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2019年01月10日 18:31:09

来源:炮火笔记

近日,据其他媒体报道,我国自主研发的涡轮基组合循环发动机(TBCC)已经完成试飞验证,标志着国产新一代高超声速无人机已经或者即将研制成功,这是国产飞机和发动机一个技术突破。TBCC发动机飞行试验项目由航空工业成都所总设计师王海峰领导,表明该发动机已完成发动机本身的研发阶段,进入飞机-发动机集成测试阶段,这是我国发展下一代高超音速无人机的重要一步。

大家都知道,即使是高超声速飞行器也必须从速度为零开始起飞,不同速度和高度范围内的要采用不同种类发动机,如涡轮发动机、冲压发动机,或火箭发动机等,还没有一种发动机可以独自“包打”全部飞行包线。

国产版SR-72发动机完成试飞 什么是涡轮冲压组合动力?
从地面速度为0时起飞算起,假设飞到10马赫的高超声速区,各类发动机的主要工作区间为:

(1)0~3马赫:采用燃气涡轮类发动机/亚燃冲压发动机的有利工作范围,如米格-25、“黑鸟”等,而黑鸟在3马赫时已经采用冲压动力。

(2)3~5马赫:采用碳氢燃料的亚燃冲压发动机的有利工作范围。

(3)4~10马赫:采用碳氢燃料的超燃冲压发动机的有利工作范围,其中亚燃冲压发动机转换到超燃区域的速度在4~5马赫左右。

而10倍声速以上的速度区域,就要考虑火箭发动机了,吸气式发动机已经很难在这个区域达到较高的工作效率。

因此,为了兼顾安全性、经济性和作战效能的综合要求,将不同类型的发动机组合在一起工作是保证高超声速飞行器在宽广的飞行包线范围内高效率可靠工作的关键技术,这就需要将两种以上不同类型的发动机组合,成为一款组合式动力装置。而目前组合动力装置可分为两大类型:组合推进系统(Combined Propulsion System)和组合循环推进系统(Combined-Cycle Propulsion System)。在组合推进系统中,各发动机是相互独立的单元,分别安装在飞行器上,两者之间没有功能上和物理上的相互作用与影响,比较有代表性的是用火箭发动机助推的冲压发动机。

而在组合循环推进系统中,各发动机单元相互补充,不论在物理结构上还是在功能上都密不可分。这种组合循环推进方式决定了发动机必须在不同模式下工作,以便在各种飞行条件下都能发挥出最佳性能。目前组合循环推进系统又可分为3 类:涡轮基组合动力(TBCC)、火箭基组合动力(RBCC)和脉冲爆震发动机(PDE)基的组合动力(PDEBCC)。其中TBCC 是目前最有希望获得成功的组合动力,也具有很好的工程应用前景。

常见的TBCC都是由燃气涡轮发动机和亚/超燃冲压发动机组成,依据两种类型发动机的组合特点,可分为上下并联型和共轴型。

并联型TBCC方案的特点在于两类发动机空气流道独立,上下并排放置。并联方案的缺点是迎风面积较大、重量较重,并且需与机身进行复杂集成等;但优点是结构简单,共用部件较少,需要调节的部件少,高速下的热防护难度较低,可利用现有成熟燃气涡轮发动机作为涡轮加速器。因此,有些科研项目还是将并联型TBCC当作主要研究方向的,例如美国DARPA于2017年开展的“先进全状态发动机”(AFRE)项目就采用并联式TBCC,将采用现有F405-RR-402发动机作为涡轮动力部分,配合冲压发动机要达到最高速度5马赫。AFRE项目要求在2020财年前后完成全尺寸TBCC模态转换地面试验,如果成功DARPA有望在2025年前后完成基于TBCC的高超声速飞机验证机首飞。

国产版SR-72发动机完成试飞 什么是涡轮冲压组合动力?
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国产版SR-72发动机完成试飞 什么是涡轮冲压组合动力?
[i]美国AFRE项目组合发动机的原理示意[/i]

共轴型又可分两种:环绕型和串联型,而环绕型布局也是因发动机迎面面积较大和热防护要求高,因此现在研究较多的是共轴串联型。与并联方案相比,串联型的特点在于两类发动机共用更多的部件,包括进气道、外涵道、加力燃烧室(冲压燃烧室)和喷管等,使结构更为紧凑、重量更为轻巧、迎风面积更小。当然,串联式TBCC需要付出的代价主要是保证共用部件在超宽工作范围内稳定工作所需要的可调部件数目更多、调节范围更宽,对本不需要在超高速度下工作的涡轮发动机的热防护要求也更高。

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例如,为保证某串联式TBCC方案在0~5马赫,高度0~30km内都具有良好的匹配性能,其进气道、组合动力、喷管等部件的的调节机构至少需要11个,基本上每个部件都要有可调节的部分。

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经过国内外的长期研究和探索,TBCC方案的关键技术问题有发动机和飞行器一体化设计技术、超宽工作范围进排气系统设计技术、高马赫数变循环发动机设计技术(最大速度在3.5~4马赫以上)、涡轮/冲压组合动力热防护技术、高精度数值仿真分析工具的建立及验证技术、涡轮/冲压组合动力部件及整机试验与测试技术等。

有关TBCC最知名的产品应该是美国普惠公司于1956开研发的J58发动机,就是SR-71“黑鸟”的发动机,它是一款采用串联式组合的动力方案,而回顾之前有的报道,国内的TBCC应该也是采用串联方案的。

国产版SR-72发动机完成试飞 什么是涡轮冲压组合动力?
国产版SR-72发动机完成试飞 什么是涡轮冲压组合动力?
[i]J58发动机及其不同速度下的工作状态。[/i]

国内研究组合动力系统实际上也不算晚,从20世纪80年代起,国内多家单位在TBCC发动机技术领域陆续开展了研究,如航空航天单位、中科院系统和大学等等,但当时研究更多地是处于跟踪研究阶段,经费支持也不足以进行型号研发。21世纪以来,受国外TBCC发动机研究及新的军事需求影响,国内又将TBCC发动机技术作为高超声速飞行器动力领域研究的重要方向之一,参与单位和投人经费逐步增多,对串并联式TBCC发动机都开展了系统性研究,并进行了部件级的模型试验研究。而前文报道的研发阶段性进展,就是多年来科研人员潜心研究的成果。

此前外界推测中国正在研制一种高超声速无人机,其飞行速度据说和美国正在研发的SR-72相当,而SR-72也将采用组合式动力装置,因此可以说这个消息似乎证实了这个推测,考虑到技术难度、进度、成本等方面原因,首先将TBCC应用于相对简单的无人机显是一个理想的选择。而在未来技术成熟成后,TBCC发动机还可用于轨道飞行器的第1级推进系统、高超声速导弹的动力系统,以及高超声速载人飞机的推进系统等。

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[i]珠海航展上中国航天科技集团发布的“腾云”无人机模型,似乎是应用TBCC的飞机方案之一。[/i]

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