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震撼世界科技成果:空天飞机的极速梦想
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&& ()&& ()&&&看看《星球大战》中天行者卢克（Luke&Skywalker）的X翼战机――能够从跑道上起飞进入太空，而后可以返回，这就是工程技术人员一直梦寐以求的器。&& ()&& ()&& ()&& ()&& ()&& ()&& ()&& ()&& ()&& ()&& ()&& ()&& () 但是，一道难题挡住了他们的去路：喷气式发动机的需要氧气，但大气层外没有足够的氧气来维持因此，飞往太空需要火箭推进，还要携带和氧化剂即使像航天飞机这样当今最先进的发射系统，液氧和固体氧化剂也占去了发射重量的一半，这才保证了在进入地球轨道的整个航程中，能持续　　超声速冲压式发动机可能是解决方法之一它简称超燃冲压发动机，可以在攀升过程中从大气里攫取氧气放弃携带氧化剂，从中获取氧气，节省重量，就意味着在消耗相同质量推进剂的条件下，超燃冲压发动机能够产生4倍于火箭的推力经过几十年间歇式的发展，超燃冲压发动机终于插上翅膀，成为现实研究人员计划在2007年、2008年进行关键的全尺寸发动机地面试验，并在2009年展开一系列突破技术屏障的试验　　与径直冲向轨道的火箭不同，采用超燃冲压发动机提供动力的器，将像飞机那样，依靠机翼和机身产生的气动升力爬升这让飞机更具机动性，也更安全（如果失败，器可以滑翔回到地面）它利用传统的喷气式发动机起飞，加速到超声速声速就是飞机速度达到马赫数1，或者说达到海平面760英里/时，大约340米/秒然后，超燃冲压发动机开始工作，把飞机推进到高超声速领域――马赫数5～15（超燃冲压发动机性能的理论极限）最后，在入轨前剩下的航程中，由小火箭来为有效载荷加速（有效载荷基本上是指器携带的人员、货物、仪器等，是用于完成任务的有效部分）马赫数5是声速的5倍，即1英里/秒（约合1.6千米/秒）相比之下，目前最快的吸气式有人飞机是美国空军的SR－71黑鸟侦察机，它的最高速度是马赫数3.2　　这种能力将掀起革命具有传统飞机那样的能力，又能重复使用的空天飞机，可以使往返空间的航程缩短到一天之内，还能大幅降低人员及货物入轨的费用新发动机极高的性能，将从根本上缩短军用飞机或导弹打击地球上任意目标的时间甚至有一天，超燃冲压发动机可能作为高超声速远程客机的动力，只要两个小时就能带你从纽约飞到悉尼如果你乘坐波音777来完成这段跨越赤道的漫长旅程，就得困在机舱里接近20个小时　　为了让超燃冲压发动机达到高超声速，世界上许多研究小组正在努力克服巨大的技术挑战本文的讨论将集中在美国空军和普惠公司(Pratt&&&Whitney）的高超声速技术（HyTech）超燃冲压发动机计划上，这是我最熟悉的计划之一另外，还有大量研发工作在美国海军、美国国家航空航天局（NASA）、美国国防部高级研究项目局（DARPA），以及澳大利亚、英国、日本等地展开　　通往蓝天之路　　用超燃冲压发动机来做推动力并不是一个新概念上世纪50年代，最早的专利就记录在案了60年代中期，一些超燃冲压发动机已经进行过试验，最高速度达到马赫数7.3通用电气公司、联合技术公司、马夸特公司、约翰?霍普金斯大学APL实验室以及NASA兰利研究中心等研制出典型的氢超燃冲压发动机（相同也用于航天飞机和其他液体火箭助推器）80年代中期，美国政府启动了以超燃冲压发动机为动力的国家空天飞机计划但是，随着冷战结束、财政紧缩，美国政府不得不在1994年取消这个计划，当时他们已经投资了近20亿美元2004年，NASA的HyperX计划完成，成功地进行了两次氢超燃冲压发动机的试验这两次都是在单一速度和高度下，持续了数秒同年末，X-43A超燃冲压发动机试验器创造了马赫数9.6的记录美国空军正在试图利用下一代超燃冲压发动机技术，在一定速度和高度的范围内加速器，并采用液体碳氢作为发动机的，另外还要用它来冷却发动机　　超燃冲压发动机是所谓吸气式喷气发动机家族中的一员这个家族的成员在不同速度和高度的范围内工作，产生推力的基本原理也不同一般而言，喷气发动机工作过程包括压缩大气空气、空气与混合、混合物，膨胀并排出生成物4个过程客机乘客最熟悉的就是涡轮喷气发动机（gas&turbine&engine）它包含5个基本部件：进气道、吸入空气并升压的压缩机（安装在转轴上的叶轮）、喷入并的室（或器）、当热燃气通过叶片时，旋转并驱动压缩机轮轴的涡轮，以及排出高温膨胀燃气，产生推力的喷管现有的涡轮喷气发动机能够让器的速度稍稍超过马赫数3速度再高点，旋转部件就会因过热而遭到损伤　　