3月21日,美国总统特朗普宣布美国空军正在推动第六代战机F-47的研发。随着该项目的公开,对六代机的讨论也成为了近期的热点话题。关于六代机的发展,一个焦点问题集中在航空发动机的突破上。其中,关于爆震发动机(也称爆轰发动机)的讨论尤为热烈。

美第六代战机将采用爆震发动机吗

从切实的角度来讨论,如果全球航空科技延续目前的发展趋势,航空用爆震发动机至少还需要15—20年,才有可能在尺寸和推力级别较小的800—900千克级战术导弹上投入实用;至于发展到大推力级别,时间周期显然将更长,乃至无法确切预测。

目前投入使用的发动机类型如活塞、涡轮、火箭、冲压发动机等,在燃烧室中释放化学能的方式均为常规燃烧,燃烧反应产生的能量向周围传导扩散,火焰速度一般在每秒几米到十几米不等。而爆震发动机的燃烧机理,则是以爆炸为核心的自增压燃烧,能量传播是通过爆炸反应形成的强烈激波作为媒介实现的,火焰速度上限可以达到每秒几千米。

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苏-30MKI只能携带射程缩水的2.5吨级空射版“布拉莫斯”。

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如果装备连续爆震发动机,那么F/A-18E/F一次携带4枚与“布拉莫斯”基本型打击能力相当的导弹。

因此,对比目前的发动机,理论上,爆震发动机能够以更小的体积和重量,提供高得多的热效率和输出功率。这是根植于其燃烧机理的优势。以俄印联合研发的“布拉莫斯”导弹为例,在同等飞行速度、战斗部重量和射程的前提下,应用爆震发动机的巡航导弹,重量和尺寸可以从3.0吨/8.4米,缩减到0.8吨/5米。

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RTX公司公开的连续爆震发动机导弹概念图,体现了紧凑的进气道/发动机尺寸和环形燃烧室。

早期,爆震发动机的研究方向主要集中在长管状燃烧室的脉冲爆震,希望依靠高频点火和多管并联设计来实现稳定、持续的较大推力。但研究人员不久后就发现,由于点火频率难以提高等原因,该路线前景不明。目前,爆震发动机的主要研究方向是旋转爆震(也称为连续爆震发动机),其典型设计是制造一个环形燃烧室,使初次引爆燃料形成的激波在环形燃烧室里不断循环,以每秒几千到几万次的频率,引爆后续所有喷注的燃料形成自持燃烧,类似仓鼠跑笼子。

说起来简单,但工业中实现并不容易。目前爆震发动机面临的最大难题是其连续稳定燃烧的技术难度要远高于超声速燃烧的冲压发动机。由于燃烧与爆炸同时共存,耦合干扰,燃料在空间内分布不均,会形成局部的富燃贫燃区域等一系列问题,会使得点火过程有巨大的不确定性和不可控性。因此科研试验工作中,不仅爆震的自持状态难以达成,而且达成后也极其脆弱。

就连如何实现对爆震过程的高精度观测,也依然是目前发动机领域需要重点突破的难题。因为爆震流场作为高温、高压、高速流动的瞬态流场,变化速度极快,周期性循环时间非常短,这导致它的详细物理参数和内部流场的三维显示难以通过实验方法取得。因此,计算机数值模拟是现阶段对于连续爆震波传播机理研究的最主要手段。

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也就是说,目前科技界对爆震发动机的相关研究成果很大程度上是建立在有限统计和猜测上的。也因此,目前最接近实用化的成果,是停留在实验室中的小型原理样机,而且离不开对反应活性高的燃料的依赖(特别是氢气)。在这些限制条件下,相关实验才能实现相对稳定的持续燃烧,获得较好的性能数据。

基于氢氧燃料掺混的爆震发动机未来大概率会发展为航天器的火箭爆震动力。但对于巡航导弹和飞机,实用化的发动机大概率依然必须使用常温、液态的烷烃类燃料,或类似“流星”导弹,使用固态燃料贫氧燃烧后生成的富燃燃气。

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在现阶段的爆震发动机研究中,燃料从氢气更换为气态的甲烷和乙烯等小分子碳氢化合物后,由于所需的起爆能量和反应空间更大,常会出现火焰传播速度骤然降低,甚至频繁熄爆的现象。而液态航空煤油这一类低活性的燃料,如果要维持持续的爆震燃烧,更是机理不明且难以实现。

在核心的燃烧原理和燃料属性问题之外,爆震发动机还面临着很多其他工程领域的困难。比如,人们研制爆震发动机的目的是以更小的体积和重量提供极大的功率,这意味着大量热量要极短时间内释放在非常狭小的空间里,该过程所造成的热负荷会远超任何目前投入使用的发动机。

根据现有氢氧混合燃料试验的测试数据,爆震波的温度可以达到3000k,燃烧室结构承受的热流量更高达12000—17000kW每平方米。因此,该使用怎样的材料、怎样的热管理设计,才能让紧凑化的轻质结构耐受这样的高温环境?是横亘在各国发动机科研界的巨大挑战。

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多涵道化设计的变循环发动机。

客观来说,未来连续爆震发动机必然要经历“由小而大”的长期过程:首先在导弹发动机等成本较低的小型动力系统中获得应用,并得到验证,然后逐步放大尺寸和推力等级,并被整合到中大型的涡扇或火箭等发动机产品上,最终推动飞机、火箭的动力系统实现能力提升。从这个角度来说,连续爆震发动机短期内必然难以匹配六代机项目。

尽管如此,当前大多数的实用化发动机,尤其是涡轮燃机,工程基础理论很成熟,核心部件的设计和制造在反复迭代中,其性能已经趋近可实现的理论极限。因此,研究连续爆震发动机的意义毋庸置疑,该领域也已经成为全球航空强国突破当下科技桎梏、发力前沿科技的重要领域。

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