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金脉国际_中国高超声速武器或面临越飞越慢困境 需解决一难题!

发布日期:2020-01-11 10:18:12 查看次数: 1052 

核心提示: 目前美国和中国,都把能自主起降的超高声速飞行器作为极其重要的研发突破方向。比如SR71的冲压发动机是亚声速燃烧的,虽然飞机以三倍声速飞行,但气流在进气道内会减速到亚声速状态与燃料混合并持续燃烧,产生燃气和喷流。随着飞行速度进一步提高,还将气流减速增压到亚声速状态下,会导致气流的压力和温度急剧升高。再加上超高速下的巨大空气阻力,最后飞行器的推力在整体上只能表现成负值,越飞反而越慢。

金脉国际_中国高超声速武器或面临越飞越慢困境 需解决一难题

金脉国际,目前美国和中国,都把能自主起降的超高声速飞行器作为极其重要的研发突破方向。

而这其中最核心的一个技术难点在于,在极高的速度下——甚至连燃烧都必须在超声速气流中进行时,多数人在中学里学习到的化学知识,将会在极大程度上失效、被颠覆。

今天的SR72和SR71动力上有类似的地方,也是涡轮/冲压不同模式组合的变循环设计。在2.x倍声速和以下,它们的发动机以涡喷的形式工作,满足飞机的起飞降落能力需求,并能把飞机加速到冲压发动机启动所需的高速飞行状态。

飞机超声速飞行产生的激波,是高速阻力的主要来源

高超声速飞行器普遍使用前机身作为压缩面,气流会在前机身和进气道产生的激波中不断减速,最后才参与燃烧。

而在更高的速度下,它们的发动机会以冲压发动机形式工作。比如SR71的冲压发动机是亚声速燃烧的,虽然飞机以三倍声速飞行,但气流在进气道内会减速到亚声速状态与燃料混合并持续燃烧,产生燃气和喷流。

但是这种做法有很大的局限性。随着飞行速度进一步提高,还将气流减速增压到亚声速状态下,会导致气流的压力和温度急剧升高。这个时候,碳氢燃料(比如航空煤油)的燃烧过程就会开始超出传统的化学反应范畴,开始出现显著的离解反应:

作为燃烧产物的水和二氧化碳,会大量吸收热量,分解成氢、氧、一氧化碳、氢氧基等等。

以一个大气压作为燃烧室压力的前提进行计算,即使是高超声速飞行器在最寒冷的同温层(中高纬度地区平均温度-45摄氏度)飞行,从三倍声速跨越到五倍声速时,气流总温也会从610K(337摄氏度)提升到1300K(1027摄氏度);但燃气温度,却是从2600K(2300度)左右提升到了不到3000K(2700度)。

SR71上,离解效应的推力损失还并不明显

这意味着燃烧过程的温度增加幅度,从2000度降低到1600多度——因为解离效应开始急剧增强了,比如水分子的解离比率从30%提升到60%。而速度一旦提升到八倍声速,燃烧升温将不到600度——超过80%的水都会被解离掉。

燃料燃烧释放的热能,最后被用在了把水和二氧化碳分解成更小的单位上——这带来的后果很可怕,燃烧变得非常不稳定,而且推力急剧降低。再加上超高速下的巨大空气阻力,最后飞行器的推力在整体上只能表现成负值,越飞反而越慢。

解决这个问题的办法,是必须要降低进入冲压发动机内部的空气温度——这就是说,不能让气流在参与燃烧之前,减速减的太厉害了。这就是超燃冲压的由来——从进气道进入发动机内的空气,将会在超声速的流动速度下与燃油混合、并进行燃烧。

X51上,正推力加速能力依然很弱,而且动力时间还是只能以秒计算

这带来了极其巨大的困难:火焰的传播本身就是有速度极限的,在超声速状态下,燃烧过程将在非常有限的空间内,必须要在几毫秒甚至1毫秒的时间内完成。这种难度远远超出点燃一根暴露在龙卷风中的火柴,并让它全部烧完的要求。

实际上,人类能让超高声速的冲压飞行器实现正加速——而且加速非常缓慢、持续时间非常短(以秒计算),也不过就是这几年的事情。

中国近几十年内,能实用化的高超飞行器在5-6倍声速范围内

要降低气流温度,提高能量利用效率,就必须让气流拥有更高的速度——从1.x倍声速放宽到2.x甚至更高;但气流速度每增加一点,实现稳定、高效燃烧的难度,都在翻着倍、甚至是指数级的增长。

从目前的技术水平看,5-6倍声速的冲压飞行器,或许再过20、30年我们能看见实用化,而8-10倍音速的,仍然将遥遥无期——这个、甚至是更高的速度范围,将被无动力的高超声速滑翔飞行器长期统治,并成为各国防空反导系统的头号威胁。(作者署名:候知健)