如果速度超过马赫数2.5，而喷气式发动机被设计成“冲压压缩”来流空气的形式，它就不再需要压缩机和涡轮因此，冲压发动机只有进气道、室和喷管冲压发动机[译注：这里特指亚燃冲压发动机，即ramjet]特殊设计的进气道在压缩空气的同时，还要把空气减速到亚声速喷嘴向空气中加入，点火空气和的混合物热燃气流穿过狭窄的喉道时，再次被加速到声速，然后膨胀，冲出倒锥形的喷管，达到超声速当器的马赫数超过5，进气道的空气减速就会提高发动机内的温度一旦超过某个点，再也无法发挥作用，无法有效提高能量所以，马赫数5～6是冲压发动机的实际极限　　剖析超燃冲压发动机　　为了产生更大的推力，在比冲压发动机更高的速度下工作，超燃冲压发动机减少了对来流空气的初期压缩，所以空气减速不大，在过程中始终保持着超声速超燃冲压发动机跟冲压发动机一样，不包含移动部件，基本由两个像漏斗一样的收缩管通过它们的细口端相连构成(参见57页的示意图)工作时，超声速空气进入进气道（第一个漏斗）升压升温中间通道（室）限制了气流的流速，在这里，被喷入流经的空气当中、然后点燃，继续加热气体生成的排气喷出喷管（第二个漏斗），这时的速度比进气的速度更高　　冲压发动机或者超燃冲压发动机有点像某种鲨鱼，只有不断向前游弋，才能保障氧气供应它们在启动和产生推力之前，必须快速前进，强迫空气进入进气道也就是说，在已经具备一定速度的条件下，发动机才能启动所以，以超燃冲压发动机为动力的轨道发射器，必须与火箭、涡轮发动机等其他推进系统组合起来，才能发挥作用一旦达到所需速度，空天飞机驾驶员就启动超燃冲压发动机飞越大气层，然后由火箭接力，完成最后进入轨道的工作要设计出由不同发动机组成的组合推进系统，是一个如何集中优势力量的难题，其中涉及的影响因素包括载荷尺寸、预期轨道、大气层的范围和速度，以及武器携带能力等等　　超燃冲压发动机运行的主要困难在于，空气在发动机中的滞留时间极短，仅仅有千分之几秒的时间，所以的任务就如同在龙卷风中点燃一根火柴，还要让它持续下去保证超燃冲压发动机工作的关键，就在于通道内部极为巧妙的几何形状，它能够让热量沿着通道释放一个实用的超燃冲压发动机依靠两点来产生稳定的推力：一方面，准确控制流经发动机的气流速度与压力；另一方面，还要调节进入室的量，使它能够准确地按照需要，完全并释放出能量精确控制流动面积和释热，使冲压发动机不再需要机械拥塞部分，也使超燃冲压发动机维持超声速气流通过室成为可能　　超燃冲压发动机的研究者知道，关键就在发动机中的热能管理来自摩擦以及过程的热量传向机体结构，在某些部分，作用在发动机内部的内激波（internal&shock&wave，激波就是在流体中以超声速的速度传播并对流体产生压缩作用的波）放大了热流发动机吸入的高超声速气流的动能，如果完全转化为热能的话，足以熔化发动机的金属结构但如果减速不足，空气流过发动机时速度过快、温度和压力过低，就无法支持　　为了防止超声速气流摩擦造成结构熔化，工程人员采用了“主动冷却”的方案油泵强迫一定的吸热通过布置在发动机和机身内部的通道，带走破坏性的热量这个过程还能促进在发动机中迅速冷却技术已经在传统火箭上成功地应用了数十年，特别是把液氢作为冷却剂的技术尤为成熟在这种环境下，使用碳氢更具挑战性，因为受热的碳氢会迅速分解成固体结碳，堵塞冷却通道另外，还有一些其他缺点：主动冷却系统将导入多余的重量，使结构更加复杂；系统还必须一直处于工作状态，因为冷却剂缺失，将会使结构面临灭顶之灾　　成功运行超燃冲压发动机是一个细致的平衡工作由于已知的气流几何(airflow&geometry，气流在发动机内部的波系与流动结构)仅适用于单一的条件（速度、高度等），所以这项工作会更加复杂理想的超燃冲压发动机流道的物理尺寸和形状，应该在器加速和高度改变的时候仍然适用但是，这一标准对耐热内表面和机械连接的要求，已经超出了当今材料和结构力所能及的范围连续移动发动机高温内表面（即改变发动机内通道几何形状）、密封高温气体等方面提出的要求，使我们在实现超燃冲压发动机热循环、发掘它全部潜能的道路上举步维艰　　个案研究　　虽然超燃冲压发动机存在固有的技术难关，但是研究人员最近的一些成果告诉我们，前途仍然是光明的美国空军1995年启动的HyTech计划就是成功案例之一美国政府、航天业和大学科技人员携手合作，主要集中考虑怎样应对可运行模块的工程挑战首先，他们集中开发用于导弹的、单次使用的小型超燃冲压发动机为了适应现有的地面实验设备，这个发动机尺寸不需要很大，只是用于技术评估只考虑单次使用，把发展重复使用结构的复杂工作推延到下一步研究之中另外，研究人员还把它的工作范围限制在马赫数4到8之间，采用固定形状的流道，把计划的设计难度降到最低　　