零到16倍音速：厉害了我的国

晨枫

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据南华早报报道，北京动力机械研究所的张艺宁（音译）团队在《推进技术》12月刊发表论文，将旋转爆震和斜爆震技术相结合推出从跑道到M16一气呵成的革命性航空航天发动机。
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" G" e  I2 q& g4 R, ^6 L8 L) |https://www.scmp.com/news/china/ ... e-hypersonic-flight
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8 d+ m( y# J" o* P; c( k  ^传统上，航空发动机和航天发动机是两股道上跑的车。航空发动机的主流是涡扇，航天发动机的主流是火箭，在两者之间还有超燃冲压。

$ R3 [7 L- n% h4 P这些发动机都以燃烧产生推力。燃烧导致升温，空气受热膨胀，产生压力。压力波以音速传递。
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涡扇内是亚音速的等压燃烧，燃烧速度低于音速。燃烧温度一高，热气体立刻膨胀，产生向喷口的流动，形成推力，燃烧室内的压力则回落。火箭发动机就燃烧而言也是一样，只是氧化剂是火箭燃料的一部分，不像涡扇从空气中汲取氧。

1 q' a4 f. U3 Y在开放大气条件下，燃烧速度超过音速的话，压力波扩散不及，压力波的锋面好比“容器壁面”，内部温度和压力越来越高，最终导致爆炸。超燃冲压发动机内空气以超音速流动，所以容许燃烧速度高于音速，但在本质上依然是等压燃烧，只是需要压力波的传递与燃烧速度相匹配，否则就要么爆炸，要么熄火。

在传统上，涡扇速度在M2.5以上就效率急剧降低，亚燃冲压到M4-5也差不多到头了，超燃冲压可达M8-10。

问题是，亚燃冲压和超燃冲压的点火条件很苛刻，只有用涡扇加速到M2以上才能点燃亚燃冲压，M4-5以上才能点燃超燃冲压。多模式组合循环发动机一直在研究，但各种工程问题也一直是实用化的巨大障碍。

8 V3 e, M% N1 N+ j( d/ b爆震发动机基于完全不同的燃烧机理，更像内燃机气缸内的等容燃烧。在固定的容积里燃烧时，温度和压力可以升得很高。受控的等容燃烧可以产生高得多的热效率，不受控的等容燃烧则导致爆炸。
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脉冲爆震发动机（PDE）好比把内燃机气缸的出气阀通向喷口，间隙性地产生推力。实际PDE可以利用激波传播速度低于燃烧速度的特点，形成虚拟的墙，达到等容的作用，不需要机械阀。
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! a5 o% }8 F7 d4 ]旋转爆震发动机（RDE）则是貌似简单的环形筒，超音速燃烧爆炸产生的激波在环道里形成、发育，并绕着环道一边在筒长方向上运动，一边绕着筒壁旋转，最终在出口产生推力。重要的是，RDE可以连续产生推力，更加适合用作航空动力。
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PDE能从零速度开始工作，一直到M4还保持很高的效率。RDE不仅从零速度开始，还可一直工作到M7。也就是说，把涡喷-超燃冲压组合循环才能达到的速度范围在爆震时代直接通吃了。

更重要的是，传统涡扇的热效率在20-30%范围，爆震发动机可达80%，这意味着同样的燃料可以产生高得多的推力。
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2 i/ B, v  H) g  h$ URDE是中美未来航发技术竞争的前沿。9月27日，媒体报道，一架装用FB-1连续旋转爆震发动机的无人试验机成功实现了世界上首次RDE升空飞行，FB-1由重庆大学产研院爆震推进与空天飞行技术研究中心与重庆推重比动力科技有限公司以及重庆大学航空航天学院等单位共同研制，推力达到1000N，使用航空煤油。

! f/ S; j: `& G* I( T但速度进一步提高的话，就需要斜爆震发动机（ODE）了。ODE利用一道或者多道斜激波对气流进行压缩，激波后的流动混合作用正好把燃料和空气混合均匀，下一道激波的高温高压正好点燃，然后在稍后的一个极薄锋面上产生爆震，形成推力。为了改善和在更大范围内可靠诱燃和起爆，也有用激光、热射流、磁流体点燃的。

重要的是，ODE速度可达M16。更加重要的是，中科院力学所高温气体动力实验室的姜宗林团队在《航空学报》上发表文章，宣布已经在M9风洞里进行氢燃料的斜爆震发动机的成功测试。据报道已经进行了更多、更高速度下的测试，相信工程化的研发也在进行。不管欧美理论水平如何，根本没有中国这样的高超音速风洞可以实测，当然谈不上进一步的实用化。
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6 }0 h8 n* t5 M$ x3 ]# c现在，张艺宁团队将RDE和ODE结合起来，实现从零速度到M16一气呵成的空天推进。这确实是革命性的。
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) O) C, L0 _# h, v; F中国已经有成功升空实飞的RDE，有在实验室里成功试验的ODE，两者相结合并非画饼充饥，而是有坚实理论和实践基础的。中国还有世界上遥遥领先的高超音速风洞，更加有理由相信张艺宁团队成果的可信度。
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+ i, r6 Z, H* N" r2 _RDE本身依然充满挑战，RDE过渡到ODE的点火是更大的挑战。张艺宁团队发现，在M7的时候，将进气减速到M4，在减速增压中提高进气温度，有利于ODE点火。一旦点火成功，ODE本身对工作条件并不苛刻，意味着有很强的实用化前景。

9 ?& s0 B2 y8 ?% x& @这依然是早期学术成果，RDE- ODE组合循环发动机离实用化还有很长距离，所以对于高超音速轰炸机或者亚轨道轰炸机依然是“可以期盼、不必等待”。但相比于美欧，这是扎扎实实的遥遥领先。
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晨枫

五月 发表于 2024-1-1 19:57
8 r# ?! `1 R) `- Z+ p1 P7 l/ l等压燃烧  < 等容燃烧
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/ o- l$ N& A' v$ \等压燃烧： 涡扇  亚燃冲压  超燃冲压

, i! {, U! G' i3 \) k; u( ~: S: U' {等压燃烧 = 一面燃烧一面泄气
( {- X: c3 S. `0 k* _1 K, a等容燃烧 = 憋足了劲再泄气

3 F4 C# {3 U* |+ D1 f, N0 `中国的高超音速风洞确实是用爆震技术的。

晨枫

潜水员 发表于 2024-1-3 13:13
看见PDE，第一反应是偏微分方程……我的噩梦回来了

另外，张艺宁（音译），呣……既然是音译，会不会是 ...

她打乒乓球厉害，激波和爆震可能玩不动。