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全球首创! 中国突破爆震发动机禁锢,美国说中国将主宰未来空战
干史人聃者徐也

上世纪50年代,涡扇发动机问世后,凭借卓越的性能迅速占领了民用和军用的市场。

由于航空发动机制造门槛高,发动机制造商很快集中到今天的“三巨头”手中——英国的罗尔斯·罗伊斯,美国的通用和普惠公司。

发动机作为飞机的核心部件,自然也是利润最高的一部分,这让后面进入航空业的公司非常尴尬和不服气,为了打破“三巨头”的局面,以霍尼韦尔为代表的企业开始资助各大高校研究新一代航空发动机,要求更快、更节能。

在这种情况下,1957年美国的J.A.尼科尔斯第一个提出了爆震发动机的概念,并制作了样机,实现了理论到实际。

紧盯美国的苏联不甘示弱,在第三年也推出了同样概念的样机,一下让爆震发动机提升了新高度,从市场竞争变成了国与国的竞争,双方在后续中你追我赶,但在经过10年的竞争后,美苏两国不约而同地停止了爆震发动机项目。

因为这玩意太难了。爆燃是以亚音速传播的燃烧波,属于化学爆炸释放热量的一种形式,在极短时间内形成巨大火球、蘑菇云等现象和极高的温度。

因为这些特性,制造爆震发动机有三大难点:

第一,同时制造爆震波。如何让燃料在燃烧室内同时爆燃,而不是被点燃或依次爆燃。这涉及到燃料和点火方式的选择、升级;

第二,爆震波的传播控制。爆燃是微型爆炸,产生速度极快的冲击波,达到每秒几千米,如何让这些冲击波往一个方向持续用力,而不是相互抵消,且还是可控的,否则的话飞机就成了无头乱窜的苍蝇;

第三,材料技术。爆燃不仅是在高温高压环境下发生,而且冲击波以亚音速进行传播,燃烧室需要承受的冲击力是普通燃烧室的数百倍,这可不是一般材料能够做到的。

正是这三方面的制造和实现难度困住了美苏两大巨头。美国和苏联在爆震发动机的研究上早早把理论做到了极致,却苦于无法制造和实现。

好比现在的光刻机,其制造原理和理论我们都清楚,但苦于没有极紫外光(EUV)发生器,我们只能“干瞪眼”。

当年航空发动机还被称为“工业王冠”上的明珠时,中国的涡扇-10“太行”发动机和涡扇-15“峨眉”发动机在很长一段时间就是处在能设计,但无法制造的尴尬境地。

2009年开始,中国为了在发动机领域实现对欧美的弯道超车,开始发力,加入爆震发动机赛道。

美苏当时对此的态度是“你请便”,甚至嘲讽我们“步子迈太大会扯得蛋痛。”

因为事实上,爆震发动机的真正用途是空天飞机。涡扇发动机的飞行是利用发动机最前方的风扇吸入大量空气,燃烧加热后高速喷射到外部做功,从而获得推力,将飞行器向前高速推进。

空天飞机要求在大气层外飞行,那里没有空气,是涡扇发动机的禁区。爆震发动机正是一种完全基于反作用力工作模式的发动机,只要氧化剂而无需空气,就是为空天飞行而生的。

中国研究者进入这个赛道后,首先利用数学模型对三种爆震发动机——旋转爆震发动机、脉冲爆震发动机和斜爆震发动机进行了分析。

旋转爆震发动机、脉冲爆震发动机和斜爆震发动机,它们的核心区别是:

旋转爆震发动机,为了控制爆震波,特意将燃烧室设计成环形激波结构,让爆震波在发动机舱内形成稳定的旋转。这种工作方式好处是无需频繁点火,燃料与氧化剂在后方爆燃,爆震波通过环形结构被一波一波的稳定传递出去。

旋转爆震发动机优点多多,燃烧室设计紧凑,推重比高,适合长时间工作,不过这种结构成也萧何败也萧何。

环形结构提供稳定推力的同时,也因长长的环道自身消耗了太多的推力,让整体推重比还是不够,可以实现超音速,但无法实现高超音速。

脉冲爆震发动机,顾名思义,间歇性爆震,它的做功曲线是长条状的脉冲曲线图,有规律的波峰波谷,过程犹如开汽车时间歇性地一会儿猛踩油门,一会儿踩急刹车。

脉冲爆震发动机原理几乎将爆燃特性完全一致地复制出来,所以优点很突出,结构简单,只需要爆震波向后单向传播即可。但缺点也很突出,这种结构让爆燃如“坐过山车”,不仅循环效率损失大,难以控制,而且超音速和急刹车的飞行方式犹如“跳楼机”让人根本无法承受,所以只能应用在导弹和无人机这种高推重比、短时工作的设备上。

