科學(xué)研究所(IASA)合并為日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)，繼續(xù)開(kāi)展超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究。對(duì)我國(guó)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的建議：
(1)加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)與統(tǒng)籌規(guī)劃，形成技術(shù)儲(chǔ)備。基于我國(guó)目前在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域各研究機(jī)構(gòu)在研究方向上相對(duì)分散的現(xiàn)狀，建議在國(guó)家層面上，對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)所涉及的研究領(lǐng)域與突破方向進(jìn)行總體規(guī)劃，部署高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)重點(diǎn)專項(xiàng)，在制度層面上保證我國(guó)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)總體研究計(jì)劃的執(zhí)行，有條不紊地建立我國(guó)在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工程應(yīng)用所需的各項(xiàng)技術(shù)儲(chǔ)備。
(2)進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題研究。火、火焰?zhèn)鞑ヅc火焰穩(wěn)定、碳?xì)淙剂系脑敿?xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,以及壁面熱防護(hù)等。由于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的復(fù)雜性，以及相關(guān)過(guò)程間的強(qiáng)耦合性，使得目前還未對(duì)這些現(xiàn)象進(jìn)行圓滿的解釋，進(jìn)而限制了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)過(guò)程機(jī)理的揭示。因此，建議進(jìn)一步加大對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題研究的支持力度，從而為相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的突破提供強(qiáng)力支撐。
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