最后，他们选择了原本为SR－71黑鸟侦察机开发的JP-7就跟前面提到的一样，在冷却的超燃冲压发动机中，需要作为处理多余热量的热沉（heat&sink，吸收热量的物质）使用在一个热平衡系统中，用于吸收结构多余的热量所需要的量，应该少于所需的量HyTech计划者希望在马赫数8时达到平衡，而我们已经证实JP－7符合这个要求　　与火箭动力发射器相比，吸气式动力器在有效性方面的性能研究显示，器达到最高速度一半左右的时候，它才能进入良好的工作状态因此，工程师们把超燃冲压发动机的启动速度设定在马赫数4，但这有一定难度，因为在这个速度之下，进入室空气的温度远低于自点火的温度所以，发动机需要辅助点火，比如加入化学添加剂降低自燃的温度，或者制造能把高温气体喷入室，点燃的装置在高马赫数条件下，点火和稳定火焰相对简单，速度再提高，气流在发动机内部逗留时间太短，我们将面对如何维持的挑战　　2003年，HyTech组开发了发动机部件和整体发动机的分系统，都达到或超过了大部分的预期目标但是，即使经历了大量地面试验之后，开发中仍然存在明显的不确定因素存在的问题都与过渡条件（速度、高度、推力调节等）下，如何维持发动机性能有关，而这些又难以在风洞中研究，需要进行试验　　这也正是为什么2009年，美国空军的超燃冲压发动机演示样机（SED，现在代号为X-51A）要把HyTech系统的一部分带入空间的原因这次实验将对HyTech计划中正在提炼的技术进行持续的评估通过地面试验和大量数值计算，HyTech的工程技术人员已经开发出适合SED计划重量的、主动冷却的超燃冲压发动机　　如果我们能在中改变发动机的内通道形状，就能靠它调节性能，适应迅速变化的速度和高度，但我们目前还无法做到SED工程技术人员选择了固定几何形状的流道这样，既能在速度范围（马赫数4.5～7）的低端保证足够的加速性能，又能在高端保证有效的巡航性能管理在发动机中的分布情况，是控制发动机推力、加速度以及维持稳定工作状态的基本方式　　发动机主要由钢材加工而成，采用流主动冷却结构在一部分前缘，用耐热陶瓷材料来代替钢材因为这些地方直接面对高温气流加热，但前缘又很尖锐，无法设置冷却通道如何可靠地连接这些有冷却装置和没有冷却装置的部件，是个颇具挑战性，也非常关键的问题很明显，结构损伤过快（导弹还没到达目的地），将导致灾难性的失败另一个问题是陶瓷和金属部件热膨胀的失配将破坏气流几何，扰乱超燃冲压发动机的性能控制为了解决这个问题，工程技术人员发展出由舌槽（tongue-and-groove）连接的耐热碳/碳复合材料　　使用JP－7来运行和冷却超燃冲压发动机是X－51A成功的基础到目前为止，氢是大多数超燃冲压发动机的首选与氢相比，碳氢一般不易反应、单位质量所含能量少、而且冷却热结构的热容量低（也就是说，吸热之后升温较快，冷却效果较差）但是，其他所有空军的应用基本上都会用到碳氢，所以相关的基础设施已经遍布全球而且，碳氢便于携带、单位体积的能量大，与相同能量含量的氢相比，碳氢所需的机载空间更小　　为了抵消碳氢低活性和低热容量的缺点，HyTech利用了JP-7的吸热潜能，即化学吸热的能力当这种从周围获得无氧热量，并具备合适的催化剂时，长而复杂的复合链将分解成更短、更简单的结构在这个过程中，吸收的热量可以达到其潜热（相同温度下物态变化所需热量）的5倍，用这些能量就能把从液态变为气态；而且吸热以后的与没有加热的液态相比，能量增加了10%最终生成的低分子量的碳氢比原来的分子更活泼，更容易在短时间内，在超燃冲压发动机中　　工程技术人员研究制造出尺寸足以推动导弹类器的固定几何发动机，从马赫数4开始碳氢（比如JP-7），一直加速到马赫数7目前正在发展中的主动冷却和耐温结构技术，能让机载维持发动机的热平衡2009年，X-51A器将被火箭推到超燃冲压发动机点火的速度，然后脱离火箭，在中检验这些关键技术　　向好友推荐本贴：&&&& 标题：《震撼世界科技成果:空天飞机的极速梦想》&&&& 地址： .cn/Article/200803/showp1.html
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作者：212121&&&
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作者：qqtn小
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