中国运行高超风洞时速达1万公里 助力发展空天飞机

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  最近中国航天出了一个大新闻,实验成功10马赫风洞技术,在5毫秒时间内,氢气在速度近3千米/秒(10000公里/小时)空气中的超声速自主燃烧,并获得了超声速燃烧模态下的试验数据和火焰图像。

  

  这高超音速风洞是带火焰的,确实稀罕

  而承载此次试验的是航天十一院自主研发建造的我国首座、国际最大口径自由活塞驱动高能脉冲型风洞,此次氢氧燃烧推进试验,一举攻克了超高速超燃冲压发动机地面试验的两大关键技术性难题,一是通过极为精确的时序控制技术,在百分之一的眨眼时间(5毫秒)内实现了氢燃料与速度近3千米/秒(10000公里/小时)空气之间的空间交汇,并且达到“你中有我,我中有你”的水乳交融状态;二是利用光壁横向喷注与凹腔稳焰相结合的技术,实现了氢燃料的超声速点火与稳定燃烧,这好比在高强度龙卷风中实现了一根火柴的点燃及稳定燃烧。

  

  追求速度永无止境,2-3马赫飞行的喷气飞机不够用了,世界开始迈向空天一体化作战,需要更快速度

  此项试验的成功,不仅标志着该院的高能脉冲风洞正式迈入实用化阶段、真正成为先进飞行器的孵化器,更表明此风洞的3千米/秒(10000公里/小时、马赫10)量级氢氧燃烧推进试验能力取得关键性突破,从而为我国的超高速超燃冲压发动机研究提供了良好的技术储备。此举将大幅加快天地往返运输系统动力技术的革新进程,促进现有动力的“开弓没有回头箭”难题的解决,从而实现真正的“腾云驾雾”、灵活自由地穿梭于天地间。

  对于这个新闻的解读,其实可以分成2个关键词,一个是超燃冲压发动机,另外一个就是天地往返运输系统动力技术,简单来说就是空天飞机,当然从逻辑上是很明显的,要搞好空天飞机,最好的技术路径就是超燃冲压发动机。

  其实从速度来看,普通火箭发动机推进的洲际导弹弹头速度都可以达到30马赫,但是火箭发动机由于推进剂全部需要自己携带,使用火箭发动机推送载荷上天价格昂贵,所以科学家就把点子打到大气层的氧气上,高速高空发动机能不能不带氧气,剩一半燃料,所以这就是超燃冲压发动机的来由。

  超燃冲压发动机是最近几十年出现的新概念,简单来说吸气发动机燃烧速度有几种,一种是亚燃发动机(亚音速燃烧发动机)所有的航空用的发动机几乎都是,包括涡喷涡扇发动机都算,普通涡扇发动机或者涡喷发动机的工作极限就是3马赫,超过这个速度,叶片增压就失去效果,只能采用冲压发动机设计。

  

  中国已经掌握4马赫冲压发动机技术,某些型号导弹采用了这项技术

  在这个基础上还有超音速冲压燃烧发动机,这种发动机工作速度一般在6马赫以下,而6马赫以上则必须使用超燃冲压发动机,超燃发动机工作速度在6马赫以上,单位推力是所有类型发动机冠军,所以这是全世界高超音速飞行的热点。

  

  速度6马赫以上,超燃冲压效果最好

  6马赫以上带来了一个很大的麻烦,速度太快之后,使得滞止温度太高,从而导致燃料发生严重的离解失效问题,而且加上燃烧速度过快,所以这是一个天大的技术难题,所以全世界都追求几十年,但是一直没搞定,中国航天第一次实现10马赫高超风洞,算是开了一个好头,中国的空天飞机,将从这里起飞。

  实际上,这个风洞公开的指标是测试指标是3-30马赫,高度20-100公里,实际上来说,20公里以下,3马赫以下,还是需要依靠别的动力,比如喷气发动机,或者火箭发动机,实际上空天飞机还是真不轻松,一种发动机通吃,还做不到。(作者署名:大水)

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