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中国研发出4.5倍音速发动机,要用在何处?

  根据光明日报的公开报道,我国目前已经成功研制出4.5倍音速的新型冲压发动机,而上一代产品则在3倍音速左右。围绕这个新闻,可以挖据出三个很有意思的问题:第一,冲压发动机有什么意义?第二,冲压发动机难点何在?第三,新闻中的发动机具体将会用在哪里?

  第一个问题,冲压发动机是各类飞行器(包括飞机、导弹等),在大气层以内、进行高速飞行任务时最为经济的动力。传统的超音速飞机采用的吸气推进发动机,比如涡轮喷气发动机和涡轮喷气风扇发动机,在高速下阻力会变得越来越大而推力变得越来越小,很难做到3倍音速以上。

  而不用从外界吸收空气的火箭发动机,它的工作状态虽然不受飞行速度影响,但是由于要自带氧化剂,同样吨位和尺寸限制下采用火箭动力的飞行器要少带一半的燃料;换句话说飞机的航程、导弹的射程都直接要打对折不止。而且现代火箭发动机多采用高能固体燃料(其实就是严格控制燃烧速度的高能炸药),药柱尺寸越大,对于材料和工艺控制的要求越高,产品合格率越低,随着射程增加其造价会不成比例的暴涨。

  冲压发动机在高速下工作时,推力大阻力低,而且本身结构轻巧简单。仅以高超音速导弹来说,采用冲压发动机,可以在相同的吨位尺寸下做出射程翻倍的产品;或者保持射程不变的情况下体积做的更小,武器系统可以一次携带更多的导弹数量。

  冲压发动机实际应用的几个主要难点,首先在于它只能在高速飞行获得足够进气压力时才能启动。针对启动速度的问题,不同的飞行器有不同的处理方式。比如SR71黑鸟,它的J58发动机在低速时以涡喷模式工作,在加速完成后转换为冲压模式。而对于导弹(尤其是非空射型的),则通常使用固体火箭助推器进行辅助加速。

  其次的难点在于结构部件有着很强的耐高温高强度要求,最后也是最大的难点,则是保证燃料能与空气均匀的混合并可靠的点火、持续稳定燃烧——尤其是在导弹进行机动飞行,进气道的角度等情况始终处于变化过程中时。而速度越高,这方面的难度就越大。比如3倍音速提升到4.5倍音速以后,碰到的难题之一,就是进气道内的气流温度也会随之急剧升高,对燃烧过程形成巨大的负面影响。

  高温空气与燃料混合燃烧以后,生成的二氧化碳和水蒸气会进一步开始解离;分解出大量的一氧化碳、羟基、原子态的氧和氢,在5倍音速时,燃烧生成的水分就能有60%被解离掉——而解离二氧化碳和水分的能量,都来自于燃料本身的燃烧释放。这种现象不仅导致了燃烧过程本身的高度不稳定,也导致了发动机推力的急剧下降,是阻碍冲压发动机进行高超音速飞行的关键因素之一,被称为“高超声障”。

  最后从应用前景来看,由于发动机自身限制、以及热障和高压等问题,目前要制造大吨位大尺寸的4.5倍音速级飞行器——比如载人飞机或者大中型无人机,还存在极大的困难;唯一可行的工程用途,就是开发远程高速导弹。而再进一步具体的话,无论是超远程空对空导弹(用于打预警机等大型空中目标)、远程反舰/对敌导弹都在可能性范围之内;或许数年之后,我们就能见到此类产品的公开亮相。

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