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航空發動機:劉興洲院士訪談

發布時間:2011-11-11    信息來源: 中國航天科工集團公司

    問:中國已成功地研制了液體燃料沖壓發動機和固體火箭沖壓發動機,那么,在沖壓發動機領域,中國今后的研制方向是什么?

  劉院士:沖壓發動機我們做得比較早。過去,研究過液體燃料沖壓發動機和固體火箭沖壓發動機。我想今后研究的方向主要是以下幾個方面

  第一、提高性能。這是發動機永恒的主題,需要不斷地研究。對沖壓發動機而言,提高性能主要是提高比沖,就是要提高發動機的燃燒效率,減小阻力損失。

  第二、提高發動機速度,不斷地提高它的馬赫數。目前,國內外沖壓發動機的最高馬赫數通常3.5左右,在這一馬赫數下,發動機的性能是比較好的。但還是有很長的發展潛力,比方說達到3.5,甚至達到4以上。

  第三、就是發動機的可調技術??烧{技術主要包括進氣道和尾噴管可調。如果進氣道和尾噴管可調,就可以大大地提高沖壓發動機性能。但是,進氣道可調是難以做到的,目前還沒有很成熟的技術。尾噴管可調就是尾噴管的有級可調,有可能做到,但無級可調較為困難。

  第四、對火箭沖壓發動機來講,就是要實現燃氣發生器可調。如果燃氣發生器不可調,那么,在各種高度下,燃氣發生器流量是一定的,難以適應高度和速度的變化。如果流量能夠根據馬赫數和高度的變化來調節,那么火箭沖壓發動機的性能就能大幅度地提高。

  第五、降低發動機質量。對于各種發動機來講,都要追求高的推重比。通過不斷改進結構,使發動機更輕、更簡化,以便得到更高的推重比。

  問:我們知道,燃料在超燃沖壓發動機中的滯留時間僅有千分之幾秒,點燃燃料如同“在龍卷風中點燃1根火柴”,可見“點火”是1項關鍵技術,極其困難。請您介紹一下超燃沖壓發動機的關鍵技術?

  劉院士:超燃沖壓發動機因其馬赫數較高、速度較快,因此,燃料在燃燒室滯留的時間非常短,是毫秒級的,所以研究超燃沖壓發動機會遇到很多關鍵問題。

  第1個關鍵問題是性能。關系到性能的首先是點火,點火可以有多種方法,例如可以用自燃燃料點火,用氫引導點火,用燃氣發生器點火,用等離子體點火等。當然,當氣流溫度達到了燃料的自燃溫度,就不需要點火措施了。其次是在實現點火以后,要保持火焰穩定??梢允褂弥О?,利用其楔角及后緣氣流進行穩定。也可以使用凹槽或燃氣發生器進行穩定,其原理都是造成一定的回流區實現火焰穩定。對超燃沖壓發動機來說,流路設計是一個重要問題。流路設計好了,發動機性能就有了保證。

  第2個關鍵問題是講、排氣技術。依靠進氣道對氣流進行壓縮,在高超聲速流動條件下,會遇到激波附面層干擾,激波與激波的干擾,附面層轉捩,以及隔離段設計等一系列問題,這些問題對發動機性能有很大影響。

  第3個關鍵問題是結構。超燃沖壓發動機的某些前緣部位達到了滯止溫度,燃燒室的溫度更高,因此,一些部位要采用被動熱防護,一些部位要采用主動熱防護,這對材料和熱防護結構提出了挑戰。

  第4個關鍵是供油控制問題。在高溫下,采用什么方法供油?如何實現發動機的模態控制等等,有很多問題需要研究。

  問:渦輪沖壓循環組合發動機(TBCC)具有可重復使用、發射和著陸地點靈活、單位推力大、能采用普通燃料和潤滑劑等優點,是未來很有前途的高超聲速動力裝置之一。請您談一談TBCC的發展現狀和中國開展該項研究的可行性。

  劉院士:TBCC指的是渦輪噴氣發動機和超燃沖壓發動機的組合發動機。人們一直希望有1種發動機可以實現從低速到高超聲速飛行,比較理想的就是TBCC。

  但是,TBCC對渦輪噴氣發動機提出了很高要求:要求渦輪噴氣發動機的推重比達到15~20,馬赫數達到4~5,這是一個嚴峻的挑戰。TBCC還有布局問題,即渦輪噴氣發動機和超燃沖壓發動機是串聯還是并聯。我們知道,未來的渦輪噴氣發動機到馬赫數4~5以后,也不能再工作了,因其不能承受更高溫度。這就需要把渦輪噴氣發動機關閉,這也是1項要解決的重要問題。還有渦輪噴氣發動機和超燃沖壓發動機的工況匹配與轉換問題,等等。

  目前國內對TBCC進行了一些概念研究,算是初步工作吧。

  問:已有的沖壓發動機用于無人機、靶機和導彈上。據報道說,超燃沖壓發動機今后在空天飛機領域有廣闊的應用前景,甚至可用作高超聲速遠程客機的動力裝置,請您為讀者展望一下,這一天離我們有多遠?

  劉院士:人們一直追求能夠飛得更快、更高、更遠,超燃沖壓發動機有可能為未來的高超聲速飛機和空天飛機創造條件。高超聲速飛機和空天飛機的實現,將可以極大地提高高超聲速飛行的安全性、經濟性和使用的靈活性。

  因為飛機可以從低速飛行逐步提高速度,一段一段地飛,所以其可靠性和安全性較高。而火箭是一次性使用的,不能進行重復飛行,可靠性的檢驗受到了限制。飛機又是可以重復使用的,所以其經濟性也就提高了。高超聲速飛機實現了,就可以圓人們洲際飛行的夢想,從地球上的任一點飛到另一點,能在2小時內到達。如果能實現空天飛機,就可以從地球上水平起飛,直接到達地球低軌道;然后又可以重入大氣層,在地球上水平著陸。

  這一目標實現了,就為人類將來開發太空提供了條件?,F在到空間去,成本還是太高。按美國人的計算數據,運載1kg有效載荷到地球低軌道,成本是10000美元,如果應用空天飛機,就可能把成本降低100倍。到那時,空間開發成為現實,空間利用也就成為現實。將來要是能花費較低費用進入太空,用較低成本拿回比較貴重的東西,對人類開發太空就有重要意義。例如,在空間建太陽能電站,這是個大型工程,要往空間運很多東西,然后要使其運轉,付出的成本和取回來的東西,要算一筆賬,是不是值得?

  高超聲速飛行被稱為人類飛行史上的第3個里程碑。第1個是萊特兄弟實現人類飛上天空的夢想;第2個是突破音障,就是實現超聲速飛行;第3個里程碑就是高超聲速飛行,主要是突破熱障。氣動加熱溫度很高,發動機燃燒溫度更高,這對飛機和發動機都帶來了很多新的問題,要解決這些問題,就要突破多項技術難關。曾經有人估計,造出高超聲速飛機或者空天飛機,估計需要二三十年的時間??茖W技術總是不斷進步的,相信這一天總會到來的。(文/31所宣

      (責任編輯:王姣)

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