前面两种爆震发动机最大问题是无法实现爆震波的一加一大于二,所以其速度的天花板在5-6马赫以下。

斜爆震发动机是三种发动机中唯一能实现爆震波一加一大于二的一款,它利用了斜激波原理。

当超音速波纹飞行过程中遇到楔形表面时,会沿着物体表面传播并相互叠加,最终形成一个斜交的波阵面,即斜激波。

斜爆震发动机能精确控制速度、压力,输出稳定的斜爆震,难度是那块斜板,谁能先研究出这块斜板的形状、角度与燃烧室的最佳匹配,谁就能掌控斜爆震发动机。

因为斜爆震发动机能让爆震波叠加,所以做功大速度快,能支持8马赫以上的高超音速飞行,如空天飞机。

随后,中国瞄准最难的斜爆震发动机开始研制工作。2016年,完成了首次斜爆震燃烧直连试验,实现了斜爆震波的成功叠加触发,且驻定时间达到430毫秒。在2017年推出了660毫米直径的试验性样机。

样机中,中国开创性的提出了多道斜面,制造多道斜激波,多次形成叠加完成功率放大的方案。

为了实现这个技术,科研人员脑洞大开,利用发动机自身产生的激波压缩气流,这就形成完成燃料混合的同时正好是触发第二次爆燃的最佳时机。此时使用激光、热射流、磁流体点燃,产生出新的激波,一波未平一波又起,正好和前面的激波形成叠加。

这是外国学者不敢想的,因为他们连一次叠加的斜爆震发动机都没制造出来。斜爆震发动机的理论和结构说出来都非常简单,但设计却十分复杂,给你图纸依葫芦画瓢,你都可能把葫芦画成丝瓜。

激波本身分多种,子弹产生圆锥激波,原子弹爆炸先产生正激波,还有一种离体激波……实际上这些激波是同时产生,只是哪一种占的比重大。

首先是如何让燃爆产生尽可能多的斜激波,并得到我们想要的传播角度,那么起爆位置就非常关键。

而且起爆位置和产生叠加的斜面戚戚相关,牵一发而动全身,实际的激波流动中还会存在边界层和湍流问题,激波和爆震波在壁面的反射问题和动态稳定性问题……

以上这些是斜爆震发动机的重中之重和不可预测因素,一步错,步步错。注定了这些可不是靠设计或计算能解决的,这就要用到一个东西——高超音速风洞,中国在此领域独步全球,说第二没人敢说第一

近日,香港《南华早报》报道,依托于全球最先进的JF12高超音速激波风洞,中国科学家成功测试了全球首台斜爆震发动机,从而引发全球关注。

这是世界上第一台使用煤油且速度高达16马赫的新型航发,从试验参数来看,在20公里的高空飞行了十多分钟,每小时飞行速度20000公里,一个小时能够到达全球任意地点。

这台斜爆震发动机相较于传统的超音速冲压发动机,燃烧室缩短了85%,大幅减重。

它的问世不仅意味着中国实现空天飞行,而且说明中国第六代战机最大的“心脏病”问题已经解决。打破了国外对中国2024年在毛主席诞辰日那天试飞的第六代战机的质疑,进一步证明,中国确实做到了。

因为在全球公认的第六代战机标准中,关于动力的一个关键指标是不仅要求高超音速飞行,而且必须是能往返大气层飞行的空天飞机,无限变轨。

斜爆震发动机还能应用于洲际导弹、防空导弹、航天火箭、大气层边缘飞行器、无人机等领域,速度就是战斗力,将无限放大这些飞行器的优势。

中国一旦全面装备斜爆震发动机,必将形成对全球空军装备的降维打击。先辈小米加步枪血战日寇,炒面加手榴弹浴血朝鲜半岛的时代一去不复返,将来作战,将是敌人以血肉之躯对抗我们的“机甲钢拳”。

装备斜爆震发动机的高音速无人侦察机,将如虎添翼,上可打卫星,下可降维打击美国海陆空各种装备,16马赫的飞行速度,对手打不了追不上,如入无人之境;

装备斜爆震发动机的导弹将彻底打破美国的反导弹体系,因为导弹将像飞机一样飞行,让美国无法用红外预警卫星预警,我们还能让弹道飘忽不定,而且速度达到16马赫;

即便面对先进的光学侦察卫星,斜爆震发动机躲不了,但能让你看花眼,实现高超音速洲际导弹的隐身。因为使用斜爆震发动机助推火箭时产生的尾焰比洲际弹道导弹小得多,与战术弹道导弹的尾焰特征相似,容易误导对手。

最后,爆震发动机原理与炮弹相似,只需要携带燃料和氧化剂,不需要氧气,同样体积和重量的情况下,拥有更大的射程,或者更多的弹药量。

中国在涡扇发动机领域很长一段时间处于追赶状态,但新一代发动机的进度上已经远超美国,

当世界人们在继续为大推力涡扇而焦虑时,中国已经进入另外一个层面,证明高超音速和爆震发动机才是航空航天技术的前沿,通往星辰大海之路。

截至目前为止,中国在新一代发动机的进度上已经远超美国,无论是美国提出的变循环发动机,还是代表全球趋势的超燃冲压发动机和爆震发动机, 功课一个不落全部做了。未来航空领域中国和美国的局面将全面逆转,美国六代机的研制目前还处于初级设计阶段,以他们做事的悠闲状态,想要把六代机从设计图变成生产、试飞再到量产,至少10年起步,那时也许我们七代机也开始试飞了。

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