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戍天九思:我国组合动力发动机首飞成功!空天飞机又取得重大突破!

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发表于 2020-9-27 15:34:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
  2020年9月21日,西安航天动力研究所(航天六院十二所)官方微信公众号发布了题为《十年艰难求索路一飞冲天震九霄——我所研制的某组合动力发动机首飞成功》的文章,透露重磅消息:中国的国产新型组合动力发动机,刚刚首飞成功了!笔者戍天九思认为,这是我国9月4日至6日成功发射并回收空天飞机之后又一举世关注的重大突破!标志着中国正加速进入属于自己的空天飞机时代!

  这次首飞成功的可能是火箭基组合循环发动机

  从吸气式发动机性能随马赫数变化曲线看,有如下规律:

  ①0—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。可在高度30公里以下的大气层飞行。

  ②3—5马赫:采用碳氢燃料的亚燃冲压发动机的有利工作范围。可在高度30公里—60公里临近空间飞行。

  ③4—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。可在高度30公里—100公里的临近空间飞行。

  ④10马赫以上,只能用火箭发动机,吸气式发动机已经很难达到较高工作效率。可在高度100公里以上的太空飞行。

  因此,目前常用的空天组合动力发动机,根据动力组合方式的不同,主要有3种形式:

  ①涡轮基组合循环发动机:即“涡轮发动机+冲压发动机”组合。有了这种空天组合发动机,空天飞机才能实现从普通机场起飞。中国“腾云工程”就是要研发出这种空天组合发动机。但是,这种空天组合发动机效率最高,研发难度最大,也是最先进、最经济实惠的一种。

  ②火箭基组合循环发动机:即“火箭发动机+冲压发动机”组合。这种空天组合发动机研发难度比涡轮基组合循环发动机小一点,但是,经济性、实用性不如涡轮基组合循环发动机。即使有了这种空天组合发动机,空天飞机也不能实现从普通机场起飞,也只能火箭发射起飞。

  ③空气涡轮火箭发动机:即“涡轮发动机+火箭发动机”组合。这种空天组合发动机研发难度最小,因为涡轮发动机和火箭发动机都有成熟的技术,只需要解决发动机循环点火起动问题,但是还是效率相对较低。

  从报道情况看,笔者认为:这次首飞成功可能还是火箭基组合循环发动机!还不是最先进的涡轮基组合循环发动机!为什么?

  首先,报道称:“伴随着巨大的响声,一支穿云箭划破宁静,缕缕白烟在蓝天与黄沙的映衬下分外惹眼,仿佛架起天与地连接的桥梁。”说明这是火箭助推发射时的场景,也称“火箭引射过程”,此时与吸气式发动机并联的火箭发动机开始点火,从地面开始起飞,速度在0—3马赫之间。

  其次,报道称:“进一步验证了真实飞行状态、来流条件下发动机各项关键技术”。从“来流”这个术语分析,可以确定与火箭发动机组合的确为一种“吸气式发动机”。报道中还附有该组合动力发动机总师张蒙正的一首诗“启动顺利流道畅,点火迅速室压高”,说明很有可能是超燃冲压发动机或亚燃/超燃组合发动机,而且模态转换巧妙自如,产生了极高的功率增益,试验获得了圆满成功。

  再次,联想到2018年8月3日央视报道:我国乘波体星空-2高超声速试验获得巨大成功,实现高度30Km,马赫数5.5—6飞行窗口自主飞行400秒以上。说明这种吸气式发动机应该是超燃冲压发动机或亚燃/超燃组合发动机。

  因此,笔者戍天九思综合认为:首飞成功是火箭基组合循环发动机,不是涡轮基组合循环发动机。虽然我们已经掌握了火箭发动机和超燃冲压发动机这两种发动机技术,而且高空高速涡轮发动机技术(双3技术:3万米、3马赫)也已突破,但如果是涡轮基组合循环发动机可能就会挂载到飞机试飞,而不是火箭发射。即便如此,也是了不起的重大突破!可以说是全球首个空天组合动力发动机试飞成功!

  美国的空天组合发动机主要卡在超燃冲压发动机技术上!美国的X-51A高超音速飞行器首次动力试飞时发动机只工作了120多秒,全部3次试飞,发动机工作从未达到美军期望的300秒目标。但是,美国有“黑鸟”(SR-71)和“黑鸟之子”(SR-72)高空高速涡轮发动机技术的先发优势,一旦突破了超燃冲压发动机技术,就可能一步到位,掌握最先进的涡轮基组合循环发动机技术。

  为什么说中国的“腾云工程”比美国X37B还要先进?

  可重复使用的航天器大体分三大类:

  第一大类是飞船类,基本的技术特征是垂直发射、垂直回收。

  第二大类是航天飞机类,基本特征是垂直发射,水平降落回收。

  第三类就是空天飞机类,基本的技术特征是水平升空、水平降落回收。

  按照这个分类,大家可以看出美国的X37B还只能是垂直发射、水平降落回收,还不能实现水平升空,因此目前仍然只能算是小一号的航天飞机。如果下一步美国突破了空天组合动力发动机技术,X37B也能通过“大飞机”从普通机场起飞升空,才是真正意义上的空天飞机。

  2018年3月6日,央视新闻报道称,航天三院正在研制一种用于天地往返运输并可重要重复使用的“空天飞机”,该工程被称为“腾云工程”。当时,航天科工集团三院院长张红文介绍,“腾云工程”技术方案的先进性远远领先于美国目前天地运输系统以及轨道飞行器。

  笔者认为,“腾云工程”先进性就体现在可从普通机场水平升空、水平降落回收,属于真正意义上的空天飞机。当然,比美国的X37B要先进。

  从当时报道模型看,中国“腾云工程”模型分为两大部分:空天载机部分和空天飞机部分。
  今年9月4日至6日成功发射并回收应该是上面的空天飞机部分。而“腾云工程”模型中下面的“大飞机”(空天载机部分),才是该两级入轨系统的“主角”,也是技术难度最大的部分。这次组合动力发动机首飞成功,说明“腾云工程”中最大的拦路虎——空天载机部分(模型中的“大飞机”)心脏——组合动力发动机问题已初步解决。说明中国是世界上最早宣布空天组合动力发动机成功首飞的国家!也是在火箭基组合循环发动机上研制进展最快的国家!中国空天飞机研发又前进了一大步